【摘要】體外預應力多應用于橋梁和建筑結構以及結構加固補強之中。本文對體外預應力加固混凝土梁的研究概況及加固機理進行了闡述，為以后的加固設計提供理論參考。

【關鍵詞】體外預應力；加固機理；等效荷載

現(xiàn)行《混凝土結構加固技術規(guī)范》（CECS 2590）中列出了加大截面加固法、外包鋼加固法、改變結構傳力途徑加固法、外部粘鋼加固法、預應力加固法等多種結構加固方法。其中體外預應力加固法已愈來愈受到人們的關注，它克服了采用其他方法加固時加固材料中普遍存在的應力效應滯后的缺陷，保證了新舊材料和結構的整體性與協(xié)同工作，是一種有效的主動加固方法。工程實踐表明：采用體外預應力法加固橋梁和房屋結構，不僅能提高其承載力，還可以減小撓度和裂縫寬度，提高結構的彈性恢復能力，并且具有施工簡便、不占用空間等特點[1]。

1、體外預應力加固梁研究概況

體外預應力是后張預應力體系的重要分支之一。傳統(tǒng)的后張預應力結構中，預應力筋總是埋放布置在混凝土截面之內，而體外預應力混凝土結構是將預應力筋布置于混凝土截面以外施加預應力的一種結構體系。

我國于1996年10月首次采用體外預應力技術對一孔跨度為27.7m的預應力混凝土梁進行了加固[2]。90年前后，東南大學以呂志濤為首的課題組，運用試驗方法對體外預應力加固梁進行了研究，通過梁的正截面抗彎加固、梁的抗剪加固的試驗研究和分析計算，對預應力加固梁進行了較為系統(tǒng)的研究，提出了預應力加固的設計計算方法[3]。1991年，杜世生、葉見曙、賴國麟等[4]提出了體外預應力加固鋼筋混凝土簡支梁的抗彎極限強度的計算方法。

1999年北京建筑工程技術研究中心劉航[5]等人做了“體外預應力加固混凝土框架梁的試驗研究”。其結論是鋼筋混凝土框架結構采用按其彎矩圖布置的折線體外預應力筋進行加固時，在正常使用極限狀態(tài)下，可以顯著減小梁的跨中撓度和裂縫寬度；在承載力極限狀態(tài)下，可以顯著提高原結構的抗彎極限承載力，效果好于直線體外預應力筋。2000年奉龍成和趙人達通過對12片體外預應力加固試驗梁的己有試驗結果的分析，認為其等效塑性區(qū)長度與破壞截面中性軸高度之比是基本接近一常數(shù)，在確定這一常數(shù)數(shù)值后，給出體外預應力筋的極限應力計算公式以及正截面強度的計算方法，公式對樣本試驗數(shù)據(jù)精度較高，但其他學者的試驗數(shù)據(jù)表明其等效塑性區(qū)長度與破壞截面中性軸高度之比浮動較大。

