體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在某連續(xù)梁加固施工中的應(yīng)用

王京杭

（中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061）

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在某連續(xù)梁加固施工中的應(yīng)用

王京杭

（中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061）

近年來有多座連續(xù)梁出現(xiàn)跨中下?lián)?、腹板或底板裂縫、承載力不足等病害，危害到橋梁結(jié)構(gòu)和橋面車輛通行安全，需要進(jìn)行加固處理。體外預(yù)應(yīng)力計(jì)算理論和施工技術(shù)日趨完善，被廣泛應(yīng)用于連續(xù)梁加固施工項(xiàng)目。文章通過某工程實(shí)例闡述體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，并結(jié)合實(shí)際加固效果對(duì)該技術(shù)進(jìn)行分析，為今后類似項(xiàng)目提供參考。

連續(xù)梁；體外預(yù)應(yīng)力；加固施工；施工監(jiān)控

1 概述

連續(xù)梁橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、施工便捷、行車舒適、養(yǎng)護(hù)較為簡單等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)理論和施工工藝方面屬于較為成熟的橋型之一，被大量應(yīng)用于國內(nèi)工程項(xiàng)目建設(shè)［1］。近年來已有多座投入使用的連續(xù)梁出現(xiàn)跨中下?lián)稀⒏拱寤虻装辶芽p和承載力不足等病害，危及到橋面車輛通行和橋梁結(jié)構(gòu)安全。

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是通過增設(shè)的體外束張拉，以提高原結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力水平，改變原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，抵消部分恒載應(yīng)力，起到卸載作用，從而大幅提高橋梁承載能力［2］。相較于常規(guī)加固方法，體外預(yù)應(yīng)力是一種主動(dòng)加固方法，在提高結(jié)構(gòu)剛度、減小結(jié)構(gòu)變形、阻止裂縫發(fā)展、延長橋梁結(jié)構(gòu)壽命方面有顯著效果。文獻(xiàn)［2］中的某互通立交橋（30 m+40 m+30 m 3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁）、文獻(xiàn)［3］中的江陰大橋北引橋（50 m+75 m+46.5 m 3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁）等，均采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)受損橋梁進(jìn)行了加固，在改善橋梁結(jié)構(gòu)受力和提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性方面收效顯著。本文通過某工程實(shí)例闡述體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，并結(jié)合實(shí)際加固效果對(duì)該技術(shù)進(jìn)行分析，為今后類似項(xiàng)目提供參考。

2 工程概況

江蘇北部某京杭運(yùn)河大橋主橋?yàn)椋?2+100+62）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主梁采用單箱單室截面，C50混凝土。箱梁根部高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板寬12.75 m，底板寬6 m，翼緣板懸臂長為3.375 m。箱梁高度從距墩中心1.8 m處到跨中合龍段中心按1.8次拋物線變化。箱梁0號(hào)塊長度為6.8 m，箱梁頂板厚度為0.28 m，底板厚度從0.30～0.8 m按1.8次拋物線變化，腹板厚度根部為0.8 m、跨中處為0.5 m。主橋上部箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力采用18Φs15.2的鋼絞線束，鋼束張拉錨下控制應(yīng)力σcon=0.73fpk（1 357.8 MPa）；橫向預(yù)應(yīng)力采用3Φs15.2規(guī)格的鋼絞線束，設(shè)計(jì)張拉力195.3 kN；豎向預(yù)應(yīng)力采用JL32高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度785 MPa，設(shè)計(jì)張拉力568 kN。主橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某京杭運(yùn)河大橋主橋結(jié)構(gòu)布置圖（單位：cm）

