体外预应力

体外预应力

一、概论

体外预应力是后张预应力结构体系的重要分支之一。国际预应力协会（FIP）于1996年将体外预应力定义为预应力索布置在混凝土截面之外的预应力。体外预应力桥梁则是指将预应力筋布置在梁体混凝土截面外部，力筋束和混凝土之间的荷载传递四通过端部锚具和转向板进行的一种桥梁结构。

体外预应力加固法是应用预加应力原理，采用外加预应力的钢拉杆，在原有构件上施加一定的初始应力，对结构进行加固。

对于钢筋混凝土桥、预应力混凝土梁桥或板桥，采用对受拉区施以体外预应力进行加固，可以抵消部分自重应力，起到卸载、减小跨中挠度、减小裂缝宽度或闭合裂缝的作用，从而加大幅度地提高桥梁的承载能力。

体外预应力加固法可以在自重增加很少的情况下，大幅度改善和调整原结构的受力状况，同时对墩台及基础受力状况影响很少，且对桥梁运营影响较少，可在不限制通行的条件下进行施工，但加固后对原结构外观有一定影响。

该方法主要适用情况有：

1、混凝土梁中预应力筋或普通钢筋严重锈蚀及其他病害造成结构承载力下降；

2、需要提高桥梁的荷载等级；

3、用于控制梁体裂缝及钢筋疲劳应力幅度；

4、高应力状态尤其是大型结构的加固等情况。

一套完整的体外预应力体系应包括：

1、 体外预应力钢束、管道和灌浆材料；

2、 体外预应力钢束的锚固系统；

3、 体外预应力钢束的转向装置；

4、 体外预应力钢束的减振器；

5、 体外预应力钢束的防腐系统。

体外预应力索与结构的黏结关系

1、体外预应力体系与结构离散黏结

体外预应力体系仅在锚固区域和转向位置与结构有黏结关系。预应力钢束采用普通光面钢绞线，与结构的黏结关系是通过在锚固位置与转向位置进行水泥灌浆建立的，一般使用单层钢管道或金属波纹管道，灌浆后形成一个整体。锚具为常用锚具形式，不可更换。早期的现代体外预应力结构大多采用这种形式。

2、体外预应力体系与结构无黏结

这种方式包括两种类型，一种是在锚固区和转向区采用双层管道结构，将体外预应力钢束与结构隔离，体外预应力钢索体系采用普通光面钢绞线，水泥灌浆防腐，在锚固位置和转向位置处设置预埋钢管和HPDE管双重管道，以隔开体系与结构的黏结联系，可以做到拆卸整束后进行更换，目前这种方法应用最为普遍。另一种是体外预应力钢索采用单根无黏结钢绞线，由于钢索本身是无黏结的，不具有与结构的黏结关系。这种体系可以采用水泥灌浆，但目的不是为了防腐，而是为了固定单根无黏结钢索，通过在转向位置和锚固处的构造处理可以做到整束更换或单根更换，这种方法已大量地应用在强调耐久性的欧洲国家。

二、体外预应力束在旧桥加固中的应用

体外预应力属于无黏结预应力的一种。体外预应力是指对布置于承载结构梁体混凝土截面外部或布置于承载结构梁体混凝土截面内部但与混凝土无黏结的预应力钢筋张拉而产生的预应力。

体外预应力加固技术实质上就是对结构施加体外预应力，以抵消部分外荷载产生的内力。它类似于分阶段后张预应力的施工方法，即在原结构使用时，部分施加预应力或不施加预应力，在荷载增大后，施加相应的预应力，只不过这部分预应力筋铺放在结构体外。从另一个角度来说，体外预应力加固法就是在原结构上增加中间弹性支座，以减小原结构的内力。

