混凝土連續橋梁體外預應力加固技術研究

劉杰

（廣東省公路建設有限公司南環段分公司，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，第五聯上部結構為預應力混凝土連續箱梁，單箱單室結構，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

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

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

體外預應力采用4根15-17環氧涂覆無粘結鋼絞線，索體由無粘結鋼絞線經扭絞并熱擠?HDPE護套而成，轉向器采用集束式轉向器（后期可整體換索），錨具采用A15-17規格。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

（1）箱梁梁底開孔

（2）橋面開孔

根據箱內新增錨固橫梁，轉向塊的位置，復核現場數據，在橋面開一個直徑14 cm的孔。此孔可作箱內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。按照圖紙數據，用平水儀在橫隔梁兩側箱內放出索孔位置。先用40 mm小鉆頭在對應索孔位置鉆孔，直至導孔鉆通。根據導孔完成質量情況，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 預應力齒板及轉向塊制作

（1）施工方樣

按照設計圖紙所提供的參數，在箱梁內使用紅漆和墨線放樣出錨固橫梁、轉向塊、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合面進行鑿毛和刻槽。混凝土表面鑿毛深度不小于6 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構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整，以避開鋼筋位置，但不減少鋼筋根數。

（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。混凝土的配置除要滿足技術規范及設計圖紙的要求外，還要滿足施工的要求。

（3）混凝土內添加聚丙烯晴纖維，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）對混凝土進行養護，養護用水為自來水，配備箱內儲水設施供水以保證養護條件，采用覆蓋養生薄膜灑水保濕養生方式，養生時間不小于7 d，并嚴格按照《公路橋涵施工技術規范》（JTG/TF50—2011）有關規定進行。

（7）混凝土澆筑時應留足混凝土試件，同條件養護和標養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）智能張拉系統標定

張拉前將整套智能張拉系統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氧涂無粘結M15-17鋼絞線成品索和可調可更換型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牽引。體外索一端通過卷揚機牽引穿過各跨內的轉向塊、橫隔板后穿入17#墩處錨固橫梁內，再反向牽引另一端穿入14#墩處的錨固橫梁內[3]。

d.安裝錨具和夾片：將鋼絞線逐根穿入錨具的孔眼內，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，設計無規定時，實際伸長值與理論伸長值的差值控制在±6%以內，否則暫停張拉，待查明原因并采取措施予以調整后，方可繼續張拉。

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，建議現場進行摩阻試驗，實測μ值。

混凝土養護齡期達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，應使結構受力均勻、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，箱梁底板板兩側左右對稱張拉。

b.安裝錨具時應注意工作錨環對中，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、斷絲現象，如有發生，其數量不大于截面總數的1%，且任何情況下不允許出現整根鋼絞線拉斷，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，在密封筒內灌注環氧砂漿，并在保護罩內涂抹防腐油脂，然后安裝保護罩。

（5）安裝減震器

鋼絞線張拉完成后，根據施工現場實際情況，量測鋼絞線中心距箱梁底板距離，據此加工減震器高度。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，并將保護罩安裝好。

4 加固后靜載試驗結果

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。根據加固后靜載試驗結果，得出結論：

（1）加固后靜載試驗各工況的撓度校驗系數和應變校驗系數均滿足《試驗規程》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構協同作用；通過加固前后試驗數據對比，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較加固前小，說明結構受力有明顯改善。

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

5 結語

綜上所述，本工程采用體外預應力加固技術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裂縫和下撓的情況，提高了橋梁結構荷載能力，延長了公路橋梁的使用年限，具有較高的推廣應用價值。