摘要：體外預(yù)應(yīng)力加固是一種新穎的工程結(jié)構(gòu)加固枝術(shù)，應(yīng)用于橋梁加固工程具有可減小橋梁變形與裝縫、消除應(yīng)力滯后、不影響交通及布置方式靈活等優(yōu)點。文中介紹了體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的發(fā)展歷程，詳細(xì)論述了該技術(shù)的研究現(xiàn)狀，探討了目前研究中的不足，提出了今后研完工作的重點。

近10 多年來，我國橋梁建設(shè)發(fā)展較快，一大批具有世界水平的大型、特大型橋梁的成功建成標(biāo)志著我國橋梁建設(shè)正縮小與西方發(fā)達(dá)國家的差距。但在大量橋梁建成的同時，由于材料老化、車載提高和交通量猛增等因素，許多舊橋正在變成病橋、危橋，嚴(yán)重阻礙了交通建設(shè)的發(fā)展，威脅人們的生命財產(chǎn)安全。隨著國內(nèi)外多起舊橋垮塌事件的發(fā)生，國家對橋梁的整治改造和加固日益重視，因此，研究具有優(yōu)越性能的橋梁加固技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

    1 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于橋梁加固的歷史

    體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是指預(yù)應(yīng)力筋布置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面之外的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，是后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)早期曾應(yīng)用于加固工業(yè)與民用建筑，前蘇聯(lián)在這方面做了較多工作。但由于預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造設(shè)計困難、耐腐蝕性差，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用很高，未能體現(xiàn)其工程應(yīng)用上的優(yōu)越性，因而在20 世紀(jì)60 年代前未能在橋梁工程中得到推廣。隨著技術(shù)的進(jìn)步，60年代后期，體外預(yù)應(yīng)力筋耐久性及構(gòu)造設(shè)計的一些問題部分得到解決，為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，尤其70 年代美國和法國大量的橋梁加固為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的快速發(fā)展提供了難得的契機(jī)。通過在橋梁加固中應(yīng)用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，積累了實踐經(jīng)驗并獲得重要參考數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善了設(shè)計理論，為在建設(shè)新橋梁時重新考慮使用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)提供了依據(jù)。

    20世紀(jì)80年代后，防腐技術(shù)得到進(jìn)一步提高，美國、法國大量采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)建造和加固橋梁，現(xiàn)今世界上許多國家開始在橋梁工程領(lǐng)域廣泛使用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)。采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)構(gòu)可在不影響正常使用的情況下調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)力，甚至更換體外預(yù)應(yīng)力束，從而延長結(jié)構(gòu)使用壽命。另外，體外預(yù)應(yīng)力筋布置靈活，可應(yīng)用于多種形式的橋梁結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)橋梁施工方法結(jié)合形成新的高效、安全的施工方法。因此，可以預(yù)見體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)將會比目前更廣泛地應(yīng)用于橋梁工程加固、施工及新橋梁的設(shè)計。

    國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于橋梁加固方面的實踐證明，該技術(shù)可保證結(jié)構(gòu)的整體性，新舊體系協(xié)同工作良好;克服了其他方法加固時加固材料存在的應(yīng)力滯后問題，而且采用體外索加固橋梁不影響通車，還可減小撓度和裂縫寬度，提高橋梁承載能力.

    由于體外預(yù)應(yīng)力體系布置靈活，不僅可用來加固簡支梁橋和連續(xù)梁橋，還可用來加固拱橋和剛構(gòu)橋等; 不僅可用來改善梁的受彎性能，還可用來改善構(gòu)件的抗剪性能;不僅可用來進(jìn)行整體橋梁加固，而且可用于橋梁局部加固;不僅可用來加固橋梁的梁部結(jié)構(gòu)，也能用于加固橋墩及索塔等部位，具有良好的加固效果及廣闊的應(yīng)用前景。

    2 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的研究狀況

    2.1 國外研究狀況

    1995年，Tan K.H等通過對6根相同體外預(yù)應(yīng)力鋼筋鹼T形梁的實驗，研究了轉(zhuǎn)向塊和力筋外形(力筋截面積、預(yù)拉力和偏心)對梁在荷載作用下行為的影響，并對用體外預(yù)應(yīng)力加固的砼梁進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，體外預(yù)應(yīng)力對砼抗彎構(gòu)件來說是一種非常有效的加固方法，如果采用相對適當(dāng)?shù)呐浣盍?，梁體的抗彎強(qiáng)度最大可提高146%，同時并不降低梁體破壞時的延性;體外預(yù)應(yīng)力還可減小裂縫寬度和梁體在活載作用下的撓度，提高疲勞強(qiáng)度。

