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摘要：体外预应力技术是加固既有钢筋混凝土桥梁结构最有效的方法之一。本文结合工程实例，重点介绍了体外预应力技术实施加固维修的实例，以期对体外预应力技术体外预应力技术在桥梁加固中的应用研究起到推动和参考作用。
关键字：桥梁工程；体外预应力；加固；技术
由于交通运输事业的发展，许多旧桥亟待加固。我国桥梁界广大工程技术人员对旧桥加固技术进行了大量的研究工作，并提出了许多切实可行的加固方法。采用体外预应力加固技术的确为一种简单易行且行之有效的方法。
体外预应力加固法的实质是以粗钢筋、钢绞线或高强钢丝等钢材作为施工工具，对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，从而达到改善旧桥使用性能并提高其极限承载能力的目的。
1 体外预应力的概念及优点
1.1 体外预应力的概念
体外预应力，就是把预应力索放在梁的主体结构之外，只通过两端的锚固以及梁中的转向装置与梁体相连。体外预应力技术是后张预应力体系的重要分支, 它与体内预应力即传统的布置于混凝土截面内的有粘结或无粘结预应力技术相对应。采用体外预应力技术加固混凝土结构时体外预应力束一般采用折线形按在梁的跨中部分,体外预应力束布置在腹板下缘,在离支座(1/3～1/4)L 处,体外预应力束向上弯起,锚固在梁的两端。
1.2 体外预应力加固技术的优点
1)施工简单，快速，在施工过程中,无需封锁交通，原结构仍可使用,减少交通压力。
2)运用体外预应力加固时，无需改变截面大小，不会增加结构自
重,使得荷载增加。
3)由于预应力筋与混凝土截面分离,提高了混凝土的质量和耐久性，这样便于对混泥土的加固和维修。
4)预应力束基本不占用结构空间,不会因为预留孔的存在而降低结构的承载能力,也避免降低结构的使用功能。
5)体外预应力束在工厂定制，质量有保证。体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一，由于无需后浇混凝土，可避免由此带来的预应力损失。
2 加固机理和常用方法
体外预应力加固的施力工具通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料,其机理现以桥梁为例来说,在体外对桥梁上部结构施加预应力,以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力,从而达到改善桥梁使用性能并提高承载能力的目的.如图1
3 体外预应力加固常用方法
根据施加预应力的方式不同, 桥梁体外预应力加固的常用方法有：横向收紧张拉法、纵向张拉法、竖向张拉法等。
3.1 横向收紧张拉法
梁的两端间隙很小时,一般采用横向收紧张拉法。此法是在梁的下缘对称梁中线安装预应力筋, 在距梁端适当距离处弯起并通过支点锚于梁端的锚固钢板上, 锚固钢板呈 Ｕ 形套在梁端的下翼缘上。水平段的预应力筋用撑棍分成若干段, 两端的撑棍还起到支点的作用。在每段中点用拉紧螺栓将两对称筋收紧,拉杆即产生预应力。
3.2 纵向张拉法
纵向张拉法是沿预应力筋的轴线施加预应力的方法。预应力筋沿梁底布置,到梁的两端设导向块处弯起,锚固于梁的腹板或顶板上,再沿梁底或梁顶进行纵向张拉,以减小梁端的剪力。纵向张拉锚固构造主要有两种,梁顶锚固和腹板锚固。体外预应力筋张拉方法与其构造形式有关,张拉位置可以在梁顶沿斜筋方向张拉,亦可在梁底沿水平方向张拉。其张拉程序与预制混凝土梁的相同。
3.3 竖向张拉法
当采用纵向张拉法不便施工时,可采用竖向张拉法。此法采用在梁肋两侧对称布置预应力筋,一般在梁端肋侧锚固,在预应力筋中部竖直向上张拉,在梁肋底部用小横梁固定预应力。横梁的作用在于固定竖向张拉产生的钢筋预应力,根据具体情况,横梁可以设计成锚固于梁肋上不能滑动预应力筋的固定支点或可以在梁底活动的活动支点。
