1、有粘结预应力加固工作原理及实用设计方法高性能抗拉复合砂浆（ HTCM）的开发与应用张树仁 卫 红一、概述众所周知，桥梁结构自重较大，一般均采用带载加固，构件自重及恒载由原梁承担，活载由加固后的组合截面承担。桥梁加固薄弱构件承载力计算，应考虑分阶段受力特点，后加补强材料只承担活载引起的内力，其应变（即应力）相对滞后，一般情况下，在极限状态时其应力达不到抗拉强度设计值，特别是采用直接粘贴高强复合纤维加固时，复合纤维的高强抗拉性能根本无法充分发挥作用， “大马拉小车”是一种极大的浪费。桥梁加固薄弱构件承载力计算应考虑带载加固分阶段受力特点是桥梁加固设计的常识性核心问题，但是在以往及至现在的某些加固设
2、计中常忽略桥梁带载加固分阶段受力的特点，过高地估计了后加补强材料的作用，设计是不安全的。经过这几年的不断宣传，这一观点已逐渐为广大工程技术人员所接受，这对提高桥梁加固设计的科学性是十分重要的。解决后加补强材料应变（即应力）滞后，提高后加补强材料利用效率的根本途径是对后加补强材料施加预应力，做成预应力加固体系。桥梁结构预应力加固体系的结构形式主要有三种：（1）体外预应力加固体系采用布置在梁体外部（或箱内）的预应力钢筋（钢绞线或高强度粗钢筋）对梁体施加预应力。体外预应力加固是成熟技术，在国内外已普遍采用，其关键技术是体外预应力筋的张拉、锚固和防腐蚀处理。（2）高强复合纤维预应力加固体系采用锚固、粘
3、贴在梁体外部（或箱内）的高强复合纤维布条（或板条）对梁体施加预应力。这种加固体系目前尚处于试验研究阶段，其关键技术是解决适应于桥梁加固现场施工的预应力纤维布（板）的张拉和锚固问题。（3）有粘结预应力加固体系采用锚固于梁体上的高强度钢丝或小直径粗钢筋，对梁体施加预应力，然后喷注具有一定抗拉性能的复合砂浆，将预应力钢筋与被加固梁体粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系。韩国 MS 公司采用 SRAP 工艺是有粘结预应力加固体系的典型代表之一。预应力筋张拉后喷注的 AP 砂浆具有较高的抗拉强度和粘2张树仁： 电话 0451- 通信地址：哈尔滨工业大学 (二区)2524 信箱 邮编卫 红： 电话 010
4、- 结强度，收缩变形小，抗碳化能力强。AP 砂浆将预应力钢筋与被加固梁体粘结为一体，保护钢筋免于锈蚀，可提高结构的耐久性。 目前，韩国 MS 公司采用的 AP 砂浆和预应力钢筋全部从国外进口，工程造价偏高，市场竞争力受到一定的影响。适应国内桥梁加固市场的需求，研究开发具有一定抗拉性能和较高粘结强度的复合砂浆和适用于国产小直径预应力钢筋的锚固、张拉系统具有现实意义。二、有粘结预应力加固体系工作原理及材料特性有粘结预应力加固体系是采用锚固于被加固梁体上的高强钢丝或小直径高强钢筋施加预应力，然后喷注具有一定抗拉强度的复合砂浆，将预应力钢筋与被加固梁体粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系（图 1） 。
5、 螺 丝 帽高 性 能 复 合 砂 浆被 加 固 混 凝 土 梁 体支 承 角 钢 预 应 力 钢 筋图 1：有粘结预应力加固示意图SRAP 工艺采用的预应力钢筋为 3.2，4.8、6.3 和 8.0 的镀锌软钢丝，其抗拉极限强度为 1571.41486.8Mpa，靠锚固于梁体上的支承角钢固定，采用螺旋扣环拉紧器或测力板手扭进螺帽进行张拉。预应力钢筋张拉后，喷注氧化铝聚糖树脂砂浆（简称为 AP 砂浆） ，将预应力钢筋与被加固梁体粘结为一体。AP 砂浆是一种具有较高强度，密实性好，抗腐蚀性能强的多功能复合砂浆，其主要试验资料摘录于表 1。表 1：AP 树脂砂浆主要试验结果M (0.2.7)Lco
