体外预应力技术在桥梁加固工程中的应用研究

钱恺

身份证号： 53012519730129**** 昆明公路分局

摘要：伴随当前我国经济快速发展，交通流量也在进一步增加、交通压力慢慢变大，我国很多桥梁在车流量增加的条件下，产生了一定的病害。在实际用的过程中出现了一定的隐患和问题，需要对其进行分析，采取合理的方式进行加固，才能使用我国桥梁使用寿命延长。施工人员在加固桥梁的过程中进行了经验的总结，发现体外预应力技术是桥梁加固过程中操作较为简便而且应用较为广泛的方法，可以在保证桥梁功能条件下让桥梁加固的施工成本降低，有效的缩短工期。本文重点对体外预应力技术在桥梁加固工程当中应用进行分析研究，以供参考。

关键词：裂缝病害；刚度不足；体外预应力；桥梁加固

引言

伴随当前我国交通行业的快速发展，交通通行量和通行负荷都出现了明显的增加，特别是一些拖挂车辆的产生。在运行的过程中，造成了桥梁结构出现了一定的破坏，对桥梁承载能力提出了更高的要求。当前的一些桥梁结构当中，因为计算不符合实际或者设计不当等产生了非常严重的病害，甚至对桥梁结构的正常使用产生的影响。从运营桥梁结构的角度出发，需要主动进行加固，采取体外预应力技术，对桥梁的使用寿命进行强化，需要注意在操作过程中可控可调，保证主动加固的效果。

1 我国桥梁主要病害及成因分析

桥梁由于社会原因、自然原因等诸多因素产生了一定的病害，比如说基础沉降、冻害和钢筋锈蚀等。

1.1 铁蚀病害

桥梁结构长期在大气当中暴露，和二氧化碳直接接触，而钢筋又是桥梁结构当中非常重要的承重部分，是桥梁结构的主体，对桥梁的抗剪性能和抗拉性能具有决定性的影响。一般情况下桥梁标准具有较为致密的氧化膜，可以与空气隔绝有效的避免钢筋出现腐蚀，但是因为外界环境等因素的影响，二氧化碳环境下，很多雨水渗入到混凝土当中，造成钢筋氧化膜逐步受到破坏，最终出现连锁腐蚀反应，造成钢筋的强度和高度进一步下降。与此同时酸性液体还会对钢筋的腐蚀产生促进作用，导致钢筋的整体性能无法达到要求，影响桥梁整体承载能力。

1.2 冻融病害

除了钢筋会出现病害外，冻融病害也是非常常见的一种病害。这种病害和当地的气候息息相关，特别是在我国北方地区，这种冻融病害非常突出。北方地区冬天长期处于较低的温度，冻融现象导致桥梁出现一定的裂缝。通常条件下出现上述裂缝病害之后需要进行加固和填充等方式进行处理，然而如果处理不及时或者处理时采取的措施不当，很有可能会导致破坏加剧，造成裂缝进一步增加。通常冻融病害主要与当地的气候息息相关，但是也会有一些人为因素相关，比如说在桥梁施工的过程中监管力度较为薄弱；施工工艺不达标、不规范；在养护的过程中没有及时进行裂缝的处理，而导致上述病害的产生。

1.3 基础结构沉降

由于外界环境变化或者地质变化等造成桥梁地基出现不稳定、不均匀沉降，如果出现不均匀沉降，很有可能会造成墩台开裂、上部结构开裂，出现变形以及桥面铺装结构受到破坏。在实际应用过程中可能会导致对它衔接处出现问题而造成跳车等事故。在现代交通运输行业快速发展的状态下，人们越来越重视桥梁的线路线行。基础沉降问题变得越来越重要，成为工程建筑研究过程中的一个重点。

1.4 裂缝问题

桥梁结构当中很容易出现裂缝，这是一种非常常见的病害，甚至应力结构的某些部位也会产生裂缝。在桥梁投入使用之后，会由于一些内部原因和外界因素共同影响而产生裂缝，依照裂缝是否由外在和引发，可以将一份分成两类。一种为非结构性裂缝，另外一种为结构性裂缝结构。如果产生裂缝及受力截面，发生应力重分布等情况就会导致桥梁承载能力下降。桥梁结构当中混凝土的任何破坏和损伤首先表现在混凝土产生裂缝，而裂缝是对混凝土结构病害进行反应的晴雨表，因此一定要重视在维护的过程中加强裂缝的管控。

