后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)在T梁翼緣板斷裂加固工程中的應(yīng)用與研究

田國(guó)昌

(新疆公路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)中心有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 848000)

1 工程背景

1.1 工程概況

成都第二繞城高速公路東段A3合同段ZK47+780.27張家院大橋位于兩河口互通內(nèi),為左幅上跨陡斜坡而設(shè)立,上部結(jié)構(gòu)采用L=10～25 m預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制T梁;下部結(jié)構(gòu)橋墩采用鋼筋混凝土樁柱式圓墩,橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái);墩臺(tái)均采用挖孔樁基礎(chǔ)。張家院大橋因交通事故汽車碰撞護(hù)欄,在劇烈沖擊下導(dǎo)致3-7#T梁板翼緣板斷裂,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果顯示:3-7#翼緣板出現(xiàn)嚴(yán)重的功能性病害,翼緣板斷裂,且有繼續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì),裂縫寬度超限,滲水嚴(yán)重,鋼筋已經(jīng)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象,其他梁板完好無(wú)損,性能良好。

1.2 病害分析

該橋因交通事故汽車碰撞護(hù)欄,在劇烈沖擊下導(dǎo)致外邊梁梁板翼緣板出現(xiàn)裂縫。

T梁翼緣板在防撞護(hù)欄處的截面形式為變截面點(diǎn),汽車的撞擊直接作用在護(hù)欄上,由于護(hù)欄與T梁翼緣板是現(xiàn)澆連接,在外力的瞬時(shí)沖擊作用下,護(hù)欄的移位造成了翼緣板斷裂的部分處于T梁的端部,長(zhǎng)度5.5 m,且斷裂的位置在T梁翼緣板截面變化處,此處翼緣板的斷裂對(duì)T梁的承載力和完整性產(chǎn)生影響,屬于結(jié)構(gòu)性損傷。在車輛的強(qiáng)大撞擊力作用下,此位置處的翼緣板折斷,這是本橋病害產(chǎn)生的直接原因,張家院大橋T梁翼緣板斷裂,且有繼續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì),圖中可以看出,防撞護(hù)欄裂縫呈45°角向翼緣板深處發(fā)展,原因在于,車輛撞擊過(guò)程中,荷載呈一定角度傾斜撞擊防撞護(hù)欄,防撞護(hù)欄承受荷載后,將荷載傳遞至下部梁體,作用方向呈傾斜狀態(tài),由此可以看出,防撞護(hù)欄的設(shè)置在一定程度上分解了撞擊荷載對(duì)梁體的破壞作用,裂縫寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超限,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,撞擊產(chǎn)生的裂縫寬度最大達(dá)25 mm,裂縫深入梁體內(nèi)部,梁體表面混凝土剝落,深部裂縫已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范0.2 mm限制,受西南地區(qū)降雨影響,雨水深入梁體內(nèi)部,架立鋼筋出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象,表觀上即可觀測(cè)到鋼筋銹蝕情況,梁底變截面處滲水泛白,出現(xiàn)嚴(yán)重的功能性病害。由于T梁翼緣板的斷裂,造成護(hù)欄外傾嚴(yán)重,瀝青鋪裝開(kāi)裂及錯(cuò)位。翼緣板折斷后,折斷部分的翼緣板退出工作,降低了T梁的承載能力和工作性能,因此必須對(duì)翼緣板進(jìn)行加固。

1.3 加固方案比選

本橋T梁翼緣板局部斷裂等病害,其加固方案設(shè)計(jì)本著安全、使用、經(jīng)濟(jì)的原則,可以考慮以下方案。

方案一:對(duì)已破壞的梁體進(jìn)行鑿除處理,從翼緣板變截面處鑿除外傾防撞護(hù)欄及斷裂的T梁翼緣板,對(duì)已經(jīng)銹蝕的鋼筋進(jìn)行清除處理,通過(guò)植筋方式重新制作T梁翼緣板,并將新的防撞護(hù)欄現(xiàn)澆于翼緣板上部,恢復(fù)防撞護(hù)欄使用功能,普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆養(yǎng)護(hù)完成后,為加強(qiáng)重作部分混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力,在重作部分采用后張法設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋,施加部分預(yù)應(yīng)力,采用高強(qiáng)螺紋鋼作為預(yù)應(yīng)力筋,橫向穿插新老混凝土部分,保證結(jié)構(gòu)完整性,提高T梁翼緣板的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