6、n:混凝土的极限压应变，对 C50 及以下混凝土，取 ；cu 03.cu混凝土受压区矩形应力图高度系数，对 C50 及以下混凝土，取。8.010系数， ；h012h一期荷载作用下，原梁受拉钢筋的应变；1s一期荷载作用下，原梁受压翼缘顶面混凝土压应变；c分别为按开裂的钢筋混凝土计算的原梁换算截面重心轴至受压crxJ边缘的距离（即混凝土受压区高度）和惯性矩。一期荷载引起的弯矩设计值， ，此处 为构件1dMGKdM2.1GK自重及恒载引起弯矩标准值。应该指出上面给出极限状态下后加预应力钢筋应力 的取值与预应力钢pu筋的混凝土受压区高度界限系数 有关，对于正常张拉（ ）.bp0.56conpkf:的情
7、况， 可按桥规 JTG-D62取值，即对高强钢丝、钢绞线取 ，.bp .4b精轧螺纹钢取 。若张拉控制应力过小， 值应按下式计算 2：.04.bp对钢丝和钢绞线 （9） 0.21bpdecucufE对精轧螺纹钢 1bpdecufE（10）采用有粘结预应力加固钢筋混凝土受弯构件的承载能力极限状态设计可分为配筋设计和承载力复核两种情况。（1）配筋设计配筋设计的主要内容是根据按加固要求的设计荷载标准计算的弯矩组合设计值 ，按主要控制截面的正截面抗弯承载力要求，确定预应力钢筋截面面doM积 。pA这时，可首先取 ，代入公式（2）解二次方程，求得混凝土受压区pduf高度，若 ，且 时，所得 x 即为所求
8、，将其代入公式（1） ，求01hxsb0hxb得所需预应力钢筋截面面积 Ap。- 11 -若所得 ，但 时，应将 的计算表达式（5）和（6）代01hxsb2obphxpu入公式（2） ，解三次方程，重新计算 ，并将其代入公式（5）和（6）求得x值。然后，将所得 和 值代入公式（1） ，求得所需的预应力筋截面面积pupu。A（2）承载力复核对已经初步设计好的截面进行承载力复核的目的是确定加固后的截面所能承受的弯矩设计值，判断结构的安全程度。这时，首先取 ，代入公式（1）求得混凝土受压区高度 ，若所得pduf x，且 时，所得 即为所求，将其代入公式（2） ，求得该截面1osbhx2obhxx所能
9、承受的弯矩设计值 ，若 ，说明该截面的承载力满足要求。duMdodu若所得 ，但 时，应将 的计算表达式（5）和（6）代1osbx2pbxpu入公式（1） ，解二次方程，重新计算 ，并将其代入公式（5）和（6）求得x值。然后，将所得 和 值入公式（2） ，求得该截面所能承受的弯矩设计pupu值 ，若 ，说明该截面的承载力满足要求。dMdodu2、正截面抗裂性验算按新颁布的桥规 JTG-D62规定，正截面抗裂性是以荷载短期效应组合下混凝土法向应力控制的，对部分预应力 A 类构件应满足 的要0.7stpctkf求，式中， 为荷载短期效应组合（对简支梁st）下，截面受拉边缘的拉应力； 为截面受120
10、.7/()SGKQKQKMM pc拉边缘的有效预压应力； 为混凝土的抗拉强度标准值。tkf对加固构件而言，加固前原梁已开裂，混凝土中拉应力得到释放，对裂缝进行化学灌浆处理，加之预加力的作用，将使原有裂缝闭合。可以近似的认为，只有活载效应引起拉应力增量 扣除有效预压应力 后的剩余拉应力（tpc）超过混凝土或灌缝胶体的抗拉强度时才会出现新的裂缝。tpc采用有粘结预应力加固的钢筋混凝土受弯构件正截面抗裂性应满足下列要求：12原梁受拉边缘处 （11）.10.7tpctkf加固后截面受拉边缘处 （12）.2.ttM式中： 在可变荷载频遇值效应（对简支梁为 ）.1t 120.7/()QKQKM作用下，原梁
11、受拉边缘的拉应力，其数值按下式计算：12.1 02027/()()QKQKt hxJ（13）在可变荷载频遇值效应作用下，加固后截面受拉边缘的拉应.2t力，其数值按下式计算：12.2 02027/()()QKQKt MMhxJ（14）原梁受拉边缘的有效预压应力，其数值按下式计算： pc0101()pepcNhxAJ（15）原梁混凝土或灌缝胶体的抗拉强度标准值；tkfHTCM 砂浆的抗拉强度标准值；.tm包括冲击系数影响的车辆荷载引起的弯矩标准值；1QKM人群荷载引起的弯矩标准值；2按全截面参加工作计算的原梁换算截面重心至受压边缘的01.xAJ距离，换算截面面积和惯性矩；相对原梁换算截面重心的预加