    1996 年 ，HiroshiMutsuyoshi等對體外預(yù)應(yīng)力砼梁進(jìn)行了試驗研究，考慮預(yù)應(yīng)力筋的偏心距減小所引起的二次影響、體內(nèi)有粘結(jié)普通鋼筋的配筋率及加載模式對預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的影響，提出了體外預(yù)應(yīng)力砼梁極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的計算公式。

    1997 年 ，Kiang-HweeTan和Che-Khoon Ng 通過試驗分析了6片T形鋼筋硅梁用體外預(yù)應(yīng)力加固后的抗彎強(qiáng)度，提出了體外預(yù)應(yīng)力砼梁極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的計算公式。1998年，他們又通過試驗分析了7片預(yù)應(yīng)力筋沿梁長直線布置的T形梁，每片梁在跨中設(shè)置轉(zhuǎn)向塊，并采用壓、拉桿模型來分析加固構(gòu)件的破壞形式和極限強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)此計算模型能準(zhǔn)確預(yù)測體外預(yù)應(yīng)力鹼梁的極限強(qiáng)度和破壞形式。

    1999 年 ，M.Harajil等通過編制計算機(jī)程序，研究了體外預(yù)應(yīng)力砼梁的非線性力學(xué)行為，通過參數(shù)化研究方法，評估了體外筋的預(yù)拉力、轉(zhuǎn)向器的設(shè)置等參數(shù)對體外預(yù)應(yīng)力硅梁強(qiáng)度和變形的影響。

    2001 年 ，Kiang-HweeTan等對在跨中局部用體外預(yù)應(yīng)力加固的簡支梁進(jìn)行了試驗研究，計算出體外預(yù)應(yīng)力筋臨界長度的影響因素，證明局部用體外預(yù)應(yīng)力加固不會影響梁的極限強(qiáng)度及撓度、裂縫行為，能降低荷載作用下偏心距減小的二次效應(yīng)，并能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效果。

    2004 年，Gahlab等對體外預(yù)應(yīng)力筋在任意荷載作用下的應(yīng)力計算進(jìn)行研究，提出簡單的計算公式，與試驗結(jié)果對比具有良好的準(zhǔn)確率和精確度。

    2005年，Park、YoungHoon等對體外預(yù)應(yīng)力加固實橋進(jìn)行了研究，加固橋梁為已使用23 年的板梁橋，加固運(yùn)營4年后，對體外預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失與加固完成時進(jìn)行比較，并進(jìn)行了動靜載試驗。研究發(fā)現(xiàn)，體外預(yù)應(yīng)力筋的長期預(yù)應(yīng)力損失對承載能力的影響可以忽略.在試驗車輛荷載作用下，加固后跨中撓度減小了10%~24%，當(dāng)加載車輛在邊梁行駛時.梁體的撓度有不同程度的降低，并隨車速的增加，差別增大.但加固并沒有顯著影響橋梁的動力回應(yīng)。

    2.2 國內(nèi)研究狀況

    自20世紀(jì)80 年代以來，我國對體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行了多項試驗，取得了許多非常有價值的科研成果。90年代，東南大學(xué)以呂志濤教授為首的課題組運(yùn)用試驗方法對體外預(yù)應(yīng)力加固進(jìn)行了研究，通過梁的正截面抗彎加固、梁的抗剪加固試驗研究和分析計算，對預(yù)應(yīng)力加固梁進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，提出了預(yù)應(yīng)力加固的設(shè)計計算方法。

    1992 年 ，鐵道部進(jìn)行了一批體外預(yù)應(yīng)力梁的試驗，牛斌等利用試驗結(jié)果，建立了體外預(yù)應(yīng)力砼梁全過程非線性分析的計算方法和相應(yīng)的計算機(jī)程序。

    2000年 ，牛斌假設(shè)體外預(yù)應(yīng)力砼梁破壞時，在最大彎矩截面附近形成一個塑性區(qū)，將這個塑性區(qū)理想化為一個鉸，并基于塑性鉸理論提出了體外預(yù)應(yīng)力砼梁極限狀態(tài)的計算方法。

    1997年 ，黃喬等進(jìn)行了12 片鋼筋砼T梁體外預(yù)應(yīng)力加固室內(nèi)試驗，分析了體外索加固體系的極限破壞機(jī)理，并建立了極限強(qiáng)度計算方法。