4 体外预应力加固施工工艺
在该桥加固措施中,施加体外预应力是难点,也是关键点,且体外预应力施工质量的好坏直接影响到全桥的加固效果。体外预应力施工工艺主要流程为: 施工方案编制→施工机具准备→转向器安装→体外索穿索→穿入限位装置→安装锚头→单根张拉体外索→防松装置及保护罩的安装→保护罩及锚头内灌注防腐油脂防护。
5 工程实例
某连续刚构桥梁建于 80 年代由于养护不当, 汽车超载等因素，下缘混凝土破损,部分混凝土脱落,已出现纵向贯通裂缝,主钢筋已严重锈蚀。随着交通量的增长，桥面已出现下沉，偏差原来桥面设计标高。为了保证不长期中断交通经过研究分析，采用体外预应力的方法对桥梁进行加固。加固方案如图二
图二体外临时预应力索示意图
5.1 恢复桥面设计标高
恢复桥面高程就是通过体外预应力作用桥跨跨中，给桥面一个向上的作用力，使得桥梁跨中应受力反弹复位，抵消或减小桥面下沉挠度，使得桥面恢复到原来的设计标高。通过采用临时横向钢桁架体外预应力索来恢复桥面标高。当首先采用横向排架支撑、体外预应力索对桥梁标高临时实施校正，即在病害桥梁体外、跨中截面的下侧和支点截面的上侧架设横向预应力转向桁架，通过这个临时措施，把需使得桥面抬高的力转接给桥墩，方便高效，通过调整预应力的大小，
逐步把桥面抬高到原来设计标高。
5.2 截面裂缝修补
由于交通量的增长和偶然荷载的撞击，使得桥截面出现裂缝。由于刚桥跨中下挠较大,桥面裂缝出现在墩顶范围内,而在跨中裂缝则出现在梁的底板、腹板及翼板上。采用高强度粘接剂，对裂缝实施灌浆封闭，而后再利为保证裂缝普查精确,使用专门的检查仪器(25 倍读数显微镜)进行裂缝普查,然后封闭所有大于 0.3mm 的裂缝,插入压浆嘴将高分子材料压入并填充裂缝。对于 L／4 处的腹板斜裂缝，还应当采用钢板进行加强。如图三
图三钢板加固
5.3 转向结构施工
由于在梁内施加体外预应力钢索,为减少对原桥的破坏，即根据加固设计要求确定体外预应力索固定点, 以满足受力要求并确保施工质量，钢结构形成骨架后,将用两钢板将钢制构件之间浇筑C50钢纤维混凝土填实。同时遵照“墩顶靠上,转向贴底”为原则，将转向钢管经过试安定位,所有铁件外露部分需作环氧树脂防腐。
5.4 加固效果分析
由实践和数据证明（如图四，时间-位移表）,体外预应力是一种有效的加固技术,效果明显,同时还具有良好的防腐性及抗疲劳抗裂性。体外预应力受力图式安全可靠,并且在后期管理中易检查和更换,方便维修及调整索力。体外预应力能够较大幅度地提高旧桥承载能力,同時施工时可不中断交通或短时间限制交通。施工时所需的人力物力少、工期短,经济效益明显，不影响对结构物损伤小,不影响净空和标高，是一种理想的加固方法。
图4时间 - 位移图
6 结束语
1、体外预应力加固法是一种主动加固法，能较大幅度的提高构件的承受能力，在加固方法选择过程中，宜优先考虑。
2、对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分承载能力的作用。体外预应力用于桥梁的维修和加固，具有施工方便、工期短、投资少、效果明显等特点，且可在不中断交通的情况下实施，对结构的损失也小。
3、体外预应力结构的 最主要力学性能特点是：体外预应力索对截面的偏心距会随着构件弯曲下挠而减少，从而减少了预应力的作用。
4、体外预应力混凝土结构特别是钢索可以更换的体外预应力结构，其对锚具有巨大的依赖性，一旦锚具组件出现问题，其后果将是灾难性的。因此，体外预应力锚具组件必须能提供比一般体内预应力索要承受体内预应力索更不利的动载及由此产生的疲劳问题。
