昆明理工大学建筑工程学院：体外预应力加固法的原理与应用

昆明理工大学土木工程学院

提炼

想

抽象的

体外预应力概念起源于法国，是后张法预应力体系的重要分支之一。通常采用大直径钢筋、钢绞线、高强度钢丝等作为张拉施力工具，对梁体施加预应力。此种方式可有效降低结构的应力水平，并能起到钢筋卸载、改变结构内力分布的作用，同时可提高结构的承载能力、抗裂能力和刚度。体外预应力加固方法是根据主梁受力特点，在原桥体外侧合理布置钢束形状，张拉后对梁体起到加固作用，使主梁截面应力重新分布，降低主梁截面应力水平，降低原桥梁结构整体变形值和应力值。体外预应力钢束与原桥梁主梁共同作用，增加梁体的抗力，在原桥自重增加很少的情况下，可大大提高结构承载力；设备简单，人力投入少，施工快捷方便，对交通影响小，可在短时间内中断或限制交通；对原结构破坏小，无需增加杆件截面或改变桥梁结构受力体系，对桥下净空及道路标高影响小。所用钢束可调、可更换，使用过程中维护方便。但体外预应力法在钢桁架结构加固中研究较少，相关理论相对缺乏。加之由于世界经济的快速发展，各地交通流量和荷载水平不断增加。一些大跨度钢桁梁桥由于原设计荷载水平较低，在现行荷载作用下出现挠度和应力过大的情况，承载力难以满足目前的使用要求，因此研究利用体外预应力方法加固钢桁梁桥更为迫切。

以奥莫河大桥为研究对象，利用有限元软件建立3种加固方案的全桥模型，对比分析3种体外预应力加固后钢桁梁桥强度、刚度及稳定性变化情况，综合评估桥梁承载能力，得出最适合该钢桁梁桥提载加固的加固方案，以期为今后同类钢桁梁桥体外预应力加固提供借鉴。

结果表明，3种体外预应力加固方案对该桥均能达到升载效果，且随着钢绞线使用根数的增加，其结构强度、刚度和稳定性呈非线性提高，节点板低应力分布区逐渐改善。该桥采用11根单梁、锯齿状体外预应力钢绞线加固，是最实用、最合理的加固方案。

抽象的

介绍

钢桁梁桥常见的加固方法有增加构件截面、改变桥梁结构体系、采用体外预应力等。增加构件截面是采用高强螺栓或焊接将新增P件与原有构件拼接起来，以增加刚度和承载力，但此种方法只适用于完全卸载的钢桁梁桥；改变桥梁结构体系，如增加斜拉索、系拱或悬索，以减少构件应力，但此种方法成本高、施工难度大；体外预应力法是在梁体外增设预应力钢绞线，通过施加预应力将原结构卸载，使钢桁梁桥产生反拱效应，预应力产生的内力被荷载抵消，改变了原结构的内力和应力分布，降低了原桥梁结构的整体变形值和应力值，提高了钢桁梁桥的承载能力，达到节省材料的目的。本文以奥莫河大桥为例，利用有限元软件模拟三种体外预应力加固方式，对比分析三种预应力加固后钢桁梁桥强度、刚度、稳定性的变化，综合评估桥梁承载能力，得出该钢桁梁桥提载加固最合适的钢绞线数量，以期为今后同类钢桁梁桥的体外预应力加固提供参考。

项目概况

奥莫河大桥横跨奥莫河，位于埃塞俄比亚、肯尼亚和南苏丹农业区的交汇处。本桥主跨为128m底支简支钢桁梁桥（图1），两侧引桥均为36m钢筋混凝土箱梁。主跨分为16个节段，每节长8m，主桁高9m，每节主桁由2个桁片组成，主桁中心距9.35m；主桁间布置纵梁，间距2.48m。桥梁构件采用BS4360-1972等级43A、50B、55C。桥面布置2车道，车道宽度7m。该桥原设计荷载为AASHTOHS-20-44，已不再满足目前的使用要求，其荷载等级需提升至AASHTO-HS-25，因此对桁架桥进行加固。