2 桥梁加固的重要意义

2.1 提高桥梁的安全性能

桥梁一旦产生病还会导致桥梁的安全性能大幅度下降，桥梁在出现裂缝等病害之后，会造成整体刚度下降，力学性能出现重新分布的情况，造成局部应力超过允许值，最终出现严重的结构问题。如果没有及时进行维护和处理，很可能造成结构构件断裂而导致桥梁垮塌产生严重的安全事故，因此一定要重视加强桥梁坚固，保证桥梁的安全运行。

2.2 节约建设成本

对桥梁进行加固，能够保证桥梁的有效使用，恢复桥梁原有功能，还可以减少新建桥梁过程中资金投入，在社会效益和经济效益方面具有很大的价值。首先拆除旧桥和翻新新桥都会耗费大量的人力、物力，会造成企事业和政府的经济负担增加。其次，通过加固的方式可以有效的提高原有桥梁的承载力，延长桥梁的使用寿命，节约资金，另外还可以将桥梁应有的价值充分的发挥出来，节省交通建设过程中的资金投入。

2.3 有利于保障人民人身财产安全

改革开放以来，我国越来越重视交通行业的发展，特别是在十三五时期交通供给侧结构性改革，国家开始重视加强现代综合交通运输体系的建设，保证交通体系的高效便捷和安全。一方面，运输的车辆逐步增多，载重数量加大车型逐步发展，另外交通综合管理体系尚未完善监控，管理制度没有有效落实，这就导致超载的问题越来越多，桥梁养护工作无法达到要求。如果在高负荷状态下，长时间工作会导致桥梁出现垮塌等事故。桥梁的加固能够有效的防止上述事故的产生，让桥梁运行过程的可靠性，安全性提高，对保障桥梁行车安全具有很大的意义，能够有效的保证国民的生命财产安全。

2.4 促进可持续、和谐发展

现在交通持续发展的状态下，在城市当中交通成为一个非常严重的问题，而对既有的桥梁进行改造和加固能够保证高密度车流的分流，让交通堵塞的情况得到有效控制，缓解交通压力，方便人们日常出行，另外也可以为城市的物流发展提供助力，与此同时交通建设往往会占用大量的农田，导致我国耕地保有量进一步下降，对我国的农业可持续发展产生影响。通过桥梁的加固和改造，可以节省新建桥梁过程中的费用，节约耕地，保证农业的土地利用，另外也可以降低土地征收过程中的难度，减少拆迁时的人力、物力的消耗，保证工程建设过程中社会稳定性风险点的消除，对保证社会的和谐发展具有很大的帮助。

3 体外预应力结构及技术体系

体外预应力加固技术指的主要是在预应力筋所组成的稳固结构截面外，继续使用一定的方式让结构的稳定性提高。在桥梁横梁上，通过相关人员对体外预应力钢筋进行固定，根据实际情况合理的对钢筋的角度进行调节，将桥梁的内力消除，保证桥梁整体承载能力提高，确保整个桥梁的受力均匀。

3.1 体外预应力结构

在桥梁加固的时候，体外预应力结构通常是整体结构的外设部分，在实际应用过程中体外预应力索主要使用多钢绞线组成。该结构成为桥梁加固过程中，使用最为频繁的结构，通过体外预应力加固等方式，可以有效的保证整个结构紧密相连，形成一个整体。体外预应力索的架设能够让桥梁的整体强度提高，主要可以将外部载荷抵消，并且保证桥梁具有较强的承载能力。

