基于預應力混凝土橋梁的加固技術分析

李國良

（贛州市公路發展中心南康分中心，江西 贛州341400）

0 引言

隨著我國現代科學技術不斷發展，橋梁工程建設數量日益增多，橋梁工程技術水平不斷提高。在橋梁建設施工中，預應力技術有不可取代的作用，應用預應力加固技術能夠改善橋梁病害問題，提升橋梁結構的穩定性。因此分析預應力加固技術要點，明確預應力加固技術措施意義重大。

1 預應力混凝土技術

1.1 施工方式分析

在混凝土橋梁工程中，預應力混凝土結構加固技術作為常用的方式，在施工中可以利用預應力鋼筋以及錨固連接技術提高整體結構的施工效果。較之傳統混凝土結構形式，預應力混凝土主要具備如下優勢。第一，混凝土結構內有鋼筋、鋼索等結構，結構強度性能提升明顯，且更加經濟、便捷。第二，預應力結構內加入其他材料，并施加預應力，工藝復雜性較高，對人員素質、專業水平方面有更高的要求。

預應力混凝土結構在施工中，按照張拉施工方式不同可以分為先張法和后張法，先張法是在混凝土結構內加入一定的高性能材料之后進行張拉施工，等相關的參數符合要求后再進行混凝土灌注施工，然后釋放鋼筋兩端達到加固處理的要求。后張法是先進行混凝土灌注施工，在強度合格后再進行鋼筋的張拉施工，然后進行兩端錨固處理，從而提高結構性能。

1.2 預應力混凝土的優勢分析

預應力施工技術被廣泛地應用到橋梁工程中，利用價值較高。在我國，預應力混凝土橋梁是在20 世紀30年代投入使用的。在之后的50 年時間里發展速度極快，這有賴于其技術優勢，預應力混凝土具體優勢如下：

1.2.1 結構剛度大

在橋梁項目的施工階段，荷載相對較小，也不會有過大的變化，但是投入使用后，橋梁會受到自重、車輛荷載、風荷載等持續性作用，極易造成結構應力發生變化，橋梁自身結構會產生較大的撓度，如果撓度控制不到位，結構變形問題會更加嚴重。預應力混凝土橋梁的使用中，提前將自重荷載、汽車荷載作用到結構式內，在施工結束后就能有效地應對外部作用荷載的影響，從而可以減少形變。

1.2.2 橋梁自重低

在預應力混凝土橋梁工程開展階段中，通過應用加固技術能夠減輕橋梁的自重，同時在材料選擇時以混凝土與鋼筋或者鋼索為主要材料，保證其性能與參數均滿足施工要求。根據橋梁設計方案實時進行預應力混凝土結構優化改進，提高材料的性能，減輕結構自重。

1.2.3 結構安全性強

合理應用預應力技術，在橋梁投入運營的階段，避免存在過大撓度作用，結構穩定性提升比較明顯。所以在預應力混凝土橋梁工程項目施工階段中，有效應用此類技術能夠強化橋梁結構的安全性。

1.2.4 施工效率高、環保性好

在預應力混凝土橋梁工程施工階段，應用預應力技術能夠提高材料的利用率，同時還能夠有效地控制施工成本。此外，還能使橋梁具備較高的抗震性和耐疲勞性，后續維護保養成本較低，綜合價值較高。

2 預應力混凝土橋梁存在問題及成因分析

對于預應力混凝土橋梁結構來說，成本低、剛度高、安全性好，綜合利用價值高，且具備較高的環保性。但是因為結構自重的影響，抗裂性能不足，在使用中容易存在開裂、撓度過大等問題，影響橋梁使用效果，甚至引發安全事故。

2.1 存在的問題

2.1.1 結構存在裂縫

對于預應力混凝土橋梁而言，出現結構裂縫問題是比較常見的，因為受到技術因素以及材料因素的影響，混凝土結構裂縫會從微觀裂縫逐漸演變為宏觀裂縫。在混凝土結構內，微觀裂縫包含粘接裂縫、水泥石裂縫、骨料裂縫等形式，以其發生位置進行區分。對于預應力混凝土橋梁而言，一旦出現宏觀裂縫就會影響到橋梁結構的穩定性。而引起此類問題的主要原因在于材料的性能出現變化。在混凝土橋梁工程中，應持續性關注宏觀裂縫問題，預防出現結構性能損失。

2.1.2 結構撓度增大

對于結構撓度來說，它主要是受彎構件在外界作用影響下引起的變形問題。預應力混凝土橋梁在使用中，形成撓度作用，表示整個橋梁結構內部出現了應力的變化，在橋梁受到抗拉強度影響之下，容易出現裂縫的問題，進而導致內部的應力出現失衡的情況，應力變化會更加的嚴重，影響橋梁使用安全性。

