橋梁體外預應力加固施工技術

張基成

（徐州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 徐州 221000）

1 工程概況

體外預應力加固技術是通過提高結構組件的承載力，實現(xiàn)橋梁結構加固的目標。本文以某大橋建設工程項目為例，對橋梁體外預應力加固技術進行全面分析。該橋梁總設計長度為218.4m。橋梁的上部結構為55.9m+90m+55.9m預應力混凝土連續(xù)剛構，主梁為單箱單室截面，箱梁的頂部寬12m，底部寬6m，橋墩高度為5.4m。整個橋梁的高度按拋物線變化。箱梁設計為三向預應力結構形式，其中：豎向的橋梁預應力采用螺紋鋼筋加固；橫向的橋梁預應力采用鋼絞線束加固。橋梁的下部設計為鋼混結構的薄壁墩身，重力式臺座。該項目中的2#橋墩設計為樁基礎，其他橋墩全部設計為擴大基礎。

通過對建成橋梁的全面檢查，發(fā)現(xiàn)該橋梁主要存在以下質量缺陷：梁體部分鋼筋暴露在空氣中，鋼筋銹蝕，混凝土振搗不密實，混凝土破碎，鋼筋保護層不符合設計要求，梁體表面存在裂縫，橋梁主跨的中間區(qū)域出現(xiàn)下?lián)系?。進一步對橋梁結構進行驗算后發(fā)現(xiàn)，箱梁的控制斷面的拉應力及抗彎承載力不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，同時橋梁的承載能力未達到公路-Ⅰ級標準。鑒于此，需要對橋梁采取加固措施，以保證其承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

施工單位結合現(xiàn)場實際情況以及設計要求進行全面分析后，決定采用體外預應力加固技術，主要原因為：①可以巧妙地消除部分恒載；②可以最大程度發(fā)揮加固材料的性能，提高橋梁結構的剛度及承載能力；③體外索的波動不是很大，為后期更換力筋提供了便利；④控制橋梁結構的撓度和裂縫，提高橋梁結構的抗裂性能；⑤便于掌控體外索的應力；⑥施工過程中不會對路面交通造成影響，且對橋梁運行的影響比較??；⑦施工機械設備組成簡單，可以縮短施工工期，經(jīng)濟性較好。

2 體外預應力加固施工技術原理

體外預應力加固法是在結構物體外設置預應力索，對結構主體施加外部作用力，以達到優(yōu)化當前結構主體受力的一種加固工藝。目前，常用的預應力索主要有鋼絞線、預應力碳纖維板、螺紋鋼筋鋼絲束等。這種加固技術的基本原理是在體外橋梁上部結構施加額外的預應力，借助預應力形成的轉矩作用力來抵消外部荷載形成的內力，實現(xiàn)內力卸載的目的，間接提升橋梁結構的強度、剛度，優(yōu)化橋梁的抗裂性能。

體外預應力加固法的特點主要是：①優(yōu)化了預應力筋曲線，在轉角部位與預應力筋連接，可以減少連接構件的摩阻損失，提升預應力的作用效率；②可以結合現(xiàn)場實際情況合理選擇預應力布設的位置，根據(jù)橋梁病害的具體情況選擇合理的加固方式；③由于加固組件自身的幾何尺寸較小，所以構件比較輕，可以小幅提高橋梁結構的承載能力；④加固構件不會與橋梁結構黏結，預應力波動不是很大，可以優(yōu)化橋梁結構的受力；⑤體外索可調換，從而便于運營期間的維修；⑥工藝簡單，不需要過多的設備和人力，且工期不長，具有良好的經(jīng)濟效益。

體外預應力加固法通常用于加固主梁抗彎和承載能力不足的橋梁，具有明顯的技術優(yōu)勢，能夠確保橋梁的安全性，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，因此得到了廣泛運用。

3 體外預應力加固施工技術要點

梁式橋結構是一種純彎結構，橋梁結構受到的荷載計算公式如下：

式（1）中：σ為荷載作用下橋梁梁體形成的預應力；M為荷載作用下主梁的彎矩；W為主梁截面的抗彎值。

結合該橋梁的建設要求以及目前的實際需求，加固目的主要為：①提高橋梁結構的承載力，保證承載力控制在合理范圍內[1-2]；②抵消箱梁部位混凝土的預應力，提升梁體的抗裂性能；③減小箱梁腹板部位的拉應力，避免橋梁結構繼續(xù)開裂；④優(yōu)化橋面線形，減緩主梁的下?lián)稀?/p>