3.2 体外预应力技术体系

（1） 无黏结体系

该技术在应用的过程中，主要是将单根无黏结筋插入HDPE管当中，接着利用灌浆施工的方式，使其成为一个整体，水泥浆可以有效的对黏结筋进行固定。

（2） 有黏结体系

该技术在应用的过程中，主要是把钢绞线穿入到钢管的孔当中，使其具有较强的整体强度，接着将水泥浆灌入，保证整个结构形成一个有机的整体。

4 体外预应力加固法的特点

4.1优势

体外预应力加固法在应用的过程中具有以下几项优势。首先在部署过程中非常方便，随时可以进行调整，而且操作时所使用的设备数量较少，对节约成本，控制施工进度，具有很大的帮助。其次，不会对桥上的交通产生较大影响，在某种条件下基本不会影响交通的发展。第3恒重增加较少，可以依照实际情况有效的对桥梁进行调整，以达到加固的要求。最后在维护过程中，也较为方便，可以有效的进行调整，灵活性强。

4.2 缺点

尽管这种技术在应用的过程中实践优势多，但是也会有一些明显的缺点。比如说很容易受到外部环境或外部外力的影响，在局部裂缝处理的过程中无法有效的进行控制，如果转向装置和锚固处于限制状态，处于行车状态时会导致体外索势产生震动，这会造成预应力索的自由长度受到一定的制约和影响。从力学的角度分析体外预应力索与周围结构主体在同一截面上产生形变是不协调的，这会影响整个结构的稳定性。

5体外预应力技术的加固原理及方法

5.1 体外预应力技术的加固原理

在体外预应力加固的过程中，主要使用粗钢筋或者高强度钢筋作为辅助工具。在施工时，通过体外结构施加一定的预应力将外部载荷抵消，这样可以让桥梁的承载能力明显大幅度提高，对改变桥梁结构内力，提高桥梁结构稳定性具有非常大的帮助。

5.2 体外预应力技术的加固方法

体外预应力技术的加固的过程中主要使用两种方法，一种是预应力钢索加固，另外一种是下撑式预应力拉杆加固：

（1） 下撑式预应力拉杆加固法

直线型主要是在桥梁正截面承受载荷不均匀的时候进行使用。折线型主要是在斜面和正截面承受不同载荷下进行使用。混合型主要是在正截面抗弯能力不足的条件下进行使用。

（2） 外部预应力钢索加固法

外部与钢索加固的过程中主要使用的是钢绞线或者预应力钢丝束，使其顺着桥梁类侧面进行布设，接着使用外力将其拉紧。梁底需要进行一些定位装置的设置。这样可以有效的固定钢索。钢索主要在结构的两侧进行固定，通常条件下需要在钢索外部施加一定数量的套管，在张拉锚固后通过混凝土进行包裹，防止结构接触空气的过程中出现锈蚀。

6 体外预应力技术在桥梁加固工程中的应用

6.1 工程概况

该桥主要为九江互通区G匝道位置，全桥共划分成7联，其中第5联上部的结构使用的为预应力混凝土连续箱梁，梁高达到了2.1米，下部主要使用双柱、独柱墩等进行构造，其具体结构如下图所示：

图1 桥梁结构示意图

6.2 主要病害情况

依照定期检测报告数据进行分析，可以发现该桥第五联连续梁位置出现以下病害。首先在第15号梁底和墩柱位置出现32条裂缝，某些裂缝和腹板竖向裂缝相连，成u形或者是L形裂缝，其次在16号跨梁底位置，出现16条裂缝，某些裂缝和腹板竖向裂缝呈现出L形的裂缝状态，另外边跨跨中和主跨位置出现桡度形变。这种形变尚处于容许的范围之内。

由于该桥所处位置较为关键，在交通干道上，交通任务相对较为繁杂，依照检测报告分析，发现桥梁属于二类桥，无法符合当前交通运输的需要，因此需要重视对上部结构进行加固。由于两地具有较多的横向裂缝，主要是因为桥梁高度发达的要求或者扰动过大而导致的，因此所以可以考虑使用主动加固的方式进行处理，也就是体外施加预应力。通过体外预应力的施加有效的对桥梁底部进行加固，并粘贴钢板进行裂缝的处理。

图2 15跨裂缝图示

6.3 体外预应力加固方案设计

6.3.1 体外预应力加固设计原则

依照检测报告进行分析可以发现在桥梁底部的位置，出现了很多的横向裂缝，究其原因，主要是因为在设计的过程中结构刚度不足，最终造成了结构挠度过大，所以在施工的过程中，需要注意方案的优化，对症下药，使用主动加固的方案进行处理，依照实际情况考虑对原有结构的预应力进行补充，另外通过布设体外预应力束的方式逐步进行桥梁的加固和改造工作[4]，改善其运行状态，保证桥梁在加固改造后，能够符合要求，并且其结构在设计荷载条件下处于全预应力构件或部分预应力A类构件，这样才能大幅度延长桥梁的使用寿命，符合改造的需要。