图 1：实际桥梁立面

加固方案及建模分析

2.1 加固方案

对于钢桁梁桥加固，锯齿形体外预应力钢绞线的加固效果优于直线形体外预应力钢绞线。采用3种不同数量的体外预应力钢绞线进行加固对比。在两侧主桁下弦杆上布置4根高强度低松弛预应力钢绞线（分别为φ15.2、1860 MPa的7、9、11根），钢绞线从跨中位置向两端呈锯齿形布置。张拉应力为钢绞线标准强度的60%。在桥梁两端设置张拉锚固端，在桥梁桁架端部设置250 mm×350 mm×1300 mm的钢梁作为张拉端横梁。预应力钢绞线导管为外径110 mm、壁厚6.6 mm的高密度聚乙烯管，张拉完成后进行注浆保护，每根导管的进出线均设置在锚垫上。主桁架上体外预应力钢绞线的布置位置如图2所示。

图 2：体外预应力筋布置

2.2 建模与分析

2.2.1 材料参数

原桥梁设计选用的材料为BS4360-1972 43A、50B、55C级，加固所用体外预应力钢绞线的特性如表1所示。

表1 材料参数

2.2.2 结构模拟

1）桥面为纵梁、横梁组成的梁网体系，桥面质量作为加在纵梁上的常量荷载处理；2）主桁杆件连接采用刚接处理；3）桥梁节点板、桥面铺装、防撞护栏、桥梁附属设施等对桥梁结构的荷载作用，等效为加在相应杆件和节点上的均布力或集中力；4）边界条件，共设4个支撑，从原点逆时针方向依次为支撑1至4，支撑1约束x、y、z方向并应在相应图中标注作平动，支撑2约束yz方向平动，支撑3约束z方向平动，支撑4约束xz方向平动。

2.2.3 载荷分析

1）钢桁梁桥自重按所选用钢材重量加载；2）混凝土桥面等效荷载，截面积为2×0.45×0.5+7×0.25=2.2 m2，容重γ取26 kN/m3，即每根纵梁受力14.3 kN/m；3）桥面两侧防撞护栏按每延米10 kN的均布力加载在两侧下弦上；4）活载依据美国公路桥梁设计规范，加固后要求的设计荷载取HL-93卡车级荷载。其中，车道荷载均布荷载标准值q=9.34 kN/m，车辆荷载标准值由3个集中荷载组成，分别为35.6、142.3、142.3 kN，间距分别为4.27、4.27、9.14 m，全桥布置2车道（图3）。

图3 全桥模型

强化效果

3.1 钢筋强度分析

图4至图7为加固前后各构件应力分布情况，表2列出各构件峰值应力值及其变化情况。体外预应力钢束加固后，构件各段应力降低率不同，支撑点处应力降低率约为1/4跨处的2倍，跨中处约为3倍。随着加固用钢束根数的增加，预应力产生的反拱应力抵消荷载作用越明显，纵梁、横梁、上弦、下弦等处应力值改善幅度也越大，应力改善幅度也越来越大，提载加固效果更加明显。经有限元软件计算，每束11根钢束加固是奥莫河大桥强度提升最大的加固方案，加固后桥梁强度提高15%以上。

图 4 纵梁应力分布

图5 梁应力分布

图6 上弦杆应力分布

图7 下弦杆应力分布

3.2 钢筋刚度分析

如图8所示，加固前该桥在HL-93荷载作用下最大跨中挠度为154mm。加固后，在相同荷载作用下挠度明显减小，加固后每束7根钢绞线、每束9根钢绞线、每束11根钢绞线的跨中挠度分别减小50mm、55mm、61mm。结构一阶模态自振频率分别由0.91Hz提高到1.12Hz、1.15Hz、1.17Hz（表3）。随着钢绞线数量的增加，结构的自振频率不断提高，桥梁整体刚度也不断提高，当每束11根钢绞线加固时，该桥刚度提高最多。

