桥梁是保证公路和铁路畅通运行的关键. 目前, 随着经济的发展, 交通量、车辆载重、行车密度日益增加, 而陈旧桥梁大都承载力不足, 已不能适应交通发展的需要, 因而对陈旧桥梁的加固改造将是今后的研究课题。我国现有钢桥中绝大多数是中小跨度的简支钢梁桥, 跨度小于32 m 的钢桥约占钢桥总数的70%, 所以从应用较广的简支钢梁桥着手研究其加固改造具有较普遍的意义. 体外预应力法是当前桥梁加固的最理想的措施之一, 它的投资较少, 可以在不中断行车情况下进行, 操作简便灵活.

体外预应力加固钢筋混凝土桥梁的应用较多, 但以钢梁为加固对象的实例极少, 只发现几个例子 ,且系统全面地介绍体外预应力加固钢桥的理论和方法的文献极少, 实例报告中也很少涉及具体的计算理论 . 为此, 对体外预应力加固简支钢梁桥的设计计算方法进行了研究, 旨在为工程实际中旧桥的加固改造以及预应力在钢结构加固中的应用提供理论依据和设计参考.

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体外预应力筋的配筋设计

1 体外预应力筋的线形布置

体外预应力加固现有钢桥时, 预应力筋的线形可采用直线形、折线形和抛物线形等, 如图1 所示. 从定位、张拉和锚固角度看, 直线形布置最为简单、方便. 但对于单跨简支梁, 沿梁全跨直线形布置预应力筋时, 因为在支座附近, 故外荷载产生的弯矩很小. 若在该处施加反向预应力, 则反而导致过大的不利应力状态. 通常, 张拉设备或锚固区太小时才采用图1( a) 的布置方式. 在最大受力区段局部布置预应力筋[ 图1( b) ] , 可节省材料, 但锚固点处应力集中, 加剧截面受力. 沿梁全跨布置抛物线形预应力筋[ 图1( c ) ] 可增大预应力效应. 在建筑净空容许时预应力筋可扩大到梁高范围外, 从而进一步加大预应力效应, 即采用图1( d) , ( e) 方案. 梁跨度较大时可在跨中重叠布置预应力筋[ 图1( f ) ] . 对简支实腹工字梁而言, 因卸载效率及构造原因, 往往采用下翼缘下侧直线形布置预应力筋的方案. 本文只介绍图1( a) , ( b) 所示的直线形布筋的情况. 预应力筋抛物线形布置的加固计算在原理上与直线形布置的计算相同.

2 体外预应力筋的应力损失

加固时, 预应力筋的各项应力损失主要由预应力筋应力松弛、钢梁压缩、摩擦损失和锚固损失引起.具体计算可参见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 . 但应注意预应力筋和转向块之间的摩擦系数L和k 的取值，建议对挤压涂塑的无粘结钢绞线取k= 0. 003 5, μ= 0. 10, 而笔者认为根据具体情况可将该取值适当降低.

3 体外预应力筋内力增量的计算

钢桥经加固后, 体系由静定结构变成一次超静定结构, 需先计算预应力筋在荷载作用下的内力增量X , 方能进行截面验算. 预应力筋内力增量可用结构力学中的方法进行计算, 在体外预应力加固钢桥的计算中, 预应力筋的内力增量X 最大可达有效张拉力N pe的30% ～40% ,故决不能忽视X 对梁使用阶段的内力分布和变形的影响。

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加固后钢梁的验算

1 预应力阶段

此时, 钢梁为静定结构, 受恒载和预应力的共同作用, 按压弯构件计算. 钢梁的强度和总体稳定性应分别满足下列各式:

各个符号的含义及取值可详见规范《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》。

2 使用阶段

此时, 预应力筋与钢梁共同工作, 钢梁转变为超静定结构. 预应力等效荷载和恒、活荷载共同作用在钢梁上, 仍按压弯构件进行计算, 但必须同时考虑体外预应力筋的内力增量X , 钢梁的强度和总体稳定性同样应满足

对预应力筋:

3 挠度验算

加固后钢梁的挠度验算采用荷载标准值按弹性方法计算. 跨中挠度主要包括活载产生的挠度w q,有效预应力N pe产生的反拱w Npe , 预应力筋内力增量X 产生的反拱w X , 具体计算式为

规范JT J025规定，对于简支钢板梁桥, 一般为l / 600 ( l 为计算跨径) . 对于铁路简支板梁桥, 通常取l/ 700。

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预应力加固钢梁设计计算步骤

2) 计算各项预应力损失和预应力筋的内力增量X 。

3) 根据构造要求确定锚固点的位置, 并进行强度和稳定性验算。

4) 根据验算结果, 判断初估值和加固方案是否合理. 若不合理, 则修改初估值或改用其他加固方案进行调整, 直到满足钢梁在预应力阶段和全部荷载作用时梁上、下翼缘处的强度和稳定条件及预应力筋的强度条件为止.

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结果比较

目前, 体外预应力加固钢桥在国际上只有少量应用,我国在这方面的研究尚在起步, 所以在这方面的研究、经验及实践极少. 但该方法具有可操作性、经济性和安全性等优点, 且具有十分明显的社会和经济效益, 应当加强这方面的研究。

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知识点：体外预应力加固钢梁桥的设计计算