12、力偏心距；01pe扣除预应力损失后的有效预加力 ；eN()peconlpNA按全截面参加工作计算的加固后换算截面重心至受压边缘02.xJ的距离和惯性矩；- 13 -3、使用阶段的应力验算按新颁布的桥规 JTG-D62的规定，有粘结预应力加固的钢筋混凝土受弯构件，尚应进行持久状况使用阶段的应力验算。其内容包括混凝土法向压应力和预应力钢筋应力计算，并控制其小于规范规定允许值。使用阶段应力验算时，荷载效应取其标准值，不计分项系数，车辆荷载应考虑冲击系数影响。采用有粘结预应力加固的钢筋混凝土受弯构件使用阶段的应力验算，应考虑分阶段受力特点。（1） 一期荷载效应（构件自重和恒载效应）作用下的应力计算桥梁
13、加固一般采用带载加固，一期荷载由原梁承担，在一期荷载作用下，原梁受拉区已经开裂，但构件仍处于弹性工作阶段。一期荷载效应引起的截面应力，可采用开裂的钢筋混凝土换算截面几何性质 ，按材料力学公式计算。crJ截面上边缘的混凝土压应力为 1GKcxMJ（16）式中， 为按开裂的钢筋混凝土计算的截面重心至受压边缘的距离。x（2） 预加力引起的截面应力计算在预加力作用下原梁全截面参加工作，截面应力可采用全截面参加工作的原梁换算截面几何性质（ ） ，按材料力学公式计算：01,AJ截面上边缘混凝土的预拉应力为 0101peptNxAJ（17）（3） 活载作用下截面应力计算活荷载由加固后组合截面承担，截面应力可
14、采用全截面参加工作的换算截面性质（ ） ，由材料力学公式计算02J截面上边缘混凝土压应力为 12200QKcMxJ（18）预应力钢筋的应力增量为 12020()PQKpEhxJ（19）式中， 为预应力钢筋与混凝土的弹性模量之比。PE14将上述应力叠加后，应满足下列规定：混凝土的压应力 12()0.5cptctkf预应力钢筋拉应力 对钢丝、钢绞线 ().6conlppkf对精轧螺纹钢 08l（二）斜截面抗剪加固补强设计采用有粘结预应力加固的钢筋混凝土受弯构件斜截面加固补强设计，一般以斜截面抗剪承载力控制设计，必要时还应进行斜截面抗裂性验算。1斜截面抗剪承载力计算在文献5中笔者曾给出了考虑分阶段受
15、力影响的采用直接粘贴钢板（或其他高强复合纤维）进行斜截面加固的钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力计算公式。对于采用有粘结预应力进行斜截面加固的情况而言，二期荷载效应引起的后加补强材料的应力增量提供的抗剪承载力 仍可参照文献5 给出的公式计算，pV极限状态下后加竖向预应力筋提供的抗剪承载力为 ，()pconvlpvAV式中 为与斜截面相交的后加竖向预应力筋的截面面积； 为竖向预pvA.l应力筋张拉控制应力和应力损失。对于采用有粘结竖向预应力加固钢筋受弯构件的斜截面抗剪承载力计算公式，可改写为下列形式：30103. 2.45(.6)07.71sin . .0()dcs cuksvdvpvsbdbdsVs
16、bpvconvlpvVhpffAfAm（20）式中： 斜裂缝对混凝土抗剪承载力降低系数，其数值按下列规定采用：cs加固前未出现斜裂缝者，取 ；加固前斜裂缝宽度小于0.89cs0.2mm 者，取 ；加固前斜裂缝跨度大于 0.2mm 者，取0.835cs；0.78cs异号弯矩影响系数，对连续梁（或悬臂梁）中间支点承受异号弯1- 15 -矩区段取 ；10.9受压翼缘影响系数，对矩形截面 ，对具有受压翼缘的 T331.0形或工字形截面，取 。3.考虑钢筋腐蚀影响的箍筋和弯起钢筋屈服强度降低系数，其数值svb按公式（4）计算。加固后承受的二期荷载产生的剪力设计值。2dV剪跨比， 。m0dMVh与斜截面相
