预应力技术在公路施工中探讨
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摘要：预应力加固体系，从作用原理上解决了后加补强材料“应变滞后”所造成的材料利用效率不高的问题。本文主要介绍了工程中常用的体外预应力、高强复合纤维预应力、有粘结预应力的工作原理及其技术特点。
Abstract: Prestressed reinforcement system, according to the function and principle of solving the reinforcing material "strain lag" caused by the material utilization efficiency not high question. This paper mainly introduces the construction of external prestressed, commonly used high-strength composite fiber prestress, prestressed working principle and technical characteristics.
Key words: prestressed technology; highway construction; explore
中图分类号：TU74
一、体外预应力加固体系
1.1发展背景
7O年代，随着交通运输的发展，旧路改造及旧桥加固引起世界各国的普遍重视，很多国家开展了旧桥加固研究，在欧洲一些国家，采用体外预应力技术加固桥梁，提高原桥的荷载等级，收到了明显的经济效益，体外预应力技术在旧桥加固中的应用，又促进和加深了人们对体外预应力技术的认识。
实际上，体外预应力技术伴随着预应力技术的产生而出现，并且利用体外预应力技术修建混凝土桥梁先于体内预应力技术，因此它是一门古老的新生技术。早在1934年德国人迪申格尔的体外无粘结筋技术便取得了德国和法国的专利，并于1936年建成实桥。但由于处于体外的钢筋防锈蚀技术不成熟，致使桥梁养护、维修费用很高，因而在很长时期内阻碍了这一技术的发展。
90年代以来，体外预应力技术在国外得到了迅速发展，这一方面是由于人们对混凝土耐久性认识的提高，迫切期望创造一种具有防腐性能的结构，为体外预应力技术的发展提供了广阔的市场；另一方面，随着斜拉桥技术的发展，成功地解决了钢丝的防锈蚀和大吨位锚头的设计和施工问题，消除了体外预应力技术发展的最大障碍，使体外预应力技术的发展获得了新生。
随着体外预应力设计理论及实用技术的不断发展，反过来又进一步促进了体外预应力加固旧桥的应用。
1.2作用原理
体外预应力加固是将具有防腐保护的预应力筋布置在梁体的外部(或箱内)，对梁体施加预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷产生的内力，达到改善梁的使用功能和提高梁的承载能力的目的。
体外预应力加固是目前采用较多的加固方法之一， 特别适用于在大跨径预应力混凝土连续箱梁连续T构箱梁桥的加固。体外预应力筋锚固在梁端(或中间)横隔梁上，跨间用转向块调整预应力筋的角度，以适应梁的受力要求。
严格来讲，体外预应力、体内无粘结预应力、包括斜拉桥在内，都属于无粘结预应力结构。无粘结预应力结构理论分析的核心问题是预应力钢柬在各受力阶段的应力增量计算问题。
1.3技术特点
与普通预应力混凝土结构相比，体外预应力混凝土结构具有如下主要优点：
①体外预应力钢筋可以是不可更换的，也可以设计成可更换、可补拉的，可更换的体外力筋，易于维修、养护、加固；
②体外预应力加固旧桥构造简单，简化了施工；由于梁肋中不设管道，避免了截面削弱；体外配筋方式取消管道灌浆工序可实现全年施工，对处于寒冷地区的北方各省具有十分重要的现实意义；
③减小了钢筋柬的摩阻损失，预应力筋利用效率高，力筋应力变化幅值小，对抗疲劳有利。体外预应力加固混凝土桥梁在我国的推广应用，为解决工程上长期困扰的混凝土耐久性问题提供了可能，桥梁耐久性的提高，使用寿命的延长(换一一次索或补拉一次，可延长使用寿命长达20年)，可为桥梁养护管理及加固补强带来可观的直接经济效益，其间接和长期经济效益亦相当显著。
二、高强复合纤维预应力加固体系
目前，工程上应用的高强复合纤维主要有芳伦纤维及碳纤维(FRP)，由于碳纤维材料在桥梁加固中的应用广泛，技术成熟，故本文主要介绍碳纤维预应力加固。
2.1问题提出
工程上采用较多的是在结构受拉区或抗剪薄弱区域，直接粘贴纤维的加固方法。就实际工程中大量遇到的承载力加固而言，采用在受拉区直接粘贴碳纤维布的被动加固方法，后加补强材料是不能充分发挥作用的。按照分阶段受力特点，直接粘贴的后加补强材料只承担活载内力；与原梁钢筋相比，其应变严重“滞后”。极限状态下，其强度的发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下达不到其抗拉强度设计值。
