PS-ECC加固技术机理及施工工艺研究
我国公路网中存在大量的中小跨径病桥、危桥需要通过加固来提高其承载力及耐久性，其中预应力加固技术的应用愈发广泛。文章提出了一种复合预应力加固方法——高强预应力钢丝-高性能水泥基纤维复合材料加固技术（简称PS-ECC加固技术）。介绍了该加固技术的基本特点，进行了其张拉、锚固等机理分析；并通过midas fea仿真分析，研究了PS-ECC技术加固前后模型梁的承载能力和延性变化；总结了该技术的施工工艺。研究表明：PS-ECC加固技术能够提高梁体的屈服点、承载能力，延长弹性阶段，有效改善梁体受力性能。并可实现小操作空间下张拉，施工简便，适用性较强。
目前，我国公路路网中约40％的桥梁运营超过20年，三、四类技术等级的中小跨径桥梁占比25％以上，危桥的数量体量较大。采用合理的加固技术提高其承载力及耐久性，延长桥梁的使用寿命是切实可行的解决之道。而且既有桥梁采取加固改造的费用相比桥梁的拆除新建，仅占到20%左右，具有显著的经济、社会意义。近年来，预应力加固技术在桥梁工程上的应用愈发广泛。使用外加预应力的方法可以使结构由受弯状态转变为压弯状态，消除或降低梁底拉应力，进而提高桥梁承载能力，达到主动加固技术的目的。不足之处在于存在应力集中大，容易对原结构造成损伤的特点。
一、PS-ECC加固技术
高强预应力钢丝-高性能水泥基纤维复合材料（PS-ECC）加固技术，是一种新型的复合加固技术，主要利用高强预应力钢丝提供预应力，并使用高性能水泥基纤维复合材料增强粘结、提供保护。主要服务于为数量众多的中小跨径桥梁病桥、危桥的抗弯加固。
PS-ECC加固技术把常规集中的预应力分散成均匀的钢丝应力，具有更小的锚具压力，更优化的应力分布。张拉锚固装置自身高度小，基本对原构件不造成任何损害，在受限的区域也可实现张拉锚固，方便安装、适用性强、施工简便。其覆盖层高性能水泥基纤维复合材料，具有高粘结能力和高密实度，提高被加固结构与外加钢丝之间的协同性、耐久性。外形也较美观、平整。
二、PS-ECC加固技术的机理分析
（一）张拉锚固机理
PS-ECC加固技术，利用张拉沿梁宽均匀布设的∅7mm平行高强预应力钢丝提供预应力；端头处巧妙利用对边铣扁空心传力螺杆，通过扭力扳手（免千斤顶方式）达到预应力钢丝的张拉；钢丝的锚固利用紧贴于梁底、小且“薄”的钢垫板实现。并在锚固完成后在其表面喷涂3~5cm厚的高性能水泥基纤维复合材料进行覆盖。其装置组成主要由张拉端及锚固端钢板、高强钢丝、对边铣扁空心传力螺杆、张拉加长六角螺母等组成。张拉锚固装置各构件如图2所示。
对边铣扁空心传力螺杆表面为能够受力自锁的梯形螺纹，传力及锚固可靠。利用其伸长时不转动的机械特征，配合扭力扳手施拧螺母致其轴向移动，从而达到高强钢丝张拉的目的。并在锚固完成后使用纤维增强水泥基材料材料进行覆盖。
（二）张拉过程控制
高强钢丝的张拉采用张拉力与伸长量双控。张拉力通过扭力扳手的扭矩值控制，伸长量通过实际测量钢丝的伸长量或测量对边铣扁空心传力螺杆轴向移动距离，加上初始应力前由应力应变关系计算得出的预应力钢丝理论伸长量。
1、张拉扭矩计算
扭力扳手的扭矩值与张拉力的关系通过试验实测得出。对于M10~M68的粗牙螺纹，扭力扳手的扭矩理论参考值按下式进行简化计算：
试验中实践证明，张拉前对螺杆表面润滑处理有利于扭转张拉。
2、钢丝下料长度计算
高强预应力钢丝的理论伸长量按下确定：
预应力钢丝下料长度可根据下式进行计算：
3、预应力损失情况
预应力钢丝的预应力损失计算中应考虑：预应力束锚固构造中的摩擦损失、锚具变形、预应力钢丝回缩和预应力钢丝的松弛损失等。通过PS-ECC加固预应力损失试验得知：24h预应力损失度为8.9%，总损失度处于合理的范围内。在张拉到位的第一个小时内预应力损失了3.9%，约占总预应力损失的44%，损失较快；在接下来的12个小时内，预应力有缓慢损失，12个小时损失了4.2%，占总损失的47%；并在第14个小时后趋于稳定，11个小时损失了0.8%，仅占总损失的9%，基本维持在一定数值。
三、PS-ECC技术抗弯加固分析
（一）PS-ECC抗弯加固模型建立