檢測發(fā)現(xiàn)主橋箱梁存在底板橫向、縱向裂縫，腹板斜向、豎向裂縫，頂板縱向裂縫，橫隔板斜向裂縫；箱內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨頭處預(yù)應(yīng)力筋外露；邊跨底板裂縫附近存在不同程度的空鼓現(xiàn)象，主橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為4類。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，主橋箱梁主要采用體外預(yù)應(yīng)力（以下簡稱“體外束”）加固方法提高主梁承載能力，阻止底板橫向裂縫和腹板斜向、豎向裂縫發(fā)展。方案為兩側(cè)62 m邊跨每箱各布置6束12-7Φ5環(huán)氧涂層鋼絞線體外束，100 m中跨布置8束12-7Φ5環(huán)氧涂層鋼絞線體外束。體外束張拉控制應(yīng)力為0.6fpk，即1 874.9 kN。

3 體外束施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 錨固塊制作安裝

錨固塊是體外束結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的受力部位，其施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到體外束結(jié)構(gòu)能否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。本橋體外束錨固塊采用輕型鋼結(jié)構(gòu)錨固塊，主要由鋼錨箱、粘貼鋼板、高強(qiáng)錨栓和灌注膠組成，相較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有恒載小、聯(lián)接可靠、施工快捷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)［4］。

體外束系統(tǒng)中錨固塊的主要傳力途徑為：錨板→傳力板→焊縫→底座鋼板→高強(qiáng)錨栓→箱梁混凝土。其中鋼錨箱為預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉端或錨固端的直接受力結(jié)構(gòu)，錨板、傳力板和底座鋼板均為高強(qiáng)鋼板，材質(zhì)均勻，受力較為明確，施工過程中主要控制鋼板材料質(zhì)量，鋼錨箱施工質(zhì)量主要由焊縫質(zhì)量決定。傳力板和底座鋼板的焊縫一般要求為一級(jí)全熔透焊縫，多采用CO2氣體保護(hù)焊接工藝。由于板材厚度較大（一般為16 mm或20 mm），焊接過程中一般采用雙面坡口的方式更容易達(dá)到要求；若采用單面坡口焊接，需要在坡口下方加陶瓷墊板。鋼板開坡口主要通過坡口機(jī)、碳弧氣刨或半自動(dòng)氣割機(jī)實(shí)現(xiàn)，開完坡口后要將坡口上的掛渣、油污、塵土、浮銹等清理干凈。傳力板和底座鋼板焊縫長度較長，鋼板構(gòu)件尺寸較大，焊接過程中為防止破口處鋼板因局部受熱不均導(dǎo)致變形，可采取小型鋼板臨時(shí)固定待焊鋼板。正式焊接時(shí)，宜采用打底焊和多層多道焊，每道焊接均進(jìn)行清根處理，以避免夾渣或變形。最后用焊條電弧焊或埋弧焊進(jìn)行照面焊，因?yàn)檫@兩種焊接焊縫成型美觀。

在早期錨固塊的設(shè)計(jì)中，鋼錨箱底座鋼板通過粘鋼膠和高強(qiáng)錨栓直接與箱梁混凝土基面連接。后經(jīng)改進(jìn)，在混凝土基面和鋼錨箱底座鋼板之間增設(shè)一塊與底座鋼板尺寸相同、厚度為5～6 mm的粘貼鋼板。這主要是為后續(xù)鋼錨箱安裝提供平整度較好的基面，可大大提升鋼錨箱的安裝效率，同時(shí)也可有效控制底座鋼板下方的灌注膠用量。

體外束錨固塊安裝是個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)綜合考慮各個(gè)工序之間的銜接和相互影響，特別是高強(qiáng)錨栓植筋、粘貼鋼板安裝、鋼錨箱安裝施工環(huán)節(jié)，更應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制。常規(guī)做法是現(xiàn)場梁體混凝土基面放樣、開孔和粘貼鋼板、鋼錨箱底座板（多為工廠加工）同時(shí)施工，混凝土鉆孔位置和鋼板開孔位置均按設(shè)計(jì)圖紙制造。這樣可節(jié)約施工進(jìn)度，但施工質(zhì)量難以保證，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)因錨栓孔位不正，錨栓植筋傾斜，導(dǎo)致粘貼鋼板和鋼錨箱底座板無法安裝的情況。