2、體外預應力加固原理及特點

體外預應力加固技術的基本原理是充分利用了混凝土抗壓性能，通過體外

預應力鋼筋對梁體施加預壓力，以預加力產生的反彎矩抵消部分外荷載產生的

內力，從而達到改善結構使用性能并提高其極限承載能力的目的。

和其他加固方法相比，體外預應力加固具有以下的優(yōu)點[6]：

（1）對原結構損傷較?。?/p>

（2）沒有濕作業(yè)，預應力筋布置簡單，施工方便快捷；

（3）體外預應力加固，無需增大斷面，不會影響建筑空間；

（4）對橋梁加固施工過程中，可以不封閉交通；

（5）增加恒重不多，可以能動地調節(jié)原結構中的應力狀態(tài)，達到有效加固的目的；

（6）預應力筋的保養(yǎng)、檢查方便。使用過程中還可根據(jù)情況對預應力筋進行更換、調整；

（7）可加固超筋截面；

（8）可調整截面內應力，適宜于加固由溫差引起嚴重裂縫的大梁；

（9）可充分發(fā)揮高強材料的強度；

（10）下?lián)问嚼瓧U法可同時補強正截面強度和斜截面強度。

3、體外預應力加固梁受力性能分析

3.1 加固方法

將懸索結構的思想引入到預應力加固梁中，以高強鋼絞線作為“懸索”，將其放置在被加固梁的下方，再用剛性撐桿代替吊索對結構進行預應力加固（見圖3-1a）。顯然，為使預應力線形為拋物線，須使其受到均勻分布荷載，則撐桿必須連續(xù)分布。然而在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)，只能通過沿梁長度方向等間距設置一定數(shù)量的撐桿來近似模擬，這時鋼絞線不再是一條光滑的曲線，而是一條折線，每個折點在同一條拋物線上。撐桿的長度、位置和數(shù)量可以根據(jù)實際情況靈活布置。加固時，通過對懸索進行張拉施加預應力，此時撐桿在預應力作用下對梁提供向上的反力，以抵消原結構上部分或全部外荷載，達到卸載的目的。加固后，在新增荷載作用下，撐桿又和梁共同作用，分擔部分梁上部荷載。

通過以上描述可以看出，這種體外預應力加固法實際是通過鋼-預應力組合結構來實施的，即通過懸索（預應力筋）提供預應力，并利用鋼撐桿作為預應力的轉換構件，將預應力轉換為反向荷載作用在被加固梁上，分擔梁上的部分荷載。這種做法無疑提高了加固體系與結構的整體協(xié)調性。

3.2 加固機理

利用等效荷載的概念，將加固體系對原混凝土梁的作用視為等效荷載作用于原梁上，預應力筋和撐桿在折點和端點處所產生的等效荷載對被加固梁而言是外力，而就整個預應力加固梁而言卻是內力，用體外預應力加固簡支梁，張拉完畢后，體外預應力筋在加固梁中引起的附加內力自成平衡體系，不改變整體平衡。所以，撐桿在端點處所產生的等效荷載 不與外荷 平衡，而與預應力筋在其端部兩豎向等效荷載 相平衡， 并沒有傳入支座，即支座反力 不與 平衡，而與外荷載 平衡；預應力筋端部兩水平向等效荷載 自相平衡。由于 的作用，被加固梁由受彎構件轉為偏心受壓構件，加固后原梁的受力情況如圖3-1。

由圖3-1，預應力在錨固點的豎向分力 和撐桿的等效荷載 對原梁產生反向彎矩和反向剪力（圖中陰影部分所示），預應力在錨固端的水平分力對梁體施加偏心壓力，因此，施加預應力的結果，一方面對原梁起了卸載作用，另一方面，改變了原梁的受力特性，使其具備了彎壓構件的特性。這些預加力使梁體內儲備了一部分抗力，可以部分地抵消外荷載引起的內力，從而提高了原梁的承載力。

由此可見，體外預應力加固過程即是對原梁施加一組自平衡力系的過程，在這組自平衡力系中，所施加的外力自平衡，所產生的外力偶參與抵抗原梁所受的荷載彎矩，自平衡外力作用位置的合理分布，參與抵抗原梁所受的剪力和彎矩，減小截面內力和應力水平，改善原梁的裂縫和變形情況，達到加固目的。

結論：

體外預應力的加固過程即是對原梁施加一組自平衡力系的過程，在加固過程中，預應力鋼筋受拉，并且，由于預應力作用，梁截面應力減小，加固完畢后，預應力懸索能與原梁共同工作，克服了其它加固方法中存在的后加部分應力、應變滯后現(xiàn)象，提高了材料的利用率。

對于本文中的懸索加固體系，撐桿作為混凝土梁和預應力懸索之間的傳力構件，其剛度應當有足夠保證。一方面，其彈性支撐作用提高了加固梁的剛度，另一方面，其自身剛度的大小又影響著預應力懸索應力的變化程度。撐桿剛度越大，則其豎向壓縮變形越小，體外預應力懸索在荷載作用下的應力增量也就越高。

參考文獻：

[1]熊學玉.體外預應力結構設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]牛斌.鐵路混凝土梁的體外預應力加固.鐵道建筑，1997（12）.

[3]張繼文，呂志濤.預應力加固鋼筋混凝土簡支梁的受力性能與分析計算.建筑結構，1995（9）.

[4]杜世生等.體外預應力筋加固梁橋后抗彎極限強度的計算.華東公路，1991（4）：25一29

[5]劉航，李晨光，白常舉.體外預應力加固混凝土框架梁的試驗研究.建筑技術，Vol.30No.12，855一857.

[6]胡淳清，傅玉良.體外預應力特征及其在加固中的應用[J].淮陰工學院學報，2006.