體外預應力技術在某大跨度連續箱梁橋加固中的應用

龔斌文 閔紫超

南京新筑加固工程有限公司 江蘇 南京 210031

早在20世紀20年代，體外預應力技術即在混凝土橋梁的建設中得到了初步運用。但由于材料的耐腐蝕等技術問題一直未得到有效的解決，使得體外預應力的應用推廣在其后的一段時間里受到了很大的限制。近年來，隨著預應力材料的制造技術、施工技術和防腐蝕技術的持續發展，混凝土橋梁的維修加固項目越來越多地應用了體外預應力技術，如國內的井岡山大橋加固[1]、譚家梁子大橋加固[2]，日本的Kireuriwari高架橋加固等工程中，均采用了體外預應力技術對其進行維修加固。

1 工程概況

1.1 總體布置

本文所介紹的大橋于2009年3月初開工建設，并于2010 年12月初建成并正式通車。該橋梁全長594.2 m，分為東西兩幅，每幅橋面均設有行車道、超車道和緊急停靠車道，寬度為12.75 m。每幅橋梁包含3個部分：南引橋（6×30 m部分預應力連續箱梁），主橋（62 m＋100 m＋62 m變截面預應力混凝土箱梁），北引橋（6×30 m部分預應力連續 箱梁）。

1.2 橋梁病害基本情況

該大橋在經過近4年的運營后，主橋的部分承重梁體上出現了多條明顯的裂縫。經相關單位的檢測，發現主橋連續梁中跨中部底板出現橫向受力裂縫、腹板出現斜向裂縫等病害，并且裂縫病害呈不斷發展趨勢。經多次綜合分析和評價，上部主要承重構件梁體部分的技術狀況等級為4 類（嚴重），靜載試驗的結果表明，目前該橋結構整體的剛度雖可以滿足要求，但承載力不滿足設計的荷載要求。

1.3 無損檢測結果

1）混凝土強度：實測的抗壓強度推定值達到了C50，滿足設計強度的要求。

2）主梁底板鋼筋保護層厚度：實測鋼筋保護層厚度特征值與設計值的比值在0.40～0.53內，保護層厚度不符合設計值，鋼筋易失去堿性耐腐蝕層的保護，發生銹蝕。

3）構件尺寸：主梁結構尺寸實測值和原設計值基本 接近。

4）底板混凝土崩裂空鼓檢查：有10個塊件底板（箱外）出現空鼓，空鼓共12處，總面積達6.17 m2，有1個節段底板出現混凝土下崩，面積總計2.4 m2。

2 橋梁病害分析

根據當地交通主管部門調查的情況，該橋梁周邊有多個重要港口，港口的砂石車、罐車、大型貨車等超載載重車所占比例較大。因道路限行，這些超載重車一般會在下午六點以后集中過橋。根據現場檢測報告，運輸碎石的六軸卡車超載所測質量為210～230 t。該公路橋梁的原設計荷載等級為公路-Ⅰ級，采用最大超載荷載進行計算分析后得出，所產生的彎矩效應最大達到了原設計值的2倍。其中：最大超載車隊車道一布置一輛220 t的超載重車，其余均為30 t主車，車道二布置一輛55 t重車，其余均為30 t主車（表1）。

表1 不同車隊工況下的彎矩效應

3 主要加固方案

3.1 體外預應力加固

為了改善主梁主拉應力，控制底板、腹板裂縫的持續發展，防止橋梁線形和技術狀況繼續惡化，適當改善橋面線形，并有效抑制主橋主梁跨中下撓，對該橋主橋箱室內增設多束縱向體外預應力束。體外預應力加固的設計思路為：通過張拉增設在箱梁內部的體外預應力束，使得主跨跨中有一定的向上位移，提高承載能力安全儲備，增加主跨跨中下緣壓應力儲備。本工程對兩側62 m邊跨每箱各布置6束12-7φ5 mm環氧涂層鋼鉸線體外索，100 m中跨布置8束12-7φ5 mm環氧涂層鋼鉸線體外索。體外預應力利用7#墩、8#墩橫隔板，以及新增鋼結構支架作為體外預應力束轉向支點，在6#墩、9#墩底板厚度變化段部位及7#墩、8#墩橫隔板位置設置錨固塊，并通過植筋與端橫梁連接（圖1）。

圖1 體外預應力束布置立面

3.2 箱梁端部錨固塊埋件板錨栓鉆孔及鋼箱錨安裝

箱梁端部錨固塊分為A型、B型、C型，均為采用Q345C鋼板焊接成形的鋼箱錨，分別布置于箱梁底板、腹板和頂板，與混凝土箱梁之間采用8.8級化學錨栓（M16、M27）進行連接。采用鋼箱錨的優點是其自重相比現澆混凝土錨固塊可以減少50%，且施工快捷，可以有效縮短工期。化學錨栓鉆孔時應對梁體普通鋼筋及預應力筋進行無損探測，避免鉆孔時打斷普通鋼筋及原預應力筋。該施工工藝過程是束形建立的關鍵性工藝環節[3]。

3.3 橫隔板頂轉向器定位鉆孔及轉向器安裝

墩頂橫隔板處轉向器安裝時需要先進行鉆孔，在線形布置設計時已考慮了盡量避開既有箱梁的預應力鋼筋進行鉆孔。但若原預應力筋所在位置施工誤差過大，鉆孔時也有可能會碰到，因此鉆孔施工時需要特別小心。鉆孔施工前需仔細查閱原設計圖，用鋼筋探測儀對其進行探測并準確放線后才能進行施工。鉆孔施工完成后，設置φ219 mm×7 mm×1 100 mm的鋼管，鉆孔的直徑大于鋼管直徑1 mm，兩者之間的空隙部分采用了結構膠灌注密實。穿鋼管施工時，對于墩兩側隔板上的鉆孔中心點，采取措施保證孔徑中心點的偏差不超過4 mm。穿過墩頂橫隔板混凝土的鋼管應在張拉過程中防止其發生滑動。同時，應保證其與混凝土之間的緊密性，以保證荷載傳遞的均勻性。

3.4 轉向固定支架安裝

轉向固定支架采用鋼結構桁架形式，減少濕作業，同時因其剛度較大，可以將預應力束提供的反力直接傳遞給箱梁腹板，大大減少箱梁底板的受力。鋼結構桁架形式也相當于提供了一個小型的箱體橫隔板，可以在一定程度上提高箱體的抗扭剛度。鋼結構桁架利用箱梁頂底梗脅設置基座。

3.5 減振支架定位及安裝

根據減振器的設計要求進行減振器的安裝，并將其與梁體預埋件連接，起到減振限位作用。施工時先鉆孔安裝化學錨栓，固定減振墊；安裝上下卡箍，再安裝調節螺桿與減振墊相連，完成減振器安裝。減振裝置安裝間距應≤8 m。

3.6 穿預應力束

1）在穿索之前對轉向器的各個孔道進行編號，可以防止穿索時混亂的情況，避免鋼絞線扭絞在一起。穿索采用人工穿索方式，按照從下至上、從左至右的順序進行。

2）搭設鋼絞線支架之后，鋪設木工板及軟墊層，保護鋼絞線的外部PE層。

3）在張拉之前對預應力索進行預張緊，穿筋過程中做好對表面防護層的保護，不得拖拽預應力束[4-5]。

3.7 安裝錨具

1）將錨具懸吊至后置錨板前一定距離。

2