通常情況下，高強(qiáng)錨栓植入混凝土后，外露長度較短，想通過后續(xù)糾正的方法對(duì)錨栓垂直度進(jìn)行調(diào)整非常困難。本橋錨固塊安裝采取如下流程：混凝土基面鋼筋探測→鉆孔位置調(diào)整（必須滿足設(shè)計(jì)要求）→錨栓鉆孔→錨栓植筋→混凝土面錨栓孔位拓?！迟N鋼板鉆孔→粘貼鋼板鉆安裝→粘貼鋼板面錨栓孔位拓?！鬃邈@孔→鋼錨箱安裝。上述施工流程比常規(guī)做法所需的施工時(shí)間略長，但可有效地實(shí)現(xiàn)工序質(zhì)量對(duì)整個(gè)錨固塊安裝的質(zhì)量控制，能最大限度地保證高強(qiáng)錨栓植筋垂直度、粘貼鋼板安裝和鋼錨箱安裝質(zhì)量滿足要求。

3.2 體外預(yù)應(yīng)力張拉

體外預(yù)應(yīng)力張拉是實(shí)現(xiàn)體外束主動(dòng)加固的最有效途徑。預(yù)應(yīng)力張拉施工前應(yīng)做好以下工作：錨固塊、轉(zhuǎn)向桁架安裝，鋼絞線穿束，張拉千斤頂和錨索計(jì)標(biāo)定，張拉控制力和伸長量計(jì)算。體外束張拉施工是較為成熟的常規(guī)工藝，結(jié)合本橋體外束施工實(shí)例總結(jié)如下：

（1）預(yù)張拉。體外預(yù)應(yīng)力鋼束一般長度較長（多數(shù)都在100 m以上），跨越多跨（多數(shù)2跨以上）箱梁。穿束完成后，受箱內(nèi)空間、鋼束長度和多次轉(zhuǎn)向影響，鋼束相互交叉干擾明顯。張拉分級(jí)時(shí)，可預(yù)先張拉至15%～20%，再放張至0%后，再實(shí)施分級(jí)張拉。放張時(shí)應(yīng)按先下層、后上層的順序?qū)嵤?/p>

（2）整體張拉順序。本橋體外束兩側(cè)邊跨各布置6束，主跨布置8束，鋼束在平面和立面位置均有交叉。正式張拉時(shí)采取先長后短、自上而下的順序?qū)嵤埨@樣可以避免上下層、左右側(cè)鋼束的疊壓影響，確保應(yīng)力均勻傳遞。

（3）單根張拉順序。本橋每束體外束均為12-7Φ5環(huán)氧涂層鋼絞線，受張拉端作業(yè)空間和張拉設(shè)備限制，單束鋼束張拉采用單根鋼絞線張拉工藝。單束鋼束鋼絞線橫截面布置如圖2所示。

圖2 12-7Φ5鋼束鋼絞線布置圖

單根鋼絞線張拉時(shí)，應(yīng)考慮相鄰鋼絞線傳力影響，不宜按照?qǐng)D2中所示編號(hào)依次順序張拉，可采用隔層跳號(hào)張拉（如1#→6#→8#→12#等）。單束鋼束中全部鋼絞線第一級(jí)張拉完成后，第二級(jí)張拉時(shí)應(yīng)采用與第一級(jí)相反的順序進(jìn)行張拉。

（4）張拉力。一般情況下，鋼束張拉力是按錨下應(yīng)力控制，施工過程中很難做到實(shí)測每束鋼束的錨下應(yīng)力，多數(shù)鋼束按張拉千斤頂?shù)挠捅碜x數(shù)控制張拉力。錨下應(yīng)力用壓力傳感器（又稱“錨索計(jì)”）測試，千斤頂油表是通過油壓換算得到力值；在鋼束錨固時(shí)，因夾片頂緊錨固和鋼絞線回縮，鋼束實(shí)際張拉力有所損失，但此時(shí)千斤頂已回油，不能準(zhǔn)確反映該損失量，容易造成實(shí)際張拉力偏小。實(shí)際張拉過程中，應(yīng)對(duì)不同鋼束型號(hào)、長度的鋼束采用壓力傳感器標(biāo)定千斤頂，得到每種鋼束的比例系數(shù)k，張拉時(shí)用油表換算的壓力乘以比例系數(shù)k得到的力值作為錨下實(shí)際應(yīng)力控制值。