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：

1、 自重增加少，但可大幅提高承载能力；

2、 由于上部自重增加少，因而对下部影响小；

3、 施工简单，工期短，经济效益明显；

4、 施工过程不中断或少中断交通；

5、 对原结构损伤小，不影响桥下净空；

6、 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。

三、预应力张拉前的准备工作

1、构件的检查、清理

（1）施加预应力前应对混凝土构件进行检验，外观及尺寸都应符合标准要求；张拉时

构件的混凝土强度不应低于设计强度的85％。

（2）穿束前检查锚垫板和孔道的位置是否正确，灌浆孔和排气孔应满足施工要求，孔道内应畅通，无水分和杂物，锚具、垫板接触板面上的焊渣、混凝土残渣等要清除干净。

2、模板与支架的检查

为了避免混凝土产生预想不到的裂缝，张拉前应检查模板与支架是否有约束混凝土的变形的地方；如果约束力很大，应该解除约束，内模和侧模在张拉前先拆除。

3、张拉设备的选用和检查

根据构件特点、所有预应力筋及锚夹具的类型、张拉力大小等，选择合适的张拉设备。主要是选择张拉设备的吨位、压力表的规格等。

将选用的张拉设备包括油压千斤顶、高压油泵和油压表，编号配套进行校验、标定。在校验时，把控制张拉力和张拉力相应的油压表读数校验出来，便于张拉时直接掌握。

对所用的油压千斤顶、高压油泵和油压表、连接管路等要进行试车检查，如发现有漏油和不正常的情况，要查明原因，及时排除。紫铜管连接千斤顶与油泵时，注意检查在弯曲处有无裂纹，喇叭口是否完整无损，如发现问题，要修理完好后才能使用。

4、穿束前检查锚垫板和孔道的位置是否正确，灌浆孔和排气孔应满足施工要求，孔道内应畅通，无水分和杂物，锚具、垫板接触板面上的焊渣、混凝土残渣等要清除干净。

5、模板与支架的检查

为了避免混凝土产生预想不到的裂缝，张拉前应检查模板与支架是否有约束混凝土的变形的地方；如果约束力很大，应该解除约束，内模和侧模在张拉前先拆除。

6、张拉设备的选用和检查

根据构件特点、所有预应力筋及锚夹具的类型、张拉力大小等，选择合适的张拉设备。主要是选择张拉设备的吨位、压力表的规格等。

将选用的张拉设备包括油压千斤顶、高压油泵和油压表，编号配套进行校验、标定。在校验时，把控制张拉力和张拉力相应的油压表读数校验出来，便于张拉时直接掌握。

对所用的油压千斤顶、高压油泵和油压表、连接管路等要进行试车检查，如发现有漏油和不正常的情况，要查明原因，及时排除。紫铜管连接千斤顶与油泵时，注意检查在弯曲处有无裂纹，喇叭口是否完整无损，如发现问题，要修理完好后才能使用。

7、张拉作业机具配备和检查

（1）张拉装置

张拉装置的检查油量应充足，并应使油泵用优质矿物油；千斤顶与油泵以及高压油管两端连接器的灰尘应予以清除；应抽出高压油泵内的空气；不应有漏油现象；应熟悉油泵的操作顺序。

（2）钢筋和锚夹具的检验

预应力筋穿入孔道前，应检查其品种、规格、长度和有关的冷拉记录及机械性能试验

报告。所用锚夹具应按其质量标准要求进行检验（或核对有关的检验记录），并进行外观检查，看有无裂缝、变形或损伤情况。检查合格后要用煤油或汽油擦净油污和脏物，与预应力筋配套堆放、不能混杂。

四、预应力施工工艺

（一）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。

新增齿板、肋板需要用自流平混凝土浇筑。

（二）钢绞线下料与穿束

(1)按照设计图纸计算无粘结钢绞线下料长度,在厂内进行无粘结钢绞线的切断下料工作。下料长度的计算应考虑钢束曲线长、锚夹具长度、千斤顶长度及外露工作长度等因素。

(2)布索完成后,按图纸要求在相应位置设置减震器或减震支座。

(3)穿束前首先要准确计算张拉端的PE护套剥除的长度,无粘结预应力筋张拉段范围内PE层先行去掉,将内部油脂全部清除干净,以确保夹片与钢绞线的咬合。穿束过程中必须小心,防止碰坏刮伤体外索的索体PE护套。穿束完成后方能安装锚头。千斤顶及其辅助设

