混凝土連續(xù)橋梁體外預應力加固技術(shù)研究

劉杰

（廣東省公路建設有限公司南環(huán)段分公司，廣東廣州 510000）

1 工程概況

九江互通GK0+777.628匝道橋位于國道主干線廣州繞城公路南環(huán)段，上跨佛開高速公路主線。該橋起點樁號為GK0+213.864，終點樁號為GK1+62.874，總長849.01 m。全橋共劃分為七聯(lián)，第五聯(lián)上部結(jié)構(gòu)為預應力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室結(jié)構(gòu)，跨徑組合為32 m+34 m+32 m，梁高為2.10 m。頂板寬12.50 m，頂板厚28 cm。底板寬7.20 m，底板厚25 cm。腹板厚40 cm，在中支點附近加厚到60 cm。箱梁懸臂長2.65 m，端部厚16 cm，根部厚45 cm。下部構(gòu)造采用獨柱墩、雙柱墩，肋式橋臺，墩臺均為鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁設計。

2 橋梁存在病害及成因分析

2.1 橋梁存在的病害情況

本橋于2010年12月建成通車，2015年度檢查報告顯示：15#孔梁底存在大量橫向裂縫，裂縫越靠近跨中分布越密集，裂縫寬度在0.08～0.24 mm不等，個別裂縫為L型裂縫和U型貫通裂縫；箱梁右翼板存在較多橫向裂縫，左翼板存在較少裂縫；箱梁的左右腹板都存在較多裂縫，且靠近跨中部位比較密集。

16#孔梁底L/4～3L/4處存在16條橫向裂縫，其寬度在0.08～0.16 mm不等，個別裂縫與腹板豎向裂縫相連形成“L”型裂縫[1]。左右翼板分別存在7條、8條橫裂，裂縫寬度在0.1～0.14 mm；左右腹板均存在6條豎向裂縫，裂縫寬度在0.08～0.14 mm，大多分布在橋孔L/4～3L/4處。

17#孔梁底L/4～3L/4處存在11條橫向裂縫，寬度在0.08～0.14 mm，且在底面中間存在一條長8.5 m、寬0.1 mm的縱向裂縫；左翼板存在7條橫向裂縫，右翼板存在3條；腹板豎向存在較少裂縫和2處蜂窩。

2.2 加固思路

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的帶裂縫的工作狀態(tài)將“削弱”其使用效能，加固措施的首要任務是在恢復原有結(jié)構(gòu)的使用功能的基礎上，適當提高結(jié)構(gòu)的可靠度與耐久性，因此九江互通GK0+777.628匝道橋第五聯(lián)加固的目標為85規(guī)范汽-超20、掛-120汽車荷載標準，原結(jié)構(gòu)達到預應力混凝土A類構(gòu)件；在04規(guī)范情況下極限承載能力滿足要求。

對第5聯(lián)采用主動加固的方式進行加固，通過施加體外預應力，以提高箱梁結(jié)構(gòu)的預應力度，改善梁體結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性[2]。

體外預應力采用4根15-17環(huán)氧涂覆無粘結(jié)鋼絞線，索體由無粘結(jié)鋼絞線經(jīng)扭絞并熱擠?HDPE護套而成，轉(zhuǎn)向器采用集束式轉(zhuǎn)向器（后期可整體換索），錨具采用A15-17規(guī)格。體外預應力布置位置見圖1。

3 箱梁體外預應力加固施工

3.1 開孔作業(yè)

（1）箱梁梁底開孔

（2）橋面開孔

根據(jù)箱內(nèi)新增錨固橫梁，轉(zhuǎn)向塊的位置，復核現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在橋面開一個直徑14 cm的孔。此孔可作箱內(nèi)通風及澆筑混凝土時用。

（3）橫隔梁開孔

開孔工具采用抽心鉆。按照圖紙數(shù)據(jù)，用平水儀在橫隔梁兩側(cè)箱內(nèi)放出索孔位置。先用40 mm小鉆頭在對應索孔位置鉆孔，直至導孔鉆通。根據(jù)導孔完成質(zhì)量情況，再用160 mm鉆頭進行鉆孔。

圖1 體外預應力布置位置（單位：cm）

3.2 預應力齒板及轉(zhuǎn)向塊制作

（1）施工方樣

按照設計圖紙所提供的參數(shù)，在箱梁內(nèi)使用紅漆和墨線放樣出錨固橫梁、轉(zhuǎn)向塊、限位減震器等位置，并標注出鉆孔植筋的具體位置。

（2）新舊混凝土接觸面打磨、剪力槽設置

為保證新舊混凝土接觸面的連接性能，需要在新舊混凝土結(jié)合面進行鑿毛和刻槽?；炷帘砻骅徝疃炔恍∮? mm，剪力槽尺寸為6 cm×4 cm，間距為17.5 cm。

（3）鉆孔植入錨固鋼筋

鉆孔位置按照設計要求控制放樣，植筋孔采用手提沖擊鉆進行，采用小振動施工工藝，以保證不損傷箱梁。按照設計要求的錨筋埋深和鉆孔直徑來控制鉆孔深度和大小。鉆孔的深度不小于設計深度。