5、由于体外预应力索暴露在外，预应力索的反腐十分重要，它关系到结构的安全性及可靠度；同时也方便了对其进行检测，并且在有些情况下还可以更换，从而保证了体外索的防腐能力，这也正是体外预应力技术的优势之一。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键字：桥梁工程；体外预应力；加固；技术
由于交通运输事业的发展，许多旧桥亟待加固。我国桥梁界广大工程技术人员对旧桥加固技术进行了大量的研究工作，并提出了许多切实可行的加固方法。采用体外预应力加固技术的确为一种简单易行且行之有效的方法。
体外预应力加固法的实质是以粗钢筋、钢绞线或高强钢丝等钢材作为施工工具，对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，从而达到改善旧桥使用性能并提高其极限承载能力的目的。
1 体外预应力的概念及优点
1.1 体外预应力的概念
体外预应力，就是把预应力索放在梁的主体结构之外，只通过两端的锚固以及梁中的转向装置与梁体相连。体外预应力技术是后张预应力体系的重要分支, 它与体内预应力即传统的布置于混凝土截面内的有粘结或无粘结预应力技术相对应。采用体外预应力技术加固混凝土结构时体外预应力束一般采用折线形按在梁的跨中部分,体外预应力束布置在腹板下缘,在离支座(1/3～1/4)L 处,体外预应力束向上弯起,锚固在梁的两端。
1.2 体外预应力加固技术的优点
1)施工简单，快速，在施工过程中,无需封锁交通，原结构仍可使用,减少交通压力。
2)运用体外预应力加固时，无需改变截面大小，不会增加结构自
重,使得荷载增加。
3)由于预应力筋与混凝土截面分离,提高了混凝土的质量和耐久性，这样便于对混泥土的加固和维修。
4)预应力束基本不占用结构空间,不会因为预留孔的存在而降低结构的承载能力,也避免降低结构的使用功能。
5)体外预应力束在工厂定制，质量有保证。体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一，由于无需后浇混凝土，可避免由此带来的预应力损失。
2 加固机理和常用方法
体外预应力加固的施力工具通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料,其机理现以桥梁为例来说,在体外对桥梁上部结构施加预应力,以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力,从而达到改善桥梁使用性能并提高承载能力的目的.如图1
3 体外预应力加固常用方法
根据施加预应力的方式不同, 桥梁体外预应力加固的常用方法有：横向收紧张拉法、纵向张拉法、竖向张拉法等。
3.1 横向收紧张拉法
梁的两端间隙很小时,一般采用横向收紧张拉法。此法是在梁的下缘对称梁中线安装预应力筋, 在距梁端适当距离处弯起并通过支点锚于梁端的锚固钢板上, 锚固钢板呈 Ｕ 形套在梁端的下翼缘上。水平段的预应力筋用撑棍分成若干段, 两端的撑棍还起到支点的作用。在每段中点用拉紧螺栓将两对称筋收紧,拉杆即产生预应力。
3.2 纵向张拉法
纵向张拉法是沿预应力筋的轴线施加预应力的方法。预应力筋沿梁底布置,到梁的两端设导向块处弯起,锚固于梁的腹板或顶板上,再沿梁底或梁顶进行纵向张拉,以减小梁端的剪力。纵向张拉锚固构造主要有两种,梁顶锚固和腹板锚固。体外预应力筋张拉方法与其构造形式有关,张拉位置可以在梁顶沿斜筋方向张拉,亦可在梁底沿水平方向张拉。其张拉程序与预制混凝土梁的相同。
3.3 竖向张拉法
当采用纵向张拉法不便施工时,可采用竖向张拉法。此法采用在梁肋两侧对称布置预应力筋,一般在梁端肋侧锚固,在预应力筋中部竖直向上张拉,在梁肋底部用小横梁固定预应力。横梁的作用在于固定竖向张拉产生的钢筋预应力,根据具体情况,横梁可以设计成锚固于梁肋上不能滑动预应力筋的固定支点或可以在梁底活动的活动支点。
4 体外预应力加固施工工艺