（5）伸長量。相對(duì)于體內(nèi)索，體外束伸長量計(jì)算較為簡單，但需考慮轉(zhuǎn)向器、錨固塊分束管與鋼絞線之間的摩擦和轉(zhuǎn)向器處轉(zhuǎn)角造成的應(yīng)力損失影響。單束鋼束伸長量計(jì)算需按錨固點(diǎn)→轉(zhuǎn)向點(diǎn)、轉(zhuǎn)向點(diǎn)→轉(zhuǎn)向點(diǎn)、轉(zhuǎn)向點(diǎn)→錨固點(diǎn)分段計(jì)算累計(jì)得到。

4 體外束張拉施工監(jiān)控

為了實(shí)時(shí)掌握體外束張拉施工的加固效果，需要對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容主要包括主梁關(guān)鍵位置的豎向位移和關(guān)鍵截面的應(yīng)力。

4.1 監(jiān)控測點(diǎn)布置

采用空間有限元軟件ANSYS分析該京杭運(yùn)河大橋主橋體外束加固效應(yīng)，主要計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 體外束作用下底板縱橋向正應(yīng)力（半橋）（單位：MPa）

圖4 體外束作用下主梁豎向位移（單位：mm）

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，體外束加固引起主梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大部位位于主跨跨中和邊跨12#、13#塊交接處，主梁體外束張拉監(jiān)控截面布置如圖5所示。

圖5 體外束張拉主梁監(jiān)控截面布置圖（單位：cm）

考慮到主梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)理論計(jì)算值大小和測試儀器的精度，在監(jiān)控截面底板下緣布置應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，在監(jiān)控截面橋面布置變形監(jiān)測點(diǎn)，具體布置如圖6所示。

圖6 監(jiān)控截面測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

因箱梁邊跨和中跨鋼束布置有交叉，大橋箱內(nèi)共布置14束體外預(yù)應(yīng)力鋼束。在實(shí)施體外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)，為了確保預(yù)應(yīng)力逐步施加，結(jié)構(gòu)內(nèi)力緩慢均勻變化，將需要施工的14束體外束分級(jí)張拉。該京杭運(yùn)河大橋箱梁體外束完成預(yù)張拉后，正式張拉按照0→30%σcon→70%σcon→100%σcon分3級(jí)張拉。為簡潔有效地了解體外束分級(jí)張拉引起的箱梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將各監(jiān)控截面上下游實(shí)測數(shù)據(jù)（應(yīng)力和豎向位移）取平均值進(jìn)行分析。

體外束分級(jí)張拉時(shí)，箱梁豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，梁體豎向變形如圖7所示。

從表1中數(shù)據(jù)和圖7所示變形圖可以看出：分級(jí)施加體外預(yù)應(yīng)力，各跨箱梁豎向位移逐級(jí)增大，位移增長幅度與張拉力增量幅度基本一致；在100%σcon張拉力作用下，兩側(cè)邊跨豎向位移上拱值分別為6.2 mm、5.8 mm，占理論值比例為1.03、0.97，主跨豎向位移上拱值為7.2 mm，占理論值比例為0.92，表明由體外束張拉引起的箱梁豎向位移實(shí)測值與理論值吻合較好；邊跨實(shí)測值比例略大，與邊跨底板裂縫處的空鼓病害有一定關(guān)聯(lián)。

表1 體外束張拉箱梁豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 體外束分級(jí)張拉梁體豎向變形圖