（4）鉆孔前必須先用鋼筋探測儀對原結(jié)構(gòu)鋼束和鋼筋進行探測、定位，必要時應對孔道位置進行適當調(diào)整，以避開鋼筋位置，但不減少鋼筋根數(shù)。

（5）鉆孔完成后用高壓空氣和毛刷對成孔進行清理，保證種植錨筋前孔內(nèi)無灰塵，保證錨筋的錨固效果。

（6）植筋膠采用進口A級膠。正式種植前，模擬種植錨筋，按鋼筋插入工藝進行設置，并進行拉拔試驗。

3.3 模板安裝

（1）骨架形成后，按照加厚段形狀立模。施工模板擬采用木模板，模板必須具有足夠的強度、剛度，并保證錨固橫梁和轉(zhuǎn)向塊的形狀、尺寸準確。

（2）模板要求平整、接縫嚴密、裝拆容易、操作方便，如有縫隙需塞堵嚴密，以防跑漿。

（3）立模時采取可靠、牢固的支撐措施，防止跑模、漏漿。

3.4 混凝土澆注

（1）錨固橫梁和轉(zhuǎn)向塊混凝土均采用C50補償收縮自密實混凝土。

（2）項目施工前，進行混凝土配合比設計?；炷恋呐渲贸獫M足技術(shù)規(guī)范及設計圖紙的要求外，還要滿足施工的要求。

（3）混凝土內(nèi)添加聚丙烯晴纖維，摻入量為每立方米混凝土摻入0.9 kg。

（4）混凝土澆注前需將模板內(nèi)的雜物清除干凈。模板、鋼筋檢查合格后方可進行混凝土的澆注。

（5）混凝土澆筑前30 min在原混凝土面噴涂界面劑。

（6）對混凝土進行養(yǎng)護，養(yǎng)護用水為自來水，配備箱內(nèi)儲水設施供水以保證養(yǎng)護條件，采用覆蓋養(yǎng)生薄膜灑水保濕養(yǎng)生方式，養(yǎng)生時間不小于7 d，并嚴格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50—2011）有關規(guī)定進行。

（7）混凝土澆筑時應留足混凝土試件，同條件養(yǎng)護和標養(yǎng)7 d與28 d。

3.5 預應力鋼束安裝和張拉

（1）材料送檢

體外索進場后，對鋼絞線、夾片等材料進行送檢，送檢合格后再使用。

（2）智能張拉系統(tǒng)標定

張拉前將整套智能張拉系統(tǒng)送到具有相應資格的單位進行標定，并出具標定報告。千斤頂和油表要配套標定和使用。

（3）鋼絞線下料與安裝

本次項目鋼絞線采用環(huán)氧涂無粘結(jié)M15-17鋼絞線成品索和可調(diào)可更換型TSK15-17錨具。

a.鋼絞線的下料：按照設計圖紙計算鋼絞線下料長度，進行鋼絞線的切斷下料工作。下料長度的計算要考慮鋼束曲線長、錨夾具長度、千斤頂長度及外露工作長度等因素，按相應索號分別做好標記，要統(tǒng)一編號、掛牌。鋼絞線下料采用手提式砂輪切割機切割，禁止采用電弧切割。

b.穿束前要對預埋管道進行清理。穿入預應力管道的各股鋼絞線，必須順直、無交叉。

c.在14#墩附近橋面開孔，使用卷揚機將體外索往箱內(nèi)牽引。體外索一端通過卷揚機牽引穿過各跨內(nèi)的轉(zhuǎn)向塊、橫隔板后穿入17#墩處錨固橫梁內(nèi)，再反向牽引另一端穿入14#墩處的錨固橫梁內(nèi)[3]。

d.安裝錨具和夾片：將鋼絞線逐根穿入錨具的孔眼內(nèi)，然后將錨具順著鋼絞線推至錨墊板處，并靠緊。將夾片套入鋼絞線上，并推入錨頭的錐形孔中。

e.安裝千斤頂：將與錨具規(guī)格相對應的限位板套在鋼束上，并推至錨頭處，將張拉千斤頂懸掛在一活動支架上，用2個梳形導向叉，將鋼絞線梳分，使鋼絞線的分布與千斤頂內(nèi)的孔眼對準，并使其順利穿過千斤頂盤孔。

3.6 預應力鋼束張拉

體外索采用應力控制方法張拉時，伸長值進行校核，實際伸長值與理論伸長值的差值必須符合設計要求，設計無規(guī)定時，實際伸長值與理論伸長值的差值控制在±6%以內(nèi)，否則暫停張拉，待查明原因并采取措施予以調(diào)整后，方可繼續(xù)張拉。