2.2 產生的原因

預應力混凝土橋梁出現裂縫問題，一般是內在、外在雙重因素作用而形成的。通常來說，預應力混凝土橋梁因為荷載的持續作用，結構發生偏移，引發裂縫的問題，影響道路橋梁使用的安全性。外部荷載的作用主要包含了溫度變化和汽車動荷載引起的橋梁沉降反應，造成橋梁結構出現了內力變化，形成形變，內力失衡從而造成裂縫問題的發生。

引起預應力混凝土撓度變形的因素有很多，例如主梁高度出現變化、預應力失效、技術工藝不合格等，都是導致此類問題的基礎原因，而剛度變化是引發撓度的主要原因。橋梁剛度出現不足的情況，一方面是因為橋梁合龍接縫出現了開裂的問題，導致結構非剛性連接；另一方面是因為腹板發生了開裂，截面剛度性能不足而引發撓度變形。

3 預應力混凝土橋梁的加固技術

3.1 預應力混凝土橋梁加固的基本原理

3.1.1 預應力混凝土橋梁加固力學特性

橋梁受到荷載作用時，處于純彎的結構形式，只承受上部荷載對橋梁產生的彎矩,應力變化導致結構受力產生形變公式見（1）。

式（1）中：σ 表示拉預應力（MPa）；M 表示荷載給橋梁造成的彎矩（kN·m）；W 表示橋梁截面的幾何抗彎彈性模量（Pa）。

應力變化導致結構受力產生形變，這一問題的發生，主要是下述三個方面的原因造成的：

第一，外部荷載導致內力變化；第二，橋梁柱截面積受到截面幾何特性變化；第三，橋梁自身材料特性的影響。

在橋梁受到的荷載不斷增大的情況下，橋梁彎矩也會不斷升高，從而出現內力變化的情況。如果橋梁內力變化超出材料本身的承載能力，會出現結構斷裂的問題。此外，如果橋梁投入運營時間較長，材料會因為時間推移而不斷發生弱化反應，應變能力也會發生變化，最終對結構使用產生不利影響。

3.1.2 預應力混凝土橋梁加固基本原理

預應力混凝土橋梁加固施工中應從下述兩點出發：

（1）從外因角度出發。綜合分析外部影響因素，需要調整結構性能，提升結構承載性能。在預應力混凝土橋梁加固技術施工環節，要明確增大橋梁加固的截面尺寸，同時利用混凝土以及外包混凝土等方式對相應的結構進行處理，此外為了能夠全面提高橋梁主體結構的強度，還可以利用環氧砂漿、碳纖維、粘貼鋼板等加固方式提高橋梁結構的強度。

（2）從內因角度出發。通過采取必要的措施調整橋梁內力，提升結構承載性能。根據實際情況分析，結合橋梁結構形式，采取合理方式調整結構性能，使其在受到外部荷載作用后，從純彎結構調整為彎壓結構，防止受到過大的彎矩作用。

3.2 預應力混凝土橋梁被動加固法

3.2.1 碳纖維加固法

粘貼碳纖維加固是應用性能比較高的技術。黏接劑把碳纖維布直接粘貼到橋梁結構表面。在外部荷載增大的情況下，兩者同時作用，促進承載性能提升，保證加固效果。纖維復合材料有非常高的力學特性，應力應變沒有彈性，也沒有屈服點和塑性區。因為纖維復合材料的強度高、耐腐蝕性好、耐疲勞性能高，所以現場施工操作方便、快捷，在舊橋加固補強施工中有非常好的效果。碳纖維加固法應用到實際中，纖維復合材料和混凝土共同承載外部荷載作用，能夠提高結構整體性能，產生較高的韌性，預防因為混凝土結構開裂而引發結構損壞。

3.2.2 增大截面和配筋法

該方法是以原橋梁結構形式為基礎，通過增加截面尺寸、增加鋼筋數量或設置型鋼等方式，防止橋梁結構受到外力作用而產生彎矩，達到減小應力的效果。這種加固操作比較簡單，取得的效果比較明顯，需要注意的是，在使用這種加固方式的時候，需要把加固結構設置在橋梁下部的截面位置，通過架設基礎結構提高橋梁工程的質量。

3.2.3 改變結構受力體系法

通過調整橋梁結構的受力體系進行加固施工，使橋梁具備較高的承載性能，這種方法可以調整結構的受力特點，將原拉力不斷減小，最終形成壓力，結構性能達到完好性要求，還能預防發生裂縫的危害。但是該方式工作難度高、工作量大，還要對原結構體系做出改變和調整，所以一般只能應用到特殊項目中，并不適宜大范圍的使用。

3.2.4 粘貼鋼板技術

通過粘貼鋼板進行橋梁結構加固施工，一般需要應用環氧樹脂或建筑結構膠施工，將鋼板以及中間材料直接和橋梁結構粘貼成為整體，對薄弱結構進行加固施工，使各個結構同時承受外部荷載作用，提高承載性能和剛度，改變受力條件，還能預防發生裂縫的問題。一般情況下，粘貼4～8mm 鋼板對橋梁結構承載力和剛度的提高效果要好于粘貼2～3 層碳纖維布。該加固方法可發揮材料的高強度，對構件受壓區混凝土、受拉區鋼筋的應力改善作用明顯。