17、交的箍筋截面面积；sVA与斜截面相交的弯起钢筋截面面积；sb与斜截面相交的竖向预应力筋的截面面积，若后加补强钢板为pv倾斜 方向布置，应以 代替。45/cos45pvA最后应特别指出，上面给出的桥梁加固薄弱构件斜截面抗剪承载力计算公式，是以剪压破坏形态的受力特征为基础建立的。为此，构件的截面尺寸应满足下列要求：（21）30.0.51dcukVfbh式中， 为由拟提高的荷载标准求得的计算截面的最大剪力组合设计值。d公式（21）实际上是规定斜截面加固补强的上限值。设计时，首先应按公式（21）进行截面尺寸复核，只有在满足公式（21）要求的前提下，进行斜截面加固才是有效的。且不可不加分析的用盲目增加竖
18、向预应力筋或粘贴钢板（其它纤维复合材料）截面面积的方法，无限制地提高斜截面的抗剪承载力，这样将发生脆性斜压破坏，设计是不安全的。2斜截面抗裂性验算按新颁布的桥规 JTG-D62规定，斜截面抗裂性是以荷载短期效应及预加力作用下的主拉应力控制的，即 。对加固构件而言，考虑(0.67)tptkf原梁开裂、灌缝处理及预加力的影响，可不考虑构件自重对结构后续抗裂性的影响。采用有粘结预应力加固的钢筋受弯构件斜截面抗裂性可按下式控制：16混凝土的主拉应力为：（22）2. (0.78)2cxycxytp tkf为在纵向有效预加力 及可变荷载频遇值效应cx peconlpNA 作用下，所求之点的法向压应力，其数
19、值可按下式计算：120.7/()QKQKM（23）0112001 02.7/()pepQKQKcx MyyAJJ式中， 为所求主应力之点至按全截面参加工作计算的原梁换算截面和后012.y加固换算截面重心的距离。为后加竖向预应力筋引起的竖向压应力，其数值由下式计算：cy（24）.()convLVpvyAbS式中： 单肢竖向预应力筋的截面面积；pvA竖向预应力筋的间距；S为可变荷载频遇值效应 作用下，所求主应力之点 120.7/()QKQKV的剪应力值，其数值可按下式计算：（25）12002.7/()QKMSJb式中： 所求主应力之水平纤维以上（或以下）部分截面面积对加固后换02S算截面重心轴向面
20、积矩；腹板侧面补强砂浆的总厚度；Mb原梁混凝土的抗拉强度标准值，考虑加厚补强砂浆的斜裂缝的抑tkf制作用，将控制系数由（0.60.7）提高为（0.70.8） 。腹板补强砂浆层的主拉应力为：（26）2. .(0.67)cxcxtpm tkMf- 17 -式中： 可变荷载频遇值效应 作用下，所求应力cx120.7/()QKQKM之点的法向压应力：12002.7/()QKcx yJ（27）可变荷载频遇值效应 作用下，所求主应力 12.7/()QKQKV之点的剪力值，其数值按公式（25）计算；HTCM 砂浆的抗拉强度标准值。.tkmf参考文献（1） 中华人民共和国行业标准 公路钢筋混凝土及预应力混凝土
21、桥涵设计规范（JTG D622004） 北京 人民交通出版社 2004（2） 钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理按新颁公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D622004）编写张树仁 郑绍珪 黄侨 鲍卫刚编著 北京 人民交通出版社 2004（3） 桥梁加固薄弱构件正截面强度试验研究 张树仁 王潮海 土木工程学报 1994 年第 4 期（4） 桥梁加固钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算方法及试验研究 张树仁 宋建永 张颂娟 中国公路学报 2003 年第 3 期（5） 桥梁加固薄弱受弯构件承载能力极限状态计算 张树仁 宋建永 王 彤 公路交通科技 2004 年第 6 期（6） 体外预应力加固钢筋混凝土受弯构件实用设计方法 18李鸿威 张树仁 王 彤 公路 2003 年第 9 期