备(如工作锚、限位板、悬浮式张拉支撑撑脚)要求配套安装与使用,相关的加工尺寸及参数须准确一致。

（三）钢绞线张拉

张拉荷载采用“双控”法进行控制,预应力钢束的张拉顺序,应使结构基本上保持受力均匀、同步,所以在张拉过程中应遵循同步、对称、两端同时张拉的原则。

1、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。

2、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。

3、预应力筋张拉要求

预应力束采用张拉力和伸长量双控，钢束的伸长量均为钢束在张拉阶段σcon由15％～100％。实测延伸量与计算延伸量允许-6％～+6％的误差。在正式张拉钢束前应将张拉力调整到初应力值，再开始张拉和测量伸长值。实际的伸长值除量测的伸长值外，还加上初应力是推算的伸长值，目的是避免虚位移对量测的准确性产生影响。

（1）、事先检查限位板的孔位是否与锚具孔位配套，不配套的产品不能使用。

（2）、将钢绞线依次穿进锚具，并且将夹片塞进锚孔，并用套管将夹片稍微打紧。

（3）、装上张拉千斤顶，穿上工作锚，调整千斤顶位置，使千斤顶与钢绞线在同一直线上，无偏心无弯折。

（4）、纵向预应力筋同时对称作业，统一指挥特别重要，应用对话机统一指挥。

（5）、将初始油压定在控制力的15％，得到相应的油压表读数后，在工作锚后约10cm地方的钢绞线上作出标记，记录初始数据（大缸体端至钢绞线标记处的距离）；然后统一指挥加压，每次按20％控制力加压，这样能使千斤顶同时作业，待到100％控制力后持荷5分钟，记录伸长量，期间如果油压表降压过多，可适当补足后回油。

（6）、油时速度要控制好，回油门要缓慢打开，以免对千斤顶造成冲击。回零后再记录伸长量，检查夹片回缩情况。

（7）、拆降千斤顶后再认真检查锚具的情况，如无滑丝、断丝等情况发生，做好记录，如实测长度与理论伸长量的误差在±6％范围内，即张拉合格。如超过±6％应及时向技术主

管汇报，经研究处理后方可再张拉。

（8）、如千斤顶的伸长量不足以一次将钢绞线拉到所需吨位时，需要分两次张拉，此时应保证第一次张拉量应能保证第二次张拉将钢绞线拉至所需吨位。

钢绞线穿束前按设计和施工预留的长度要求进行下料和各条钢绞线编号，编好号以后用卷扬机进行牵引，卷扬机置于梁段前端并作好支撑加固，把事先预留于波纹管中的牵引钢筋连接于卷扬机上，末端与钢帽箍连接，将钢绞线焊于钢帽箍内，然后进行牵引，完成以后去掉钢帽箍，然后把钢束按编号在箱梁两端按编号在锚板上以同样的位置穿入锚板孔内，施工要求以设计和构件生产厂家的要求为参考，施工规范为依据进行。

当钢绞线和锚板穿孔完成以后进行张拉前液压千斤顶的试运行，对各进、出油管进行检查是否有漏油等不良的现象，待检查完成后进行钢绞线夹具的安装，安装锚板时注意清洁垫板和锚板的承压结合面，防止在张拉过程中由板间夹渣导致预应力损失和钢绞线的伸长值过大，夹具的安装要经过仔细的检查，防止由于安装不到位在张拉中引起夹具的断裂，并在千斤顶后部的夹片与工作锚板的承压面打上黄油，以便张拉完成后能顺利卸下张拉千斤顶。预应力的张拉由专人统一指挥，同时由专门的技术员进行张拉拉力和伸长量计录，作好张拉的资料，以备检查和检测。