在操作的过程中，具体改造设计原则如下：首先需要注意加强控制，将原有裂缝封闭，避免一些有害物质顺着这些裂缝侵入混凝土结构内部，造成普通钢筋和预应力钢束出现锈蚀的情况；其次，重视补强关键截面防止在完成操作后裂缝进一步的扩展，影响整个桥梁的结构安全。最后，由于桥梁结构病害是由设计过程中预应力不足造成的，因此需要与实际情况结合，在操作过程中加强桥梁的加固设计，依照桥梁的状态进行预应力的补充。

6.3.2 体外预应力加固方案设计

对于第五联连续梁桥的病害情况，可以使用体外预应力主动加固的方式对其进行控制，主要采取的方案如下：首先对于第五联跨径组合连续箱梁内部进行体外预应力加固，接着进行张拉，使整个桥梁出现附加运力。在完成箱梁内部体外预应力施工后，在箱梁底部位置对局部的裂缝进行处理，尤其需要重视对宽缝小于0.1毫米的裂缝进行封闭处理。

注：17跨与15跨对称相同。

图3 体外预应力加固示意图（单位：cm）

6.4 施工工艺分析

在施工的过程中，需要注意与实际情况相结合，合理的进行设计，严格的控制体外预应力的施工过程，并且分析施工工艺，最大程度地保障施工质量，具体的施工流程工艺图如下：依照图4体外预应力施工工艺分析可以发现，需要严格的采取以下措施来执行，提高施工质量。

6.4.1 测定原有箱梁底板钢筋、预应力束的位置

首先需要注意依照竣工图纸，使用PS200将腹板底板当前的预应力束以及钢筋的纵横位置画出，并且进行一定的标记。

6.4.2 放样

依照设计图纸提供的转向块锚固端限位、减震器的位置和尺寸，在内部进行放样施工，并且依照减震器和转向块的具体位置，适当的对象内部的结构进行调整。

6.4.3 凿毛处理

依照施工图纸当中的具体数据，有效地去除转向块位置和锚固横梁位置的混凝土保护层，将混凝土层露出，接着使用钢刷来对原有的钢筋进行除锈处理。

图4 体外预应力施工工艺

6.4.4 开凿和植筋

依照施工图纸在转向块和锚固横梁等位置使用风镐开凿剪力槽，接着进行植筋处理，在新增转向块和锚固横梁位置钻孔植筋。

6.4.5 浇筑转向块、锚固横梁

完成植筋操作之后绑扎锚固横梁钢筋和转向块，接着对混凝土进行浇筑，做好养生工作，保证混凝土强度符合设计要求，并且进行7天以上的养护，方可进行体外预应力束的安装和施工。

6.4.6 体外预应力安装、张拉

(1)体外预应力安装、张拉的基本要求

1) 张拉方法。在张拉的过程中，需要注意在体外预应力束安装前，采取精准放样等方式进行施工，并且及时清除箱梁内部的建筑垃圾和障碍物，保证体外预应力束的精确安放，另外还需要在横隔板当中的相应位置开凿穿孔，设置相应的套筒防护套筒，依照设计要求进行体外预应力的张拉。

张拉设备。在张拉的过程中依照体外纲绞线的类型和张拉力的大小合理地进行张拉设备的选择，由于本工程当中位置相对较小，使用单孔千斤顶作为张拉设备较为合适，在操作的过程中首先标定千斤顶位置，依照设计张拉力和千斤顶的预定方案，将各级张拉阶段的油压值计算出来，以便核对张拉力的具体参数。