體外束分級(jí)張拉時(shí)，箱梁監(jiān)控截面應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出：在各級(jí)體外預(yù)應(yīng)力作用下，各跨箱梁控制截面底板縱向正應(yīng)力穩(wěn)定增加，應(yīng)力增長幅度與張拉力增量幅度基本一致；在100%σcon張拉力作用下，兩側(cè)邊跨監(jiān)控截面底板實(shí)測應(yīng)力分別為1.99 MPa、1.86 MPa，占理論值比例為0.88、0.82，主跨監(jiān)控截面底板實(shí)測應(yīng)力為2.04 MPa，占理論值比例為0.79，表明由體外束張拉引起的箱梁底板縱向正應(yīng)力實(shí)測值與理論值吻合較好。

表2 體外束張拉箱梁監(jiān)控截面應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)

上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：該京杭運(yùn)河大橋主橋箱梁在施加體外預(yù)應(yīng)力后，各跨梁體均呈上拱，監(jiān)控截面底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備明顯增加，梁體豎向位移增量和控制截面底板縱向正應(yīng)力增量實(shí)測值與理論值吻合較好，體外預(yù)應(yīng)力加固效應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文以江蘇北部某京杭運(yùn)河大橋加固工程為例，重點(diǎn)介紹了體外預(yù)應(yīng)力施工關(guān)鍵技術(shù)和體外束張拉施工監(jiān)控情況。得出結(jié)論如下：

（1）體外預(yù)應(yīng)力施工關(guān)鍵技術(shù)在于錨固系統(tǒng)安裝和體外束張拉。錨固系統(tǒng)安裝應(yīng)特別注重焊縫、高強(qiáng)錨栓施工質(zhì)量和安裝工序的合理安排；體外束張拉應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注張拉順序、張拉力和伸長量等控制指標(biāo)。

（2）體外預(yù)應(yīng)力張拉施工過程中，應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算情況，有針對(duì)性地對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，既可指導(dǎo)施工，又可以驗(yàn)證加固效果。

（3）體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于連續(xù)梁橋加固工程,其設(shè)計(jì)理念易于被接受,施工工藝較為成熟，對(duì)今后類似橋梁加固有較好參考。

［1］余暉，從賀，王京杭.連續(xù)梁（剛構(gòu)）橋主跨底板施工監(jiān)控［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2011，8（3）：33-36.

［2］高琦，唐軍，葉見曙，等.連續(xù)箱梁的體外預(yù)應(yīng)力加固方法研究［J］.湖南交通科技，2008，34（3）：74-77.

［3］何任遠(yuǎn)，陽春龍，夏詠明.體外預(yù)應(yīng)力在江陰大橋北引橋加固中的應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，2006，增刊（2）：183-186.

［4］劉華，朱利明，張軍雷，等.體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土橋的鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系研究［J］.橋梁建設(shè)，2010（5）：28-31.

Application of External Prestressing Technology in Reinforcement Construction of A Continuous Beam

Wang Jinghang
（China Zhongtie Major Bridge (Nanjing) Bridge and Tunnel Diagnosis & Treatment Co. ltd, Nanjing 210061, China）

In recent years, the diseases with deflection in mid span, cracks in floor or web and lack of bearing capacity appear in many continuous beams, and produce harm to the structure of the bridge and the vehicle safety. So the reinforcement of the bridge is necessary. The calculation theory and construction technology of external prestressing are becoming more and more perfect, which is widely used in the reinforcement project of the continuous beam. This paper expounds some key problems in the technology of external prestressing reinforcement by the engineering example, and analyzes the technology in combination with the actual reinforcement effect, which provides reference for similar projects in the future.

continuous beam; external prestressing; reinforcement construction; construction monitoring

U445.7+2

A

1672-9889（2016）06-0072-04

2016-10-17）

王京杭（1982-），男，江蘇儀征人，工程師，主要從事橋梁檢測評(píng)估、加固技術(shù)工作。