张拉完成以后检查锚板和垫板的承压以及夹具的断裂情况，如果满足施工规范的要求则切断钢绞线，进行封头，如不能满足时要进行重新张拉，直到满足设计值为止。切断钢绞线时用电动砂轮进行切割，切割预留长度满足夹具锚固的要求长度。

五、压浆及封锚

预应力张拉完毕后，通过一段时间观察锚具是否稳定，然后进行压浆工作。

1、压浆方法

预应力张拉完成以后进行管道压浆，管道压浆时使用的砂浆配合比在事先已经由实验室进行的配合比试验，经过强度试压并由工程监理方认可以后进行施工运用，压浆机要经过试运行，检查压浆机压力缸和压浆管道的密封性能，一切妥当以后运送上梁体待用。在压浆以前先对预应力管道进行清洗，用水阀门安装在锚垫板上的预留螺孔上，并在另一端的阀门上连接上压浆机的输浆管，用自来水装入压浆机的料斗内，然后压入波纹管内进行管道冲洗，当另一端的阀门有水从阀门孔内流出以后，关闭阀门让压浆机继续压水进行管道，待压力达到一定值后打开阀门让管道内的杂物和残渣随高压水流排出管道，达到清洗管道的目的，这样重复进行，直到排出的水无污物才停止。管道清洗完成以后进行管道吹干，吹干时用空压机连接压力管连接到一端的阀门上，然后用与清洗管道一致的方法进行吹干，重复吹干到出气阀门的气体中不再有大量的水蒸气跑出为止。压浆采用活塞式灰浆泵，压浆前试开一次，运转正常并能达到所需的压力时，才能正式开始压浆。压浆时灰浆泵的最大压力宜为0.5～0.7N/mm；孔道或输浆管道较长采用一次压浆时，压力应稍加大，最大压力宜为1N/mm。压浆应缓慢、均匀的进行，比较集中和临近的孔道，宜尽量先连续压浆完成，以免串成临孔后水泥浆凝固，堵塞管道。不能连续压浆时，后压浆的孔道应在压浆前用压水冲洗通畅。在压浆时应将所有最高点的排气孔依次一一打开和关闭，使孔道内的排气通畅，当预留的排浆孔有砂浆流出以后继续压浆，待流出的砂浆与注浆时的稠度相同以后，关闭压浆机持压2分钟，压力应补小于0.5N/mm，如持压时间内的压力值变化较大时再压浆直到压力定值在持压时段内压力保持大致恒定时停止压浆，具体的情况视施工规范和施工现场而定，如压力在持压时段内变化较大时可延长持压时间，保证压浆质量，拔出喷嘴后立即用木塞塞住。

制作水泥浆时按试验配合比先在搅拌机或搅拌桶里将水泥浆搅拌均匀，然后用小桶分次按施工的需要到入压浆机的料斗里，倒入料斗以前在料斗上方放置过滤筛网，以防大直径的异物进入压浆机堵住压浆管。在压注过程应该连续搅拌，对于因延迟时间所致的流动性降低的水泥浆，不得通过加水稀释的方法来增加其流动性后再使用。水泥砂浆的制作必须在施工机具到场准备妥当和管道清洗及吹干完成以后进行，每次制作的砂浆必须要新鲜，如果量大以后根据施工的进度分次进行，不能一次制备后放置时间过长而影响注浆效果和注浆的进度。水泥浆拌制到压入孔道时间不要超过45min。压浆后立即检查压浆的密实情况，如有问题应及时处理。压浆完成以后关闭阀门卸下压浆机的压浆管道进行压浆机的清洗，等到水泥浆终凝以后卸下阀门进行清洗，留待以后施工备用。压浆过程中及在压浆后48小时，结构的最低温度不能低于5度，否则应该采取保温措施，气温超过35度时，应该在夜间进行压浆工作。

2、封锚

预埋在构件内的锚具，压浆后应将其周围冲洗干净并凿毛，然后按设计要求设置钢筋网和浇注封锚的混凝土。封锚混凝土的强度要求等级应符合设计要求，一般不低于构件混凝土强度等级的80％，也不宜低于30N/mm。长期外露的锚具，应采取防绣措施。

