与建筑结构相比，预应力在桥梁结构中的应用更为普及与深入。预应力在桥梁、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥梁中均有广泛的应用。可以毫不夸张地说，在现代桥梁结构中，70%以上的桥梁结构都采用了预应力技术。也由于预应力技术的出现，出现了很多与预应力有关的桥梁，如预应力梁桥、预应力钢构桥、预应力拱桥、预应力斜拉桥和预应力悬索桥等。
近年来由于具有无粘结体内预应力无法比拟的优点,如截面尺寸小、施工简单、质量容易保证,更重要体外索可以替换,重张拉。体外预应力正广泛应用于美国、德国等许多国家的新桥梁建设,同时应用于旧有的混凝土结构的重建、加固及维修。而我国体外预应力技术的研究工作开展的相对较少.主要应用于对旧桥梁的加固。总之,随着预应力桥梁和高强混凝土的发展,体外预应力技术的应用将是现代预应力技术发展的重要趋势。
一、体外预应力束在旧桥加固中的应用
在旧桥加固方法中,对于钢筋混凝土及预应力混凝土梁板桥。采用在梁体下缘设置预应力拉杆或预应力束,对受拉区施以体外预应力的加固方法,可以抵消自重及外荷载产生的内力,大幅提高其承载能力。
体外预应力法有如下优点:自重增加少,但可大幅提高承载能力;由于上部自重增加少,因而对下部影响小;施工简单,工期短,经济效益明显;施工过程不中断或少中断交通;对原结构损伤小,不影响桥下净空;应力可调整,预应力束可更换。
体外预应力加固体系由水平筋、斜筋、上锚固点、滑块、承托、水平筋固定支座等部件组成。体外束桥梁加固结构的预应力筋构造形式及施工方法与常规的体内有粘结或无粘结预应力筋有较大的差异.因而其预应力损失的计算方法也有所不同。经计算表明。与一般的预应力混凝土结构比较,体外束加固结构的预应力损失要小得多,针对这一点,预应力钢筋的控制应力应适当降低.以避免体外预应力筋长期处于高应力状态,对改善体外束结构的受力状态有利。
二、体外预应力束在新桥建设中应用
体外预应力结构自从20世纪30年代发展至今,其结构体系一直在不断地创新和改进.因而体外预应力束的应用也在不断变化和丰富。体外预应力束在新桥建设中的应用,主要可以归纳为一下四种类型:
第一种是逐跨预制节段施工的长桥。该类型以Long Key桥为代表,体外预应力束采用与体内预应力同样的普通多股钢绞线和锚具,同样采用水泥灌浆。因而预应力成本较低。这种体外预应力结构通常在预制节段见采用干接缝和复式剪力键.当整跨所有的预制节段在支撑结构上安装就位后.旌加体外预应力,形成一跨的整体结构。体外预应力束在跨内的转向块处偏折,体外束外套采用聚乙烯管或钢管,管道在转向快处与主粱浇筑成整体,这种体外束只能拆除不能更换。
第二种是采用悬臂施工或顶推施工的预应力混凝土连续梁桥,通常采用体内、体外混合配束。该形式中用体外预应力索替代原本配置在腹板内的大量预应力筋,简化了腹板构造,降低了其厚度。采用悬臂施工时.悬臂束为直线的体内预应力,成桥后张拉的连续束采用大吨位体外预应力,从而免除了大量的穿束和灌浆工艺,易于控制施工质量。
第三种是第二种类型的衍生物,特点是将混凝土箱梁腹板改成混凝土桁架或采用钢结构。该类型往往是集创新性的结构构思与美观的外表与一体.形成体外预应力结构的代表之作。
第四种称为坦拉式体外预应力结构它把过去那种预应力筋的偏心距被控制在主梁的有效高度之内的体外筋,放在了梁的有效高度之上。因此它具有梁桥和斜拉桥的双重特性,可看作介于预应力混凝土箱形梁桥到预应力混土斜拉桥之间的结构体系。它采用了部分索结构帮助主梁承担竖向荷载,从而达到降低梁高的目的。
三、预应力施工工艺
锚固端部横梁与跨中转向横肋、墩顶导向槽的施工
这三部分确定了钢绞线的空间位置,由该索形及张拉应力决定了等效荷载的大小。跨中转向横肋、墩顶导向槽钢绞线存在偏折。承受局部挤压应力,这就要求锚固端横梁处锚垫板预埋位置及方向要准确。转向横肋、墩顶导向槽的制作应严格按照图纸要求进行,既要保证弯折处的曲率半径,又要打磨端部,使之平滑,防止张拉时端部对钢绞线的挤压和卡滑。
1、钢绞线下料与穿束