计算表明，对原梁高度较小、配筋率较大的情况，加固设计以混凝土压应变达到极限值控制设计，在极限状态下，后加补强材料的应力仅为700～800MPa，此值只相当碳纤维抗拉强度标准值的(21．2％～24．2％)；对原梁高度较大、配筋率较小的情况，加固设计以原梁钢筋应变达到极限值0．01控制设计，在极限状态下，后加补强材料的应力也只有2000MPa左右，此值相当碳纤维抗拉强度标准值的60％。由于受原梁变形限制，在极限状态下高强复合纤维的高抗拉性能根本无法充分发挥作用，造成一种极大的浪费。而且，不加分析的盲目增加后补强材料的用量，加固后构件可能发生超筋脆性破坏，设计是不安全的。
2.2作用原理
为了提高碳纤维材料的利用效率及增强旧桥加固效果，对碳纤维材料施加预应力是一种有效的办法。
碳纤维预应力加固的作用原理为，利用锚固粘贴于被加固梁体上的碳纤维布条(或板条)对梁体施加预应力，改善加固梁的受力状态，其关键技术是解决适应于桥梁现场施工的预应力纤维布(或板)的张拉、锚固问题，目前这种加固体系尚处于试验研究阶段。
2.3技术特点
①高强高效。由于FRP优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。
②线膨胀系数与混凝土接近，保证了温度变化时，FRP与混凝土可以协同工作。
③施工便捷、工效高、没有湿作业，不需大型施工机具，施工占地少，施工效率高。据有关资料统计，粘贴FRP是粘贴钢板施工工效的4～8倍。FRP轻质柔软，易贴附，与粘贴钢板相比其施工质量更易保证。
④不增加构件的自重和体积。FRP质量轻且厚度很薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重和尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间。
⑤具有很好的耐腐蚀性和耐久性能。试验表明：碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维具有良好的耐腐蚀性和耐久性，可以抵抗建筑物中经常遇到的酸、碱、盐等对结构的腐蚀。使用此材料加固后，不仅不需要对其进行定期维护，而且其本身更可以对内部混凝土结构起到保护作用。
⑥适用面广。可广泛用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁隧道、涵洞、烟囱等)、各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、各种结构部位(如梁、板、节点、拱、壳、墩等)的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，这是目前任何一种结构加固方法都不可比拟的。
三、预应力桥梁的施工工艺问题
1、近几年桥梁施工工艺存在诸多问题，应力混凝土的早期强度，通常会掺和早强剂，一般浇注砼后就会开始张拉预应力，而增长砼强度需要一些时间，由于与弹性模量并非同步增长，早期砼变形大，引起预应力损失较大，直接导致桥梁承载力的不足，出现常见的裂缝现象。
2、在预应力桥梁施工现场，有时候会采用试块方法测量出早期砼强度等级来盲目替代现场结构的实际砼强度，据某些资料显示，运用这种方法会使实际强度无法达到现场测得的强度，时高时低，而导致一些事故的结构。通常张拉力的计量所采用的1.5级油压，它的误差比较大，甚至有的千斤顶没有计量标定就开始张拉，张拉人员基本都不是专业人士，施工人员存在施工不仔细、不专心或盲目施工的现象，由此导致时常出现读表出现差错或存在较大的误差，发生张拉力高低不均的现象。特别是在多束张拉时，由于不同束的张拉力并不是统一的形式，这往往对预应力筋的伸长值计算不够精准，弹性模量取值比较混乱，实际张拉时很难把将伸长量控制在规定范围内，进而导致张拉力失控。
3、预应力孔道压浆质量也是一个值得分析的问题，在实际工程中，预应力孔道的压浆不够饱满，密实度不符合标准，漏浆和漏灌现象相当普遍，这已然成为了预应力结构的通病。出现这种局面的主要原因，除了施工单位对孔道压浆工序重视度不够之外，目前国内的压浆工艺、浆体配置、留孔质量等也存在着一定问题，主要是浆体的水灰比，距离相关规定值偏大。采用规范中所规定的水灰比以后，孔道浆体出现泌水，孔道不易密室和饱满。
四、结语
预应力技术随同时代的进步，经过许多专家不断研究及创新，不仅在理论上更在实际工程中被广泛应用在道路和桥梁等大型工程中，预应力技术的发展，同时也存在一些问题，通过资料显示及实际调查发现，由于张拉工艺不到位，孔道和锚具质量不合规范等一些原因，造成预应力桥梁施工中仍存在许多不足，需要进一步研究以保证施工的质量以及日后公路桥梁在使用当中的表现。