张拉条件。锚固块需要7天以上的养生，使混凝土的强度达到相关设计要求，另外还需要保证弹性模量达到设计值的百分之百，这样才能进行预应力张拉作业。

（2） 张拉力控制

在张拉操作的过程中，首先以一定的张拉力来张拉钢绞线，钢绞线的垂直度处于标准值范围之内。在预应力张拉工作结束之后不需要将牵引力拆除，可以直接进行张拉操作，并且对钢绞线的伸长量进行测定。在张拉的过程中因为转向器的摩阻力影响，通过计算分析发现实际张拉力等于理论张力加钢绞线孔道当中的摩擦阻力以及钢绞线回缩和模具形变过程中出现了一定的影响值。在完成钢绞线的一次张拉工作之后，还需要以同样的设备再次进行张拉，以便对钢绞线张拉力进行计算。

（3） 张拉施工要点

在张拉力作业的过程中一定要有方案设计为基础。在施工的过程中，如果钢绞线或者某些设备出现异常情况，一定要马上停止作业，并且及时上报，做好相应的分析。了解异常出现的原因之后，采取合理的措施进行处理，再张拉施工的过程中使用的油泵和千斤顶设备的施工之前，一定要进行相应的检测，完成标定工作之后确保数据的准确性。另外还需要在施工的过程中对油泵的情况进行了解分析，如果产生异常需要进行处理。

如果在施工的过程中千斤顶、油泵严重损坏，一定要再次对设备进行标定。在操作的时候，依照方案和参数要求进行施工，及时了解设备张拉情况的变化，并且做出相应的记录。

通过数据分析可以发现案例当中桥面的实际高度和方案当中的参数之间出现一定的差异，相差约20厘米左右。在操作的过程中需要保证体外预应力的施工质量，并且严格依照方案参数要求进行施工。在施工时还需要注意保证设备达到要求，钢绞线的性能达到项目的施工的需要。在张拉过程中时刻对钢绞线伸长量变化进行记录，并且对张拉力进行控制，根据预定方案进行施工，合理的控制施工工序。在张拉过程中也需要了解和监测箱梁的变化情况，以保证提高预应力，达到相应的要求。

在体外预应力施工的过程中，还需要进行千斤顶的标定工作。由第三方监测部门对标定数据的真实性进行校核。在检验的过程中，本案例使用的设备符合标准要求，可以在张拉施工当中进行应用。

6.4.7 锚头封锚

在张拉工作之后还需要进行进一步的检查，将多余的钢绞线切除，保证预应力钢束多出30厘米到50厘米，接着依照模具设计的要求灌注防腐油脂，保证施工的效果。

7 工艺要点及注意事项

首先需要注意对箱梁中腹板、底板及顶板的钢束部位进行确认，在操作的操作，加强管理，以方案中规划的新设齿板和转向块在箱梁中的具体位置为基准，重视与实际情况相结合，加强工作的细化，进一步测量出顶板预应力的位置，另外需要积极进行标记。

(2) 在操作的过程中需要清理现场，铲除新设齿板和转向块部位的顶板及底板位置的混凝土保护层，另外，需要注意保证混凝土外露，通过相关工具对外露钢筋表层的锈蚀情况进行控制，处理锈蚀的钢筋层，并采取有效的方法清洗钢筋表层。

(3) 在操作的过程中需要了解施工环境的实际变化，并且注意合理调整参数，控制胶黏剂的凝固时间，只有胶黏剂完全凝固后，才能进行后续的钢筋绑扎作业，保证整体钢筋骨架的成型。

(4) 搭建完骨架后，需要注意合理使用齿板和转向块，以此为基础进行立模作业，在作业的过程中，需要注意检测，了解锚具的位置是否准确，避免出现问题，完成上述工作后需要进行混凝土的浇筑作业。在操作的过程中，需要注意加强管控，重视浇筑过程中混凝土的质量，依照具体情况调制原料比例，避免出现麻面等不良现象。

(5）如果新快件的施工工作完成，也不能放松警惕，需要注意加强后期的养护工作，当其强度超过95%的时候，才能够逐步展开后续的张拉作业。

如果预应力束的穿束准备工作结束后，可展开后续的张拉操作。在操作的过程中为了保证张拉的效果，需要注意控制细节，在进行相同齿板的张拉时，还需要注意通过超张拉的形式加强控制，通过多次张拉作业的方法防止因为张拉的作业顺序而造成的预应力弹性压缩影响，这样才能保证操作的效果，使每一根钢束可以具有相同大小的预应力。

