1、引言

    1、1混凝土耐久性２０世紀９０年代初，混凝土橋梁的耐久性已引起世界各國的重視，通過(guò)對大量具有２０年以上橋齡的混凝土橋梁的養護管理實(shí)踐，人們發(fā)現橋梁的混凝土開(kāi)裂、剝落、衰變及鋼筋的銹蝕（管道灌漿不飽滿(mǎn)普遍存在）對橋梁的損害問(wèn)題非常嚴重，已成為迫切需要解決的問(wèn)題，嚴重損害的橋梁己危及交通的安全，需要大量的資金來(lái)維護或改建，嚴酷的現實(shí)使人們開(kāi)始重視混凝土橋梁的耐久性。

    提高混凝土橋梁耐久性的技術(shù)途徑有兩個(gè)，一是采用高性能混凝土，以提高混凝土的抗滲性、勻質(zhì)性、抗凍性，從而提高混凝土抵抗碳化和冷凍侵襲的能力；另外一種是提高既有橋梁耐久性的有效途徑即對缺陷橋梁進(jìn)行加固改造，延長(cháng)其使用壽命。

    1、2橋梁加固

    橋梁加固改造是運用有效可行的技術(shù)手段對橋梁結構物進(jìn)行補強加固及拓寬，其根本目的是恢復和提高其承載能力及耐久性。目前，常用的橋梁加固方法很多，從大的方面劃分可分為上部結構補強加固和下部結構補強加固。橋梁上部結構補強加固方法又分為改變結構受力體系方法和不改變結構受力體系方法兩類(lèi)。從后加補強材料是否具備預應力及基本受力原理來(lái)看，橋梁上部加固又可劃分為兩大類(lèi)，即主動(dòng)加固和被動(dòng)加固。

    1、21橋梁主動(dòng)加固原理

    在受拉區（或抗剪薄弱區）直接增設補強材料，例如：補焊鋼筋、粘貼鋼板、粘貼高強復合纖維材料（碳纖維、芳綸纖維）等。這種加固方法從作用原理上講屬于被動(dòng)加固范疇。實(shí)際上設計時(shí)必須考慮帶載加固及分階段受力特點(diǎn)，構件自重及恒載由原梁承擔；活載由加固后的組合截面承擔，后加補強材料強度發(fā)揮程度受原梁變形的限制。

    1、22橋梁被動(dòng)加固原理

    為解決后加補強材料“應變滯后”，提高后加補強材料利用率，對后加補強材料施加預應力，采用預加力原理進(jìn)行加固補強。從作用原理上講預應力加固屬于主動(dòng)加固范疇。后加補強材料主動(dòng)受力，由于預加力的作用，改善了原梁的應力狀態(tài)，以達到提高原梁承載力和抗裂性的目的。

    目前，橋梁結構中采用的預應力加固體系主要有三種：即體外預應力加固體系、高強復合纖維預應力加固體系、有粘結預應力加固體系。

    2、體外預應力加固體系

    2、1發(fā)展背景

    70年代，隨著(zhù)交通運輸的發(fā)展，舊路改造及舊橋加固引起世界各國的普遍重視，很多國家開(kāi)展了舊橋加固研究，在歐洲一些國家，采用體外預應力技術(shù)加固橋梁，提高原橋的荷載等級，收到了明顯的經(jīng)濟效益，體外預應力技術(shù)在舊橋加固中的應用，又促進(jìn)和加深了人們對體外預應力技術(shù)的認識。

    實(shí)際上，體外預應力技術(shù)伴隨著(zhù)預應力技術(shù)的產(chǎn)生而出現，并且利用體外預應力技術(shù)修建混凝土橋梁先于體內預應力技術(shù)，因此它是一門(mén)古老的新生技術(shù)。早在1934年德國人迪申格爾的體外無(wú)粘結筋技術(shù)便取得了德國和法國的專(zhuān)利，并于1936年建成實(shí)橋。但由于處于體外的鋼筋防銹蝕技術(shù)不成熟，致使橋梁養護、維修費用很高，因而在很長(cháng)時(shí)期內阻礙了這一技術(shù)的發(fā)展。

    90年代以來(lái)，體外預應力技術(shù)在國外得到了迅速發(fā)展，這一方面是由于人們對混凝土耐久性認識的提高，迫切期望創(chuàng )造一種具有防腐性能的結構，為體外預應力技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)；另一方面，隨著(zhù)斜拉橋技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了鋼絲的防銹蝕和大噸位錨頭的設計和施工問(wèn)題，消除了體外預應力技術(shù)發(fā)展的最大障礙，使體外預應力技術(shù)的發(fā)展獲得了新生。