   2001 年，應(yīng)惠清、賈宏強(qiáng)等進(jìn)行了10片體外預(yù)應(yīng)力加固簡支梁的試驗，得出體外預(yù)應(yīng)力加固梁的受力性能與無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力砼相似，可以采用等效荷載法來進(jìn)行其極限承載力計算;當(dāng)梁在臨近極限狀態(tài)時，應(yīng)力增量很大，因此，預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力不宜太大;加固設(shè)計時，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力偏心距變化的影響

    2003 年 ，徐海軍等建立了體外預(yù)應(yīng)力砼橋梁非線性有限元分析模型，除了考慮一般硅結(jié)構(gòu)具有的材料非線性和幾何非線性外，還考慮了體外預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)特有的二次效應(yīng)以及預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向塊處的滑移，并對體外預(yù)應(yīng)力筋在多個轉(zhuǎn)向塊處發(fā)生滑移的情況給出了分析方法，編制了面向?qū)ο蟮挠邢拊治龀绦駿PA，對體外預(yù)應(yīng)力鹼梁的彎曲性能進(jìn)行了分析。

    2004 年 ，王景全等運(yùn)用《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(CECS25:90)和《公鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)的計算方法，結(jié)合現(xiàn)有研究成果和工程實踐經(jīng)驗，編制了可視化的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)加固設(shè)計軟件，提供支持矩形、T形截面梁的體外預(yù)應(yīng)力受彎加固。但是該軟件將二次效應(yīng)與預(yù)應(yīng)力筋增量采用一個安全系數(shù)的方法綜合考慮，由用戶根據(jù)經(jīng)驗確定，實際運(yùn)用中存在一定困難。

    90年代末，同濟(jì)大學(xué)與柳州市建筑機(jī)械總廠聯(lián)合研發(fā)出一種新型體外預(yù)應(yīng)力體系，該體系可進(jìn)行單根張拉和單根換索，自由段無灌漿，外套管可自由拆卸，解決了轉(zhuǎn)向裝置的廣泛適用性和對無粘結(jié)鋼絞線可能發(fā)生的損傷問題。

    3 體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究的不足

    3.1 現(xiàn)有研究范圍

    從國內(nèi)外研究情況來看，對體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的研究主要集中在以下方面：

    1）體外預(yù)應(yīng)力加固梁破壞形式的研究。

    2）體外預(yù)應(yīng)力加固梁承載力計算的研究，主要集中于正截面承載力的計算，對斜截面承載力的研究則不多見。研究方法大致分為兩類:

    第一類是根據(jù)彈塑性力學(xué)原理和構(gòu)件幾何分析等方法，采用類似體內(nèi)預(yù)應(yīng)力硅結(jié)構(gòu)的截面分析方法對結(jié)構(gòu)的最不利截面進(jìn)行計算，從而得到結(jié)構(gòu)的承載力計算公式。

    這種方法有許多假設(shè)，是一種簡化的計算方法。第二類是采用非線性有限元方法，結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的特點，建立有限元模型，并編制有限元程序進(jìn)行計算。這種方法考慮了部分非線性因素的影響。

但沒有綜合各種影響因素對加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為作出比較完整的評述，更沒有從實用的角度給出體外預(yù)應(yīng)力加固砼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和設(shè)計建議。

    3）體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的計算，包括體外預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失和應(yīng)力增量的計算、二次效應(yīng)對加固橋梁承載能力的影響以及體外預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向位置的滑移等.與承載力研究相對應(yīng)，這方面的研究也可分成兩類:一類是在大量試驗研究和分析的基礎(chǔ)上，建立計算模式;另一類是采用非線性分析方法進(jìn)行計算。

    4）轉(zhuǎn)向裝置和錨固裝置等局部構(gòu)造的研究。

    5）體外預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)動力行為的研究。

    3.2 研究中的不足

    雖然國內(nèi)外對體外預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行了許多試驗研究，但體外預(yù)應(yīng)力加固梁橋的加固機(jī)理與設(shè)計理論還未成熟，特別是對七八十年代修建的大量中小跨徑梁橋缺乏廣泛適用的加固標(biāo)準(zhǔn);對于體外預(yù)應(yīng)力筋的錨具和轉(zhuǎn)向裝置的構(gòu)造細(xì)節(jié)及受力分析在我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中尚無明確、具體的規(guī)定，有關(guān)試驗研究也不多見。因此，將體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)廣泛地應(yīng)用于我國橋梁加固工程，還需進(jìn)行大量研究。

    但可以確定的是.隨著研究與實踐工作的不斷發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)必將為我國橋梁建設(shè)事業(yè)作出重要貢獻(xiàn)。