方案二:更換受損T梁,重做護(hù)欄,由于本橋T梁翼緣板斷裂的部分處于T梁的端部,長(zhǎng)度5.5 m,且斷裂的位置在T梁翼緣板截面變化處,此處翼緣板的斷裂雖然對(duì)T梁的承載力和完整性產(chǎn)生影響。

表1為兩種方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比,采用方案一造價(jià)約為7.13萬(wàn)元,僅為方案二的46%,同時(shí)施工周期較短,不需要大型架橋機(jī),施工過(guò)程中的交通組織可采用半封閉交通,對(duì)通行影響較小。方案二整體拆除T梁存在造價(jià)高、工期長(zhǎng)、需要大型機(jī)械輔助施工等缺點(diǎn),施工過(guò)程中需封閉交通,臨時(shí)開(kāi)放其他通道。經(jīng)方案比選,采用方案一部分重做的方法進(jìn)行加固處理,拆除破損梁體后,通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋加強(qiáng)重作部分,可達(dá)到或甚至超過(guò)原T梁翼緣板的設(shè)計(jì)承載力。翼緣板位于車行道外側(cè),汽車荷載在此處作用較小,結(jié)構(gòu)上T梁功能性仍然能夠發(fā)揮得到較大程度發(fā)揮。

表1 方案對(duì)比經(jīng)濟(jì)技術(shù)標(biāo)表

為提高重作部分的T梁翼緣板的承載能力,提高其安全性及可靠性,經(jīng)優(yōu)化后的翼緣板的加固的技術(shù)關(guān)鍵有三點(diǎn)。

(1)采用施加橫向預(yù)應(yīng)力的方法,加強(qiáng)折斷的翼緣板與母結(jié)構(gòu)(原T梁)的連接,通過(guò)高強(qiáng)螺桿施加預(yù)壓力將重作部分的翼緣板緊緊地壓在母體結(jié)構(gòu)上。

(2)將原橋面鋪裝(10 cm混凝土+10 cm瀝青),改為15 cm預(yù)應(yīng)力混凝土+5 cm瀝青鋪裝,所用混凝土比原設(shè)計(jì)混凝土提高一個(gè)等級(jí),加厚翼緣板采用雙層鋼筋網(wǎng)混凝土鋪裝。通過(guò)加大翼緣板的厚度,加強(qiáng)鋼筋設(shè)置,提高混凝土等級(jí)等能夠大幅度地恢復(fù)或提高翼緣板的強(qiáng)度與剛度,這樣處理能保持原橋梁的的整體外觀上。

(3)為保證新舊混凝土的結(jié)合,在新舊混凝土的結(jié)合面上采用植筋連結(jié)技術(shù)。

2 施工工藝

2.1 工藝流程

(1)搭設(shè)滿堂支架,并預(yù)壓支架

T梁護(hù)欄因汽車撞擊造成翼緣板折斷,經(jīng)分析,翼緣板鋼筋已近屈服狀態(tài),因此應(yīng)拆除斷裂翼緣板,重新澆筑翼緣板?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)施工及翼緣板斷裂位置,本方案采用搭設(shè)滿堂支架的方式;為了防止?jié)仓幕炷潦怪Ъ茏冃?進(jìn)而造成新澆筑翼緣板變形,故在支模板前應(yīng)用新澆筑混凝土的2倍重量對(duì)支架預(yù)壓,測(cè)量其變形,腳手架布置。

(2)拆除防撞護(hù)欄、橋面鋪裝及斷裂翼緣板

防撞護(hù)欄及翼緣板采用一次鑿除的方法。采用風(fēng)鎬鑿眼,大錘敲碎的方法,禁止使用液壓沖擊式拆除,清除部分橋面瀝青混凝土層鋪裝和橋面鋪裝,實(shí)施鑿除作業(yè)時(shí),應(yīng)避免對(duì)T梁造成損害。橋面鋪裝拆除時(shí),為了防止橋面板被破壞,作業(yè)隊(duì)伍用采取手工鑿除20 cm厚混凝土及瀝青橋面鋪裝,暴露原有橫橋向鋼筋,但不可損傷原有鋼筋。