目前常用的橋梁結構加固補強措施主要有擴大混凝土截面尺寸、鋪設碳纖維布、設置鋼板等，但是這些方法無法滿足該橋梁加固的實際需求。結合實際情況，加固材料屬于被動受力，這就意味著加固材料只承受活載，無法承受恒載，并且無法改變混凝土截面預壓應力，所以單一使用以上加固補強方法無法取得良好的效果。鑒于此，使用體外無黏結預應力技術對該橋梁進行加固，具體的加固措施為：在箱梁內設置體外縱向預應力鋼束，提高橋梁結構的承載力，以使加固后的橋梁路面達到公路-Ⅰ級標準。

3.1 體外預應力加固施工流程

體外無黏結預應力技術加固方法的施工流程為：測量箱梁體外預應力鋼束的安裝部位→對齒板、加勁肋板及轉向塊的位置進行測量放線→對箱梁頂板部位進行開孔作業(yè)→開鑿出齒板、加勁肋板及轉向塊部位的箱梁→鉆孔、清孔、孔內植筋→焊接、綁扎齒板、加勁肋板及轉向塊部位的鋼筋→安裝模板并澆筑齒板、加勁肋板及轉向塊部位的混凝土→混凝土養(yǎng)護→設置體外預應力鋼束→張拉預應力筋→封錨、防護→恢復箱梁頂板。

3.2 體外預應力筋布置

橋梁體外預應力筋的安裝位置和數(shù)量應結合受拉區(qū)域的受力狀況予以確定。對當前的橋梁結構進行分析，發(fā)現(xiàn)箱梁中跨部位的抗彎承載能力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，體外預應力鋼束全部為腹板彎起束。腹板彎起束需在橋梁跨中部位設置8束鋼絞線束，鋼絞線束的規(guī)格為19φs15.24mm，在兩側的邊跨分別設置8束鋼絞線束，鋼絞線束的規(guī)格為13φs15.24mm。結合實際情況，由于預應力筋的數(shù)量較多，可以分散式布設。所有的預應力鋼束全部經(jīng)鉆孔通過主墩橫隔板。預應力鋼束的張拉作用力取值為鋼絞線強度的60%，單根鋼絞線的張拉作用力為15.62t。成孔內的渣土、混凝土碎塊必須清理干凈。

3.3 錨固構造

（1）端部現(xiàn)澆錨塊

分析原設計圖可知，橫隔板的幾何尺寸偏大，施工人員無法直接在設計部位進行預應力筋張拉，加之預應力束比較多，為保證施工人員的人身安全以及工期不受影響，可以選擇使用現(xiàn)澆錨塊開展作業(yè)?？傊诓粫υ瓨蛄航Y構預應力鋼束造成影響的前提下，使用植筋技術進行施工，并在新舊混凝土交接部位開鑿剪力槽。

（2）墩頂錨固構造

沿墩頂進行鉆孔作業(yè)，沿線需要安裝預應力管道。管道安裝完成后，澆筑混凝土。

3.4 轉向裝置

由于必須保證完成體外預應力鋼束的水平折彎與豎向折彎，因此需要在箱梁中內置轉向設備。轉向設備利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工，在轉向設備的兩側各安裝5個隔斷板，隔斷板的厚度為80cm。

結合原鋼筋、預應力束、轉向塊及加勁肋板的具體位置，嚴格按照設計圖紙確定齒板的位置和尺寸，并進行水平面測量放線，用油漆進行標注。

為避免混凝土裂縫進一步擴張，在箱梁受拉區(qū)域的腹板部位鋪設鋼板，以此實現(xiàn)加固補強的效果。

3.5 頂板開孔

根據(jù)設計圖紙?zhí)峁┑你@孔位置，對橋梁路面進行鉆孔。在鉆孔作業(yè)之前，施工人員應先確定箱梁橫縱方向預應力筋的位置，保證不與受力區(qū)域產(chǎn)生沖突。

3.6 鑿毛處理

必須將轉向塊、頂板、鋼筋保護層及混凝土表面的碎屑清理干凈，用刷子對外漏的鋼筋做除銹處理，最后使用高壓水槍沖洗。

3.7 鉆孔機孔內處理

根據(jù)設計圖紙所示的加固部位，在齒板部位使用電錘鉆對盲孔進行清理，清孔的深度不小于20cm，盲孔的直徑約為22mm。將孔內的渣土、混凝土碎塊清理干凈，鉆孔質量需滿足設計及規(guī)范要求。

3.8 種植齒板鋼筋

利用種植錨固構件連接錨筋，將攪拌均勻的膠黏劑裝置在注射器內，由盲孔底部開始作業(yè)，將藥劑注入孔內。清理干凈錨筋表面的油漆或鐵銹，然后將齒板錨筋緩慢插入盲孔底部，保證錨筋在盲孔內的長度不小于20cm，其他部位的錨筋按照以上方法施工。鋼筋表面必須清理干凈，確保不存在油漬、鐵銹。