图8 活载作用下的挠度分布

表3 桥梁自振频率

表 4 挠度变化

3.3 钢筋疲劳计算

对于钢桥来说，疲劳计算是一项重要的研究指标。疲劳是由于活荷载对桥梁的循环作用，导致局部杆件材料结构产生永久变形，经过一定的循环时间后，形成裂纹并不断扩展，使杆件的承载能力降低，最终导致钢桥的破坏。

为研究钢桁架桥采用体外预应力法加固后疲劳荷载应力幅的改善情况，加载《公路钢结构桥梁设计规范》给出的疲劳荷载M1，得到3种钢绞线加固后各构件的应力幅如图9所示。可以看出，随着加固用钢绞线根数的增加，钢桁架桥除纵梁外，其余构件的疲劳应力幅不断减小。

图9 构件疲劳应力幅

3.4 钢筋稳定性分析

对桥梁进行整体稳定性分析，采用根据初始缺陷修正的模型进行几何非线性分析和材料非线性分析，根据大位移几何非线性得到稳定的临界荷载系数。

。

工程上常用的评价标准是大位移几何非线性稳定性的临界荷载系数

不宜小于5.0。由表5可知，该桥加固后临界荷载系数由4.59分别提高到5.711、5.797、5.965。

当该值达到5.71以上时,稳定性有较大提高,且每束11根钢绞线方案的临界系数提高最多。

表5 临界载荷系数

3.5 钢筋刚度分析

钢桁梁桥节点板为斜拉杆与弦杆的交接处，由于其结构和受力情况复杂，在受力时应力分布不均匀，且存在裂缝高发区，因此节点板的受力性能及受力状态受到钢桁梁桥计算中广泛关注。采用空间实体单元模拟该节点板模型的精确计算。

表6为加固前后节点板应力分布面积的变化情况。可以看出：加固前，节点板高应力区及次高应力区面积占比较大且部分螺孔位于此区域，节点板易发生撕裂破坏；随着钢绞线根数的增加，低应力区面积不断增加，高应力区及次高应力区面积减少，潜在撕裂区域螺孔数量不断减少，节点板发生撕裂破坏的概率减小；采用每束11根钢绞线体外预应力加固后，节点板应力分布改善最大，低应力区面积增加，占总面积的4/5以上，为最适宜的加固方案。

注：内侧为靠近道路的一侧，外侧为桥梁的外侧。

图10 有限元模型

a——外节点板应力分布；b——内节点板应力分布。

图11 加固前节点板应力分布(MPa)

a——外节点板应力分布；b——内节点板应力分布。

图12 每束7根钢绞线加固后节点板应力分布(MPa)

a——外节点板应力分布；b——内节点板应力分布。

图13 每束9根钢绞线加固后节点板应力分布(MPa)

a——外节点板应力分布；b——内节点板应力分布。

图14 每束11根钢绞线加固后节点板应力分布(MPa)

表6 体外预应力加固前后节点板应力变化情况

综上所述

1）每束不同根数的折线型体外预应力钢绞线，张拉后对桥梁起到加劲作用，减少了结构内力，达到了提载效果。

2）随着加固用钢绞线根数的增加，桥梁荷载提升幅度增大，桥梁各构件应力值减小，挠度减小，结构自振频率增大。由桥梁几何非线性和材料非线性屈曲分析得到的临界荷载系数不断增大，结构稳定性明显提高。节点板高应力区和第二高应力区面积不断减小，低应力区面积不断增大，应力分布更加合理。

3)钢桁梁桥体外预应力会增大下弦杆的轴力，当每束加固13根钢绞线时，下弦杆的压力达到8113kN，已接近下弦杆失稳的临界轴压力8751kN，截面稳定安全系数降低，需控制张拉钢绞线根数，限制提升幅度。综合以上结果，奥莫河大桥提升加固采用每束11根单圈之字形体外预应力钢绞线是最经济、实用、合适的提升加固方法，效果显著，对原桥损伤小，能充分发挥原有杆件的使用功能。

来源

丁浩,李睿,莫静,等. 基于体外预应力加固钢桁架桥研究[J]. 钢结构（中英文）, 2021, 36(9): 33-39。

doi:10.13206/j.gjgS21041601