(3)澆筑翼緣板及橋面混凝土

根據(jù)設(shè)計(jì)要求澆筑橋面鋪裝及翼緣板混凝土,按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù),拆除的翼緣板及橋面鋪裝,重新澆筑時(shí)采用C50商品混凝土(原設(shè)計(jì)T梁混凝土為C40,相比原設(shè)計(jì)重建部分混凝土高一個(gè)等級(jí),且就高不就低的原則),防撞欄桿仍采用C30商品混凝土。C50商品混凝土所用砂、石料、水的技術(shù)質(zhì)量必須符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)條文規(guī)定?；炷链止橇蠎?yīng)采用級(jí)配良好的堅(jiān)硬碎石,普通混凝土最大粒徑不宜超過(guò)2 cm;混凝土細(xì)骨料宜采用中粗砂?；炷恋目箟?、抗拉強(qiáng)度及彈性模量等指標(biāo)必須滿足相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的要求。施工前應(yīng)進(jìn)行混凝土最佳配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn),并嚴(yán)格控制混凝土水灰比和坍落度,拌合混凝土的骨料的品質(zhì)、粒徑等必須嚴(yán)格篩選,綜合考慮施工順序、工期安排、環(huán)保影響等各種因素,通過(guò)試驗(yàn),保證混凝土強(qiáng)度。

(4)后張法高強(qiáng)螺桿施加預(yù)應(yīng)力

重新澆筑的翼緣板與原T梁混凝土之間僅靠普通鋼筋進(jìn)行連接,在長(zhǎng)期荷載作用下(或意外撞擊)很容易再次出現(xiàn)裂縫,再經(jīng)過(guò)雨水及空氣的侵蝕,橋梁就會(huì)出現(xiàn)安全隱患[4,5]。因此為了提高修復(fù)后的翼緣板的抗折能力,限制裂縫的發(fā)展,采用后張法施加預(yù)應(yīng)力的方案,對(duì)T梁翼緣板進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),確保其設(shè)計(jì)承載力高于加固前的水平,保證結(jié)構(gòu)的安全。現(xiàn)場(chǎng)先選取不參與受力、非重要位置或?qū)?lái)鑿除的混凝土進(jìn)行植筋,達(dá)到強(qiáng)度要求后,進(jìn)行抗拔試驗(yàn),檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以設(shè)計(jì)抗拔力不被拔出為準(zhǔn),此時(shí)混凝土完好即為合格,然后才可以批量操作。

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)同樣采用設(shè)計(jì)抗拔力不被拔出為準(zhǔn),同規(guī)格的鋼筋每100根隨機(jī)抽樣一組,每組3根,進(jìn)行試?yán)?如達(dá)到安全拉力鋼筋不被拉出,說(shuō)明植筋施工質(zhì)量合格。抽檢頻率應(yīng)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,按照不小于植筋總數(shù)的3%,且不少于5件進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢驗(yàn),在監(jiān)理的監(jiān)督下委托第三方進(jìn)行抽檢,根據(jù)規(guī)范要求,非破壞性檢驗(yàn)荷載取0.9Asfyk,其中As為植筋面積,m2,fyk為設(shè)計(jì)抗拔力,N[6,7]。

(5)支模,澆筑防撞護(hù)欄

梁板澆筑混混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,可澆筑鋼筋混凝土防撞護(hù)欄。綁扎防撞欄桿鋼筋時(shí)注意將橋面鋪裝橫向鋼筋與護(hù)欄鋼筋一起綁扎,鋼筋的焊接滿足規(guī)范要求。澆筑防撞護(hù)欄時(shí)應(yīng)注意預(yù)埋橋面鋪裝橋面橫向泄水管。