一般來說，在橋梁加固時采用厚度為4～8mm 的鋼板進行施工，橋梁的承載力與剛度性能均得到改善。這種加固方式充分地體現出鋼材的強度性能，在受壓區、受拉區都能改善性能，發揮出結構性能提升的優越感。粘貼鋼板加固方式，能夠全面提升橋梁結構的總體性能，滿足剛度及整體承載性能的要求。粘貼鋼板法加固施工，應結合實際情況確定，符合現場施工要求，才能發揮出粘貼鋼板法的優勢和效果。按照目前國家標準和行業規范的要求，在粘貼鋼板法應用前，必須加強現場分析和控制，計算了解各項臨界數據信息，及時做出修正，從而提高結構的性能。

3.3 預應力混凝土橋梁主動加固法

3.3.1 體外預應力加固法

在體外預應力加固施工中，需要應用筋材、防護體系、錨固、轉向等結構。具體來說，應選擇合適的鋼材并做好防腐處理，在現場進行測量放樣，并進行錨固、滑塊以及支座安裝，再進行鋼索張拉施工，最后開放交通。

目前，體外預應力加固方法較多，從實際情況分析，主要包含下述幾種類型：

（1）橫向收緊張拉法，該方法通常應用在橋梁梁端間距比較小的工程中，在橋梁下緣對稱橋梁中線的兩側設置預應力筋的結構，并且在距離梁端的合適部位上彎起，然后通過錨固的方式固定到鋼板兩側支座上。每一段結構的中點位置，應用螺栓進行穩定的連接，并且收緊兩側對稱鋼筋結構。把水平段結構的預應力鋼筋直接分解給多個節段，并在兩側使用撐棍達到支撐的效果，然后在拉桿中形成預應力。經過多年經驗總結發現，橫向收緊張拉法的操作簡單，適用范圍較廣，綜合利用價值較高。

（2）縱向張拉法，該方法是沿著預應力筋軸線方向施加預應力，從而滿足結構性能的標準要求。在該方式中，預應力拉桿依然是沿著梁底方向進行布置，直到在腹板或者頂板的部位上彎起，然后再根據梁頂部或者底部實現縱向張拉施工，作用就是減小梁端剪力。該方法和橫向收緊張拉有很大的差異，拉桿彎起段通常穿過翼緣板斜孔伸至橋面，拉桿端部的位置上設有絲扣，可直接進行錨固處理。

（3）豎向頂撐張拉法，如果現場施工無法應用縱向張拉法施工，則可以應用豎向頂撐張拉的施工方式。在加固梁底的結構部位上，應用U 型鋼錨固板的結構，設置拉桿結構，鋼錨固板直接焊接在拉桿的梁端，在梁1/4 跨徑、跨中或者跨間橫隔板安裝有張緊夾具，在達到規定應力參數后，應用鋼筋混凝土墊塊可以和底部連接固定，達到穩固效果。在達到規定張拉力的作用后，應用張緊夾具和承托架連接，還要及時對拉桿防銹處理。

（4）預彎梁法，上述幾種方法的目的是解決橋梁下緣開裂的問題，而預彎梁法則解決梁體上緣開裂的問題。例如某簡支鋼板梁橋項目，在運營中出現荷載持續增大的情況，為了預防更嚴重的病害，應調整受力條件，實現面板結構剛度性能的提升，所以采取增大面板厚度的方式。澆筑工作實施前，先搭設支架，然后頂升梁體結構，達到規定強度標準后，下落新澆筑的面板支架。梁體自重作用持續影響，橋面存在扭應力的作用，對橋梁結構施加彎矩與軸力。體外預應力筋張拉施工，可以有效地抵消預應力張拉后出現的內部應力，消除收縮應力的作用。

3.3.2 無黏結和有黏結預應力加固法

無黏結預應力加固法就是應用有防腐蝕性能的預應力鋼筋，將其直接加固到橋梁結構內部，再進行混凝土的澆筑施工，當混凝土強度性能合格后，再進行預應力筋張拉施工，這樣才能夠提高整體橋梁結構的性能，保證橋梁的穩定性和安全性。有黏結預應力筋與上述方式存在著一定差異，需要設置鋼筋結構，和混凝土結構形成黏結作用，形成整體受力結構。

4 結語

預應力混凝土橋梁是目前我國橋梁的主要結構形式，對橋梁的安全性、穩定性產生直接的影響，也關系到橋梁的經濟價值。而橋梁在長期運營后，會出現結構損壞問題，應及時進行橋梁加固處理，提高結構整體性，對促進交通運行總體水平提升產生積極的作用。