3.9 焊接齒板構造鋼筋

待膠黏劑固化后，開始綁扎其他部位的鋼筋，使齒板部位形成鋼筋骨架。一般情況下，膠黏劑的固化時間主要受所處的環(huán)境溫度影響，大概為2～60min。

3.10 澆筑新增齒板

當鋼筋骨架形成后，開始安裝齒板、轉向塊、肋板部位的模板，兼顧預埋鋼管的位置，然后澆筑混凝土，形成整體性的結構構件。混凝土澆筑過程中，嚴格按照規(guī)范要求進行振搗作業(yè)，保證混凝土硬化后不會表現(xiàn)出蜂窩、麻面。

3.11 混凝土養(yǎng)生

待混凝土澆筑完成且強度達到初凝強度以后，方可進行灑水養(yǎng)護作業(yè)。當養(yǎng)護至設計強度的85%以后，施工人員開始進行張拉作業(yè)。

3.12 新增預應力穿束

預應力鋼束穿束之前，對墩頂部位的橫隔板進行開孔，然后穿束。穿束過程中應保證鋼絞線保護套不被損壞。

3.13 張拉預應力束

當預應力鋼束穿束作業(yè)結束后，開始對預應力筋進行張拉。為保證相同部位預應力張拉過程中，不會出現(xiàn)彈性壓縮損失，應保持鋼束的預應力一致。施工人員應嚴格按照規(guī)范要求進行作業(yè)，張拉設備需由具備專業(yè)資質的第三方單位進行標定，張拉作業(yè)中嚴格控制伸長量，并注意觀察力度，避免出現(xiàn)異常[3]。

3.14 體外預應力束防護

待預應力鋼束張拉作業(yè)完成，將保護膜套在張拉端，以實現(xiàn)防護效果，并方便二次張拉作業(yè)。

4 跨中增設橫肋局部應力分析

箱梁中跨跨中增設橫肋后，Midas FEA局部應力分析有限元模型見圖1。

圖1 增設橫肋后局部應力分析模型

當加固的橫肋安裝完成以后，合龍?zhí)幍淖畲筘Q向作用力為1.51MPa，橫向拉應力為0.98MPa，主拉應力為1.88MPa，底板底層橫向拉應力為1.17MPa。結果表明，跨中合龍段中間底板倒角處拉應力顯著降低，增設橫肋和體外預應力后跨中合龍段局部應力得到明顯改善。

5 施工質量控制措施

5.1 梁體鉆孔

該項目需要在梁體表面鉆眼，使用沖擊電錘進行施工，若只由單側向另一側鉆進，那么當電錘的鉆頭在不足5cm部位時，另一側的混凝土可能會由于電錘的沖擊作用而崩落，出現(xiàn)一個漏斗形的孔口，從而影響梁體質量。因此，在對梁體進行鉆眼時，當鉆頭距離另一側10cm左右時，開始從另一側進行對鉆作業(yè)，同時避免出現(xiàn)螺栓錯臺現(xiàn)象。實際鉆孔過程中，電錘應始終與梁體保持垂直，這樣可以有效保證孔的垂直。當鉆孔順直以后，則可保證螺栓與梁體垂直。

5.2 梁體的鑿毛打磨

梁體需要鋪設鋼板，在需鋪設部位對已經(jīng)受風化影響的松散混凝土表面進行鑿毛處理，鑿至漏出新鮮混凝土即可。鑿毛表面必須足夠平整，鑿毛面邊緣部位的凹痕控制在5mm以內。

5.3 鋼板的粘貼錨固

在鋪設鋼板之前，使用毛刷將混凝土鑿毛面的表面顆粒清理干凈，然后涂刷酒精。螺栓安裝之前保證表面足夠潔凈、無污漬，然后使用丙酮擦洗。將鋼板表層打磨光滑、干凈，直至露出金屬的光澤。此外，還必須保證金屬的紋路與受力方向垂直。

在安裝螺栓的過程中，先在螺栓安裝孔內填充黏結膠，再安裝螺栓。為保證黏結膠不會因為螺栓安裝被擠壓出來，使用與螺栓直徑相同的橡膠板封堵另一側孔。在鋪設鋼板的過程中，對混凝土表面進行處理，然后在鋼板表面涂抹膠層，再開始鋪設鋼板。黏結膠應沿著鋼板邊緣部位被擠壓出來。

6 結語

綜上所述，體外預應力加固技術的施工效能比較顯著，可以大幅度提高橋梁的抗彎承載性能，減小橋梁的主梁受力，促使混凝土裂縫迅速閉合。體外預應力加固技術目前已經(jīng)發(fā)展成熟，在實踐過程中可以高效發(fā)揮加固、卸載及減小結構內力的優(yōu)點，適合大范圍推廣。使用體外預應力加固技術對橋梁結構進行加固，可確保橋梁的荷載滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且加固效果比較顯著。本文的研究希望可以為同類項目施工提供參考。