體外索張拉時，伸長值從初應力時開始量測。索的實際伸長值除了量測的伸長值外，必須加上初應力以下的推算伸長值。體外索張拉的實際伸長值 ΔL（mm）可按式（1）計算。

式中：ΔL1為從初應力至最大張拉應力間的實測伸長值（mm）；ΔL2為初應力以下的推算伸長值，可采用相鄰級的伸長值。

體外索的理論伸長值計算ΔL（mm）可按式（2）計算。

式中：K取0.004，μ取0.09，建議現(xiàn)場進行摩阻試驗，實測μ值。

混凝土養(yǎng)護齡期達7 d及混凝土強度達到設計強度的95%后，方可張拉預應力鋼束，具體施工如下：

（1）張拉操作工藝

a.預應力鋼束的張拉順序，應使結(jié)構(gòu)受力均勻、同步，所以在張拉過程中應遵循同步、對稱、兩端同時張拉的原則。預應力鋼束設計張拉順序為N1→N2，箱梁底板板兩側(cè)左右對稱張拉。

b.安裝錨具時應注意工作錨環(huán)對中，夾片均勻打緊并外露一致，千斤頂上的工具錨孔位與齒板端部的工作錨孔位排列要一致，以防在千斤頂穿心孔內(nèi)打叉。

c.安裝張拉設備時，應使張拉力的作用線與孔道中心線末端的切線重合。

d.張拉操作步驟：每根鋼絞線單根對稱張拉至0.10 P，以此作張拉伸長值測量基點δ0→整束初張拉至0.5倍設計張拉力P→持荷5 min→量測延伸量δ1→張拉至設計噸位P→持荷5 min→量測延伸量δ2→達到設計噸位后開始回油→量測延伸量δ3，在每級張拉時需分級持荷觀察。

e.張拉時，每個截面都應盡量避免滑絲、斷絲現(xiàn)象，如有發(fā)生，其數(shù)量不大于截面總數(shù)的1%，且任何情況下不允許出現(xiàn)整根鋼絞線拉斷，否則應換索重拉。

f.張拉完成后，回油，依次拆卸工具夾片、工具錨、千斤頂和限位板。

（2）張拉伸長值的量測

張拉伸長量測量以智能張拉系統(tǒng)記錄為主，人工測量為輔。人工測量使用測量精度≤1 mm的標尺測量。

（3）伸長值校核

如果實際伸長值超出計算伸長值的-6%～+6%，則應暫停張拉，并需與設計單位共同處理后，方可繼續(xù)張拉。伸長值校核應在張拉過程中同時校核。

（4）灌漿、封錨

預應力鋼束張拉完成后，在密封筒內(nèi)灌注環(huán)氧砂漿，并在保護罩內(nèi)涂抹防腐油脂，然后安裝保護罩。

（5）安裝減震器

鋼絞線張拉完成后，根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，量測鋼絞線中心距箱梁底板距離，據(jù)此加工減震器高度。減震器加工完成后，按照圖紙設計位置使用螺栓錨固在箱梁底板上。

（6）封錨

錨頭兩端的多余鋼絞線使用手提砂輪機進行處理，不可使用電弧切割或者是氣割。

（7）安裝防松裝置

將防腐油脂按照設計的要求灌注好，將灌漿管和施工設備連接好，并將其與工作錨板上面的注漿口進行緊密連接。當防腐油脂從另一端的出漿口流出后，則說明防腐油脂已注滿。

（8）安裝保護罩

錨頭兩端多余的鋼絞線使用手提砂輪進行平整，不可使用電弧切割。在對錨頭進行防腐處理時，需使用油脂進行作業(yè)，并將保護罩安裝好。

4 加固后靜載試驗結(jié)果

2017年12月，委托廣東交通集團檢測中心對加固后的九江互通GK0+777.628匝道橋進行靜載試驗。根據(jù)加固后靜載試驗結(jié)果，得出結(jié)論：

（1）加固后靜載試驗各工況的撓度校驗系數(shù)和應變校驗系數(shù)均滿足《試驗規(guī)程》的常值范圍要求。

（2）靜載試驗過程中裂縫寬度略有增大，但卸載后裂縫基本能恢復，且各工況的相對殘余變位和相對殘余應變均滿足《試驗規(guī)程》小于20%的要求。

（3）A-A、C-C截面的梁底應變平均值與鋼板應變平均值基本一致，說明加固鋼板能夠與原結(jié)構(gòu)協(xié)同作用；通過加固前后試驗數(shù)據(jù)對比，試驗過程裂縫擴展寬度較加固前小，說明加固措施對裂縫有一定的抑制作用；同時加固后各工況撓度和應變校驗系數(shù)較加固前小，說明結(jié)構(gòu)受力有明顯改善。

綜上所述，加固后該橋滿足85規(guī)范汽車-超20級、掛車-120的設計荷載要求。

5 結(jié)語

綜上所述，本工程采用體外預應力加固技術(shù)對橋梁工程進行加固后取得了良好的加固效果，降低了道路使用過程中出現(xiàn)裂縫和下?lián)系那闆r，提高了橋梁結(jié)構(gòu)荷載能力，延長了公路橋梁的使用年限，具有較高的推廣應用價值。