    隨著(zhù)體外預應力設計理論及實(shí)用技術(shù)的不斷發(fā)展，反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步促進(jìn)了體外預應力加固舊橋的應用。

    2、2作用原理

    體外預應力加固是將具有防腐保護的預應力筋布置在梁體的外部（或箱內），對梁體施加預應力，以預加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷產(chǎn)生的內力，達到改善梁的使用功能和提高梁的承載能力的目的。

    體外預應力加固是目前采用較多的加固方法之一，特別適用于在大跨徑預應力混凝土連續箱梁和連續Ｔ構箱梁橋的加固。體外預應力筋錨固在梁端（或中間）橫隔梁上，跨間用轉向塊調整預應力筋的角度，以適應梁的受力要求。

    嚴格來(lái)講，體外預應力、體內無(wú)粘結預應力、包括斜拉橋在內，都屬于無(wú)粘結預應力結構。無(wú)粘結預應力結構理論分析的核心問(wèn)題是預應力鋼束在各受力階段的應力增量計算問(wèn)題。

     2、3技術(shù)特點(diǎn)

    與普通預應力混凝土結構相比，體外預應力混凝土結構具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

    ①體外預應力鋼筋可以是不可更換的，也可以設計成可更換、可補拉的，可更換的體外力筋，易于維修、養護、加固；

    ②體外預應力加固舊橋構造簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了施工；由于梁肋中不設管道，避免了截面削弱；體外配筋方式取消管道灌漿工序可實(shí)現全年施工，對處于寒冷地區的北方各省具有十分重要的現實(shí)意義；

    ③減小了鋼筋束的摩阻損失，預應力筋利用效率高，力筋應力變化幅值小，對抗疲勞有利。體外預應力加固混凝土橋梁在我國的推廣應用，為解決工程上長(cháng)期困擾的混凝土耐久性問(wèn)題提

    供了可能，橋梁耐久性的提高，使用壽命的延長(cháng)（換一次索或補拉一次，可延長(cháng)使用壽命長(cháng)達２０年），可為橋梁養護管理及加固補強帶來(lái)可觀(guān)的直接經(jīng)濟效益，其間接和長(cháng)期經(jīng)濟效益亦相當顯著(zhù)。

     3、高強復合纖維預應力加固體系

    目前，工程上應用的高強復合纖維主要有芳倫纖維及碳纖維（ＦＲＰ），由于碳纖維材料在橋梁加固中的應用廣泛，技術(shù)成熟，故本文主要介紹碳纖維預應力加固。

    3、1問(wèn)題提出

    工程上采用較多的是在結構受拉區或抗剪薄弱區域，直接粘貼纖維的加固方法。就實(shí)際工程中大量遇到的承載力加固而言，采用在受拉區直接粘貼碳纖維布的被動(dòng)加固方法，后加補強材料是不能充分發(fā)揮作用的。按照分階段受力特點(diǎn)，直接粘貼的后加補強材料只承擔活載內力；與原梁鋼筋相比，其應變嚴重“滯后”。極限狀態(tài)下，其強度的發(fā)揮程度受原梁變形的限制，一般情況下達不到其抗拉強度設計值。

    計算表明，對原梁高度較小、配筋率較大的情況，加固設計以混凝土壓應變達到極限值控制設計，在極限狀態(tài)下，后加補強材料的應力僅為７００～８００ＭＰａ，此值只相當碳纖維抗拉強度標準值的（２１．２％～２４．２％）；對原梁高度較大、配筋率較小的情況，加固設計以原梁鋼筋應變達到極限值０．０１控制設計，在極限狀態(tài)下，后加補強材料的應力也只有２０００ＭＰａ左右，此值相當碳纖維抗拉強度標準值的６０％。由于受原梁變形限制，在極限狀態(tài)下高強復合纖維的高抗拉性能根本無(wú)法充分發(fā)揮作用，造成一種極大的浪費。而且，不加分析的盲目增加后補強材料的用量，加固后構件可能發(fā)生超筋脆性破壞，設計是不安全的。

     3、2作用原理

    為了提高碳纖維材料的利用效率及增強舊橋加固效果，對碳纖維材料施加預應力是一種有效的辦法。

    碳纖維預應力加固的作用原理為，利用錨固粘貼于被加固梁體上的碳纖維布條（或板條）對梁體施加預應力，改善加固梁的受力狀態(tài)，其關(guān)鍵技術(shù)是解決適應于橋梁現場(chǎng)施工的預應力纖維（或板）的張拉、錨固問(wèn)題。