8 体外预应力加固效果评价

为了能够在操作后逐步进行检测，了解体外预应力加固箱梁的效果，可以在操作的过程中使用荷载试验的方法分析对比加固前后主梁跨中挠度的变化情况，并且对体外预应力加固处理效果进行评价，在操作的过程中具体的流程如下：

8.1 荷载试验方案

在操作的过程中，本次荷载试验主要是为了能够分析桥梁结构在进行加固的过程中，其实际性能是否可以符合设计的需要，达到预想的功能在使用的过程中可以满足对结构预应力补充的要求，所以在完成施工后针对主跨跨中挠度进行相应的荷载试验，并且分析试验的具体情况，参照要求出具试验检测报告，在测算的过程中具体测量截面，其结构如图5所示[5]。

图5 试验工况点截面立面图（单位：cm）

8.2 荷载试验结果分析

表1及图6～图7显示的是加固工作开始前、和结束后，主跨梁板跨中挠度对比情况。

表1 加固前后静载试验挠度对比分析表（单位：mm）

依照表1当中的数据分析可以发现，体外预应力加固工作展开前，主梁荷载试验挠度校验系数只要1.06，通过查表分析，发现其无法达到规范的0.7～1.0要求，而在进行预应力施工和加固后，在荷载校验过程中，其系数能够达到0.81，符合规范当中0.7～1.0的需要，由此可以发现在完成施工后，体外预应力系统的加固具有较好的效果，通过实际测试发现第五跨连续梁桥的受力性能逐步得到优化，发生了改善，另外在刚度和承载能力方面都不同程度地有所提升[6]。具体分析图6和图7的情况可以发现，通过体外预应力加固连续梁后，能够进一步提升梁板的刚度，而且在抗弯承载能力方面出现了大幅度地提升，由此可以发现。体外预应力加固的操作能够改善桥梁的使用情况，具有较大程度的优势[7]。从结构受力的角度进行分析，如果在计算的过程中不考虑结构抗剪承载能力，那么体外预应力可以在一定程度上延迟混凝土截面出现开裂的情况，保证桥梁的应用效果[8]。

图6 加固前后荷载试验满载作用下挠度实测值与理论值曲线分析图

图7 加固前后荷载试验主梁跨中截面实测挠度与理论挠度值变化图

结束语

我国有很多桥梁，伴随这些桥梁的运营年限逐步增长，不可避免会出现刚度下降以及预应力损失过大等诸多病害，所以，维护管理的过程中一定要重视加强检测，在操作的过程中，逐步加固处理预应力混凝土结构。本文在分析的过程中依托于某连续梁桥加固工程，对连续梁桥可能出现的病害进行了分析，得出病害主要是因为预应力损失过大造成的结论，并且逐步开始对桥梁的细节进行分析，阐述如何采取补充预应力的方式对桥梁相应的位置进行加固处理；接着在操作的过程中如何使用体外预应力技术，并且依照要求进行设计，分析了施工过程中的工艺应用，最后在施工工作完成后，通过荷载试验的方法来进一步验证体外预应力加固的效果，通过实际分析发现体外预应力在加固处理桥梁的过程中具有较好的效果，值得进行推广和使用。

参考文献

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[3] 陈志明，白丹阳，柏平. 预应力连续桥梁加固与评价[J].公路交通科技（应用技术版），2015 （4）：29-30.

[4] 熊洪波，周德. 体外预应力法在混凝土连续梁桥维修加固中的应用[J]. 华东公路，2010（2）：18-20.

[5] 吴静波. 试析体外预应力法在加固连续梁桥中的应用[J].建材与装饰，2013（1）：210-212.

[6] 包龙生，杨丹，叶磊. 体外预应力加固连续梁桥的施工监控研究[J]. 公路交通科技（应用技术版），2011（12）：113-116.

[7] 朱正伟, 刘东燕, 彭文轩. 体外预应力技术在桥梁加固中应用的思考[J]. 重庆建筑大学学报2018 (02):49-53.

[8] 胡钊芳, 肖琦, 胡志坚. 体外预应力技术在旧桥加固中的应用[C]// 中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集. 2005.