在该桥加固措施中,施加体外预应力是难点,也是关键点,且体外预应力施工质量的好坏直接影响到全桥的加固效果。体外预应力施工工艺主要流程为: 施工方案编制→施工机具准备→转向器安装→体外索穿索→穿入限位装置→安装锚头→单根张拉体外索→防松装置及保护罩的安装→保护罩及锚头内灌注防腐油脂防护。
5 工程实例
某连续刚构桥梁建于 80 年代由于养护不当, 汽车超载等因素，下缘混凝土破损,部分混凝土脱落,已出现纵向贯通裂缝,主钢筋已严重锈蚀。随着交通量的增长，桥面已出现下沉，偏差原来桥面设计标高。为了保证不长期中断交通经过研究分析，采用体外预应力的方法对桥梁进行加固。加固方案如图二
图二体外临时预应力索示意图
5.1 恢复桥面设计标高
恢复桥面高程就是通过体外预应力作用桥跨跨中，给桥面一个向上的作用力，使得桥梁跨中应受力反弹复位，抵消或减小桥面下沉挠度，使得桥面恢复到原来的设计标高。通过采用临时横向钢桁架体外预应力索来恢复桥面标高。当首先采用横向排架支撑、体外预应力索对桥梁标高临时实施校正，即在病害桥梁体外、跨中截面的下侧和支点截面的上侧架设横向预应力转向桁架，通过这个临时措施，把需使得桥面抬高的力转接给桥墩，方便高效，通过调整预应力的大小，
逐步把桥面抬高到原来设计标高。
5.2 截面裂缝修补
由于交通量的增长和偶然荷载的撞击，使得桥截面出现裂缝。由于刚桥跨中下挠较大,桥面裂缝出现在墩顶范围内,而在跨中裂缝则出现在梁的底板、腹板及翼板上。采用高强度粘接剂，对裂缝实施灌浆封闭，而后再利为保证裂缝普查精确,使用专门的检查仪器(25 倍读数显微镜)进行裂缝普查,然后封闭所有大于 0.3mm 的裂缝,插入压浆嘴将高分子材料压入并填充裂缝。对于 L／4 处的腹板斜裂缝，还应当采用钢板进行加强。如图三
图三钢板加固
5.3 转向结构施工
由于在梁内施加体外预应力钢索,为减少对原桥的破坏，即根据加固设计要求确定体外预应力索固定点, 以满足受力要求并确保施工质量，钢结构形成骨架后,将用两钢板将钢制构件之间浇筑C50钢纤维混凝土填实。同时遵照“墩顶靠上,转向贴底”为原则，将转向钢管经过试安定位,所有铁件外露部分需作环氧树脂防腐。
5.4 加固效果分析
由实践和数据证明（如图四，时间-位移表）,体外预应力是一种有效的加固技术,效果明显,同时还具有良好的防腐性及抗疲劳抗裂性。体外预应力受力图式安全可靠,并且在后期管理中易检查和更换,方便维修及调整索力。体外预应力能够较大幅度地提高旧桥承载能力,同時施工时可不中断交通或短时间限制交通。施工时所需的人力物力少、工期短,经济效益明显，不影响对结构物损伤小,不影响净空和标高，是一种理想的加固方法。
图4时间 - 位移图
6 结束语
1、体外预应力加固法是一种主动加固法，能较大幅度的提高构件的承受能力，在加固方法选择过程中，宜优先考虑。
2、对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分承载能力的作用。体外预应力用于桥梁的维修和加固，具有施工方便、工期短、投资少、效果明显等特点，且可在不中断交通的情况下实施，对结构的损失也小。
3、体外预应力结构的 最主要力学性能特点是：体外预应力索对截面的偏心距会随着构件弯曲下挠而减少，从而减少了预应力的作用。
4、体外预应力混凝土结构特别是钢索可以更换的体外预应力结构，其对锚具有巨大的依赖性，一旦锚具组件出现问题，其后果将是灾难性的。因此，体外预应力锚具组件必须能提供比一般体内预应力索要承受体内预应力索更不利的动载及由此产生的疲劳问题。
5、由于体外预应力索暴露在外，预应力索的反腐十分重要，它关系到结构的安全性及可靠度；同时也方便了对其进行检测，并且在有些情况下还可以更换，从而保证了体外索的防腐能力，这也正是体外预应力技术的优势之一。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。