    目前，這種加固體系尚處于試驗研究階段。

    3、3技術(shù)特點(diǎn)

    ①高強高效。由于ＦＲＰ優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在加固修補混凝土結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點(diǎn)來(lái)提高混凝土結構構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固修補的目的。

    ②線(xiàn)膨脹系數與混凝土接近，保證了溫度變化時(shí)，ＦＲＰ與混凝土可以協(xié)同工作。

    ③施工便捷、工效高、沒(méi)有濕作業(yè)，不需大型施工機具，施工占地少，施工效率高。據有關(guān)資料統計，粘貼ＦＲＰ是粘貼鋼板施工工效的４～８倍。ＦＲＰ輕質(zhì)柔軟，易貼附，與粘貼鋼板相比其施工質(zhì)量更易保證。

    ④不增加構件的自重和體積。ＦＲＰ質(zhì)量輕且厚度很薄，經(jīng)加固修補后的構件，基本上不增加原結構的自重和尺寸，也就不會(huì )減少建筑物的使用空間。

    ⑤具有很好的耐腐蝕性和耐久性能。試驗表明：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維具有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抵抗建筑物中經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽等對結構的腐蝕。使用此材料加固后，不僅不需要對其進(jìn)行定期維護，而且其本身更可以對內部混凝土結構起到保護作用。

    ⑥適用面廣�？蓮V泛用于各種結構類(lèi)型（如建筑物、構筑物、橋梁隧道、涵洞、煙囪等）、各種結構形狀（如矩形、圓形、曲面結構等）、各種結構部位（如梁、板、節點(diǎn)、拱、殼、墩等）的加固修補，且不改變結構形狀及不影響結構外觀(guān)，這是目前任何一種結構加固方法都不可比擬的。

    4、有粘結預應力加固體系

    4、1作用原理

    利用錨固于被加固梁體上的小直徑預應力筋，對梁體施加預應力，然后噴注具有較高抗拉強度的復合砂漿，將預應力筋與被加固梁體粘結為一體，構成有粘結預應力加固體系。

    有粘結預應力加固體系以其預應力筋錨固簡(jiǎn)單、張拉施工方便、結構耐久性好，材料利用效率高的技術(shù)優(yōu)勢受到國內外土木工程界的重視。有粘結預應力加固體系特點(diǎn)適用于中、小跨徑鋼筋混凝土Ｔ梁、空心板梁、箱梁橋的加固，尤其是對高速公路及城市立交工程中大量采用的中等跨徑的鋼筋混凝土及預應力混凝土連續箱梁橋，由于受箱梁高度的限制，在箱內布置體外預應力筋有困難的情況下，采用在箱梁底板部增設預應力筋，然后噴注高性能抗拉復合砂漿的有粘結預應力加固體系是理想的加固方案之一。

    4、2技術(shù)特點(diǎn)

    與體外預應力加固體系相比有粘結預應力加固體系的突出優(yōu)點(diǎn)是：

    ①能最大限度的發(fā)揮后加補強材料的作用，提高材料的利用效率；

    ②噴注的高性能抗拉復合砂漿保護層�？固蓟�和抗氯離子侵蝕能力強，保護鋼筋免于銹蝕，提高結構耐久性，延長(cháng)結構使用壽命；

    ③靠小型錨具和高性能抗拉復合砂漿粘結的雙重作用錨固預應力鋼筋，錨固工作更為安全可靠。

    4、3發(fā)展前景

    韓國Ｍ＆Ｓ公司的ＳＲＡＰ工藝具有有粘結預應力加固特征，但所采用的ＡＰ砂漿和預應力鍍鋅軟鋼絲全部從國外進(jìn)口，工程造價(jià)偏高，市場(chǎng)競爭力受到一定的影響。為適應橋梁加固市場(chǎng)的需求，國內研究開(kāi)發(fā)的高性能抗拉復合砂漿（簡(jiǎn)稱(chēng)ＨＴＣＭ砂漿）已供市場(chǎng)，其抗拉強度、粘結性能及抗碳化、抗氯離子侵蝕能力均略高于ＡＰ砂漿、采用２股或３股鋼絞線(xiàn)、螺旋帶肋鋼絲及小直徑高強粗鋼筋等國產(chǎn)鋼材做預應力筋的張拉、錨固系統的試驗研究已取得階段性成果，為有粘結預應力加固在我省的推廣開(kāi)辟了新的途徑。

    采用有粘結預應力加固體系，可以提高結構的耐久性，延長(cháng)結構使用年限20-30年，由此帶來(lái)經(jīng)濟效益是巨大的。