在桥梁加固中,由于张拉完毕后,锚垫板与钢管中要灌浆,形成有粘结段,所以在下料时就应将粘结段的钢绞线的PE层及油脂清洗干净,控制该段的长度和位置是很难的,因为既要预先考虑到穿束过程中钢绞线下垂的影响,保证PE保护层预先进入密封罩,又要考虑张拉伸长的影响,保证两端伸长部分要一致,以确保两粘结段粘结力大致相等。在穿束过程中,由于钢绞线的长度在150m以上,中间要通过多个墩顶导向槽及跨中转向装置,无法在箱梁内进行l2根钢绞线的整束穿索,因此采用单根穿索的方法。钢绞线的缠绕将会影响有效预应力的建立,所以必须保证钢绞线在全桥长范围内不缠绕,在实际施工中,预先将钢绞线、工作锚板孔、密封盖小孔分别编号,每束l2根钢绞线采用单根穿索,每隔一段就用与密封罩小孔对应的橡胶垫限制钢绞线的位置,在张拉完毕后发现,采用该方法使得每束钢绞线顺直且无缠绕现象。
桥梁加固采用两箱对称单根两端同时张拉,张拉过程分两部分:预紧和高应力张拉。
2、预紧
为了达到钢绞线从松散状态到张拉完成后顺直不缠绕,正式张拉前先要进行预紧张拉,预紧的质量决定了整个加固效果的好坏。首先,钢绞线在松散状态下,即使采用了必要的措施,但是由于钢绞线很长,下垂量还是较大,所以,为保证两端粘结段长度大致相等,预紧要两端对称进行;其次,预紧力的大小既要保证在预紧过程中,钢绞线绷紧且不缠绕,又要保证在高应力张拉时钢绞线不错位,预紧力过大或过小都达不到预紧的目的。在加固施工中,预紧张拉力采用l5%设计张拉力。
3、高应力张拉
由于桥梁加固采用通长环氧涂层钢绞线,在张拉中需多行程连续张拉,工作夹片要进行多次锚固,在工作夹片进行临时锚固时,环氧涂层保护膜形成的碎屑将附着在夹片的齿间。随着工作夹片的反复多次夹持钢绞线,齿间环氧涂层碎屑增多,将引起滑丝现象,从而影响工作夹片的锚固效果。针对这一情况,研制出一种临时锚固装置,在中间行程中,由临时锚固装置的工具夹片夹持钢绞线,避免了工作夹片的中间临时锚圃,确保锚固效果。
4、压浆
体外索锚固横梁采用局部有粘结形式,为了达到设计者和业主对于局部有粘结段钢绞线粘结力的要求,张拉完成后局部有粘结段的压浆工作是一道很重要的工序:施工前进行了1:1的模型试验,在保证压浆密实饱满的情况下,局部有粘结段的粘结力可达到设计张拉力的108% ,满足锚固要求:工程中,压浆施工在张拉完成后24h内进行。压浆采用手动压浆机,保证压浆过程的均匀稳定和压浆压力的要求。
四、施工中的主要技术要点
原桥施工情况与原桥的设计情况有差别,如箱梁翼缘的厚度,墩顶横隔梁的尺寸,在设计中要充分考虑墩顶导向槽的位置与墩顶横隔梁之间的关系,在该桥加固中,由于墩顶横隔梁的宽度大于原设计很多,结果墩顶导向槽无法施工,从而改变加固设计。
由于环氧涂层钢绞线暴露在箱梁中,钢绞线的防窝尤为重要,所以在下料及穿束过程中,严禁在混凝土地面上拖拽钢绞线,穿束用的架立筋要用棉丝包裹,不能破损PE保护层,如有不慎,个别破损处,采用与PE保护层同性质的胶带缠绕。
墩顶导向槽与转向装置的加工应在加工厂进行,严禁在现场加工,现场安装中,要严格按图纸进行,在运输及焊接过程中,应采取措施防止焊接变形,穿束前应拉线确定安装是否合适。
预紧过程中,必须在箱梁中安排人员,在钢绞线绷紧时,进行必要的调整;高应力张拉时,观察在各墩顶导向槽和转向横肋处钢绞线是否有挤破的现象,如有该现象,应进行防护处理。
压浆密实程度将直接影响粘结效果,所以在压浆中应严格控制水灰比,并保持压力均匀。
五、总结
工程实践表明,用体外预应力加固旧桥和建设新桥是非常有效的措施,具有加固、卸载及减小结构内力的作用,值得更广泛地推广应用。
为适应我国经济的发展，缓解交通问题给人们生产生活带来的不便，预应力混凝土结构的应用范围将更加广阔，因此我们应加强提高预应力技术水平的科研工作。和发达国家相比，我们预应力混凝土工程的研究相对落后。凭借我们已有的强大队伍，和一些单位在预应力技术推广应用中的创收实力完全可以承担和完成这项重要的科研任务。同时，设计和施工的分离也是影响我国预应力混凝土结构迅速发展的因素之一。因此有必要成立大型强而有力的预应力混凝土工程公司，承担重大预应力混凝土工程，并担负新技术开发研究，并做好与设计和施工之间的联系，以提高我国的预应力技术水平。