采用PS-ECC技术加固矩形截面钢筋混凝土简支梁，采用Midas Fea有限元软件建立了实体混凝土梁，分析加固前后适筋梁的抗弯性能。梁截面尺寸为b×h=200mm×240mm，跨度为l=3200mm，净跨度为3000mm，纵向受拉钢筋均为3Φ16。并建立了预应力及其锚固装置，预应力钢丝∅7，布置两根，张拉控制应力为0.7fpk=1169MPa。
（二）单元本构选择
材料的基本特性如下表所示：
混凝土本构关系采用总应变裂缝模型，在这种本构关系下混凝土的抗拉、抗压函数可以按规范或经验来定义，能够很好地模拟混凝土的实际受力情况。总应变裂缝模型中提供的受拉函数有弹性、常量、脆性、线性、指数、Hordijk、多线性。本次建模混凝土受拉模型选用脆性，即当混凝土的拉应力超过抗拉强度时拉应力不再增加，抵抗应力为零。
（三）结果分析
模型梁加载过程中的应力应变云图如下：
模型梁加载过程中的荷载-位移曲线如下：
加固前后梁的荷载-挠度曲线形状类似，开始段直线斜率较大，随着荷载的增大出现明显转折，斜率变小，有反弯段，有显著的屈服特征。相比原梁，预应力加固的试件L-2、L-3的屈服荷载明显增大，提高了约16kN，提高幅度超过20%，表明PS-ECC加固技术可以提高模型梁的屈服点，增强结构的受力性能，延长了弹性阶段。极限承载力对比发现，L-1梁的最大承载力为85.0kN，而L-2、L-3梁该值提高到约102kN，极限承载力提高了19.8%，表明PS-ECC加固技术在一定范围内可以提高适筋梁的极限承载能力。PS-ECC加固技术对梁体承载力的提高作用主要来源于预应力钢丝加固，ECC覆盖层对承载能力贡献较小，但对梁的延性有促进作用。
四、PS-ECC加固技术的施工工艺
PS-ECC加固技术的施工工艺流程主要分为三步：
1、锚固板的安装
混凝土表面处理→放样→定位锚栓位置→钻孔、清孔→植锚栓→安装锚固板。
在混凝土梁底确定拟加固范围，打磨平整，除去表面浮浆、油污等杂质。使用钢筋探测仪进行钢筋探测，锚固板平面螺孔位置应避开混凝土中主筋位置。在已定位标记点位置使用冲击钻钻孔，并用毛刷和压缩空气清孔。然后在在孔中埋置化学锚栓，等待其满足力学要求。安装锚固板前在贴合面平铺薄层环氧砂浆3~5mm，将锚固板套入锚栓，拧紧螺栓螺母。
2、预应力钢丝镦头及张拉
预应力钢丝下料→钢丝镦头→张拉装置安装就位→预应力张拉。
使用钢筋切断机或砂轮锯进行预应力钢丝的切割下料，穿戴对边铣扁空心传力螺杆和垫片，并在镦头器上进行两端镦头。然后将预应力钢丝安装就位。调整扭力扳手预设扭力值，使用扭力扳手分级拧紧螺母、逐级加载，张拉程序为:
3、ECC覆盖层的施工
在预应力钢丝锚固完成后施做覆盖层可以有效防止锚固件及钢丝的锈蚀，增强预应力钢丝同混凝土的握裹力，提高结构的耐久性及刚度，并在外观上易于被人们接受。在以下情况时应做表面覆盖层的施工：
①对安全等级要求较高的市政桥梁；
②车流量大、重车通行较多的桥梁；
③对桥梁底部的美观要求较高的桥梁；
④处于潮湿、酸性等恶劣环境或沿海地区等易引发钢材锈蚀地区的桥梁；
⑤设计中有明确要求做覆盖层的桥梁。
覆盖层的施工工艺顺序为：基层处理→界面粘结剂喷涂→材料配制→喷射混凝土→抹面→量测→补喷→平整→养护。
覆盖层施工采用人工抹面或喷射混凝土工艺完成。覆盖厚度不宜超过4cm。施做覆盖层前可对加固区域梁底喷涂界面粘结剂。
五、结论
（1）PS-ECC加固技术通过张拉高强预应力钢丝并采用ECC作为覆盖层，对预应力进行分散，具有更小的锚具压力，更优化的应力分布。可实现免千斤顶张拉，锚固装置轻巧、安装方便。主要服务于为数量众多的中小跨径桥梁病桥、危桥的抗弯加固。
（2）通过PS-ECC技术加固适筋梁的抗弯性能分析表明，加固后梁的极限承载力提高了19.8%。PS-ECC加固技术在一定范围内可以提高适筋梁的屈服点、承载能力，增强结构的受力性能。
（3）PS-ECC加固技术的施工工艺流程主要分为三步，预应力钢丝镦头及张拉是关键控制步骤。整体施工简便，可实现小操作空间下张拉，适用性较强。
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