六、体外索加固过程的施工监控

1、监测测点的布设

①挠度测点：挠度观测资料是控制加固后桥梁线型最主要的依据，在各桥跨的墩顶、L/8、L/4、3L/8、L/2断面上各布置3个高程观测点，分别位于桥顶面上游侧和下游侧及桥中线处，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观察箱梁是否发生扭转变形。

②应力测点：局部混凝土应力的测量：包括体外预应力束锚固区（新增齿板处）、转向位置局部应力测试（转向板）、加劲肋板处的应力测试，同时观察关键截面的应变变化，得出应力变化，掌握桥梁在加固施工工程中的受力状态。

选择有代表性的预应力钢束，采用压力传感器测量张拉力，实时掌控预应力钢束的应力变化及预应力损失规律。

2、预应力束张拉力的控制

采用应力与位移双控的原则，以张拉力为主，伸长率为校核，应确保伸长率≤±6%，且每次张拉应有完整的记录。

体外预应力张拉过程中的安全监测：在预应力张拉前，检查有关区域有无典型裂缝，若发现有，应及时设置标志，采取专项跟踪监测。在张拉的过程中，如果控制截面的混凝土实测应力大于理论计算值，或水准监测变形值大于理论计算值，以及相关控制截面附近产生新的裂缝时，应暂停张拉，查明原因，并妥善处治后决定是否继续张拉。全部体外预应力张拉完毕后对箱梁内外进行全面检查。

3、变形监测方法

为配合加固施工，有效地反映箱梁在不同施工阶段中的挠度变形情况，故以各施工阶段作为挠度观测的周期。

①全桥挠度观测基准网。

根据桥位处现场考察，在变形监测的基准点采用全站仪周期性地对桥面监测点进行监

测。不同工况下，同一监测点高程的变化（差值）代表了该箱梁在这一施工阶段的挠度变形。

②变形协调。

体外预应力束张拉引起的箱梁挠度，有一个时间上的滞后效应，亦即张拉后上挠度变形不会立即发生，而是张拉后4-6h内逐渐完成，因此，张拉阶段的挠度观测，安排在张拉完成后6h后的清晨进行，以真实地反映张拉所引起的箱梁挠度变形。

③消除日照温差的方法。

挠度观测尽量安排在清晨6:00-8:00时间段内观测并完成。

4、应力监测方法

结构截面的应力监测是施工监测的主要内容之一，它是施工过程的安全预警系统，在预应力束张拉过程中断面应力值是不断变化的。在某一时刻的应力值是否与分析值一致，是否处于安全范围是施工控制所关心的问题。

原始数据采集分为以下几个阶段：

①体外预应力束张拉前；

②体外预应力束预紧后；

③体外预应力束张拉过程中；

④设置减振装置后；

根据应力测点的埋设，应用应力计便可测得实际加固阶段箱梁内的应力变化，以此来对结构的安全进行监测。

七、施工安全注意事项

1、张拉现场应有明显标志，与该工作无关的人员严禁入内。

2、张拉或退出楔块时，千斤顶后面不得站人，以防预应力筋拉断或锚具楔块弹出伤人。

3、油泵运转有不正常情况时，应立即停车检查。在有压力情况不得随意拧动油泵或千斤顶各部位的螺丝。

4、作业应由专人负责现场指挥。操作时严禁摸踩及碰撞预应力筋，在测量伸长及拧螺母时，应停止开动千斤顶或卷扬机。

5、张拉时，螺丝端杆、套筒螺丝及螺母应有足够的长度，夹具应有足够的夹紧能力，防止锚具夹具不牢而滑出。

6、千斤顶支架必须与梁段垫板接触良好，位置正直对称，严禁多垫块，以防支架不稳或受力不均倾倒伤人。

7、在高油压管的接头应加防护套，以防喷油伤人。

8、已张拉完而尚未压浆的梁，严禁剧烈振动，以防预应力筋裂断而酿成重大事故。

9、雨天作业要注意场地湿滑。