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体外预应力技术

一、体外预应力加固法基本概念

体外预应力是针对体内预应力而言的,即把预应力筋布置在主体结构之外。当体外预应力索应用于混凝土结构时就被称为体外预应力混凝土结构。体外预从力学特征上说,体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形是不协调的。

体外预应力索加固结构的实质,是以粗钢筋、钢绞线或高强钢丝等钢材作为施力工具,对结构施加体外预应力,以预加力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力,从而达到改善使用性能并提高其极限承载能力的目的。

二、体外预应力加固法原理

常用的体外预应力加固技术包括体外预应力钢丝束加固法和下撑式预应力拉杆(粗钢筋)加固法。

(一)外部预应力钢丝束加固法

采用外部预应力钢丝束(钢绞线)加固梁式上部结构,一般沿梁肋侧面按某种曲线线形(常用的有抛物线形等)设置预应力钢丝束,通过张拉预应力筋实现体外预应力。为保证曲线线形并固定钢束位置,在梁底每隔一定间距离(50——100cm)设置一个定位箍圈(由梁底向上兜),或者在梁肋侧面埋设定位销。钢丝束的两端头则穿过梁端翼缘板上的斜孔伸至梁顶锚固(如图1)。

为了防止钢丝束锈蚀,预应力钢丝束应放在保护导管内,或者待张拉后在钢丝束周围用混凝土包裹。采用预应力钢丝束加固时,由于设置并张拉钢丝束常增加梁端上缘的压应力,从而导致梁端上缘混凝土因抗压强度不足而开裂。

(二)下撑式预应力拉杆(粗钢筋)加固法

按加固对象不同,该方法分为预应力拉杆加固及预应力撑杆加固。其中预应力拉杆加固法主要用于受弯构件,而预应力撑杆加固法适用于提高轴心受压以及偏心受压钢筋混泥土柱的承载能力,例如排架桩式桥墩、桥台以及拱桥的柱式腹拱墩等。

1、预应力拉杆加固

根据加固目的及被加固结构受力要求的不同,预应力拉杆加固又分为水平式[或称直线式,见图2]、下撑式[或称折线式,见图3]及混合式等拉杆布置方式。对于梁,水平式拉杆适用于正截面受弯承载能力不足的加固,同时可减小梁的挠度,缩小原结构的裂缝宽度。下撑式拉杆适用于斜截面受剪承载力及正截面受弯承载力均不足以及连续梁的加固,同时可减小梁的挠度,缩小原结构的裂缝宽度。混合式拉杆一般用两根水平拉杆、两根下撑式拉杆,适用于正截面受弯承载力严重不足而斜截面受剪承载力略微不足的加固,同时亦可减小受弯构件的挠度,缩小原构件的裂缝宽度。对于桁架,水平式拉杆主要用于下弦杆受拉承载力不足的加固;下撑式拉杆适用于跨中下弦杆及端腹杆受拉承载力不足的加固;混合式拉杆适用于下弦杆承载力较端腹杆承载力更严重不足的加固。对于框架、刚架、连续梁等,主要采用与结构弯矩图相应的连续折线式拉杆加固方案。

2、预应力撑杆加固

按被加固柱受力要求不同,预应力撑杆加固又分为双侧撑杆加固及单侧撑杆加固。双侧撑杆适用于轴心受压即小偏心受压柱加固,单侧撑杆适用于受压区配筋量不足或混凝土强度过低的弯矩不变号的大偏心受压柱的加固。

若对简支梁采用下撑式拉杆体外预应力加固,即可视为改简支梁为上承式桁架梁。桁架的上弦即为原结构主梁,下弦是水平拉杆,腹杆时斜拉杆,把与滑块接触的垫块视为竖杆,单垫块为单柱式,双垫块为双柱式。斜杆的上端锚固位置有两种:一种锚于梁端的顶部;另一种锚于靠近端横梁处的梁胁顶部,斜杆的下端与滑块连接。滑块依赖拉杆收紧后产生的上托力和滑移时的摩擦力与上弦连接。对斜杆的张拉不是直接施加拉力,而是随着水平拉杆张拉力增加,下端滑块产生相应的移动使它的长度增大。当水平拉杆张拉力达到设计量后,将它的两端锚固,加固工作即告完成。

在斜杆顶端和梁底垫块上作用力的水平分力共同对梁体施加偏心轴向压力,上述作用力的竖向分力所形成的力偶对梁端施加负弯矩及竖向负剪力。这些预加力可以抵消或超过恒载作用力。在车辆通过时这些体外拉杆是上部结构的组成部分并与原有梁体共同受力,形成超静定体系。各拉杆的张拉力将自动增加,进一步起到加强作用。