(6)瀝青路面修復(fù)(厚度4 cm)。

2.2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件擰緊力計(jì)算

螺桿結(jié)合面采用噴砂、砂輪打磨等方法進(jìn)行處理,摩擦系數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。摩擦面不允許有殘留氧化鐵皮,處理后的摩擦面可生成赤銹面后安裝螺栓(一般露天存放10 d左右),用噴砂處理的摩擦面不必生銹即可安裝螺栓[8,9]。采用砂輪打磨時(shí),打磨范圍不小于螺栓直徑的4倍,打磨方向與受力方向垂直,打磨后的摩擦面應(yīng)無(wú)明顯不平。摩擦面防止被油或油漆等污染,如污染應(yīng)徹底清理干凈

本預(yù)應(yīng)力構(gòu)件采用8.8級(jí)M20高強(qiáng)螺桿制作,其中一端固定在混凝土中,另一端自由,保留合適的施加扭矩的空間,且在自由端部分用套管進(jìn)行抱箍,以滿足螺桿因施加扭矩伸長(zhǎng)所需要的空間。

預(yù)應(yīng)力構(gòu)件預(yù)緊力矩Mt,N/m,計(jì)算公式為

Mt=K×P0×d×0.001

(1)

式中:K為擰緊力系數(shù);d為螺紋公稱直徑,mm;P0為預(yù)緊力,N,其中擰緊力系數(shù)K通過(guò)表2獲取。

表2 錨桿擰緊力系數(shù)表

設(shè)計(jì)每根螺桿張拉力為P0=136 kN,公稱直徑為20 mm,擰緊力系數(shù)為0.1,代入公式(1)得到每根螺桿擰緊力矩為Mt=K×P0×d×0.001=0.1×136×103×20×0.01=272 N·m,預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)埋位置,施工過(guò)程中需檢查實(shí)際的接點(diǎn)板疊是否貼緊,墊圈的配置是否正確,擰緊螺栓的操作是否符合螺母轉(zhuǎn)角法的規(guī)定,螺栓和螺母上做的標(biāo)記顯示是否達(dá)到了旋轉(zhuǎn)角度的要求。

2.3 施工注意事項(xiàng)

(1)施工期間應(yīng)做好交通組織維護(hù),確保交通期間施工安全。

(2)橋面鋪裝及護(hù)欄拆除過(guò)程中應(yīng)采用人工加機(jī)械拆除相結(jié)合的方法,應(yīng)循序漸進(jìn)的鑿除舊結(jié)構(gòu)物,避免拆除過(guò)程中對(duì)T梁造成二次傷害。

(3)安裝預(yù)應(yīng)力構(gòu)造措施時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工,確保施工質(zhì)量。

(4)施工期間由于設(shè)備的堆放、施工時(shí)各種構(gòu)造物及施工場(chǎng)地對(duì)現(xiàn)有道路的占用,影響道路通行能力,并在施工處驟然形成瓶頸。在此情況下,需要設(shè)置完善的交通組織指引系統(tǒng),引導(dǎo)車輛順利通過(guò)施工區(qū)域。并且需要提高設(shè)置疏導(dǎo)標(biāo)志發(fā)布前置消息,盡量疏導(dǎo)車輛行駛其他路段,減輕施工區(qū)域的交通壓力[10]。

3 結(jié) 論

后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁加固工程中使用廣泛,以成都第二繞城高速?gòu)埣以捍髽驑蛄阂砭壈鍞嗔鸭庸坦こ虨楸尘?總結(jié)了該工程中橋梁病害的成因及危害,通過(guò)方案比選后決定采用后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固,加固后的主梁能夠保證該橋正常使用且具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備,通過(guò)介紹了該橋梁加固工程,得到了以下結(jié)論。

(1)成都第二繞城高速?gòu)埣以捍髽蛞砭壈逭蹟嗟闹苯釉驗(yàn)檐囕v撞擊荷載,折斷部分的翼緣板退出工作,T梁的承載能力和工作性能受損,須對(duì)翼緣板進(jìn)行加固。

(2)后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固方案造價(jià)僅為整體更換梁體方案的46%,同時(shí)可節(jié)約43.9%的施工工期,具有造價(jià)低、施工難度小、工期短的優(yōu)點(diǎn),橋梁加固工程中應(yīng)用廣泛。

(3)后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固方案每根螺桿擰緊力矩為272 N·m,施工過(guò)程不需要大型架橋設(shè)備,施工更為便捷,施工時(shí)需做好交通組織維護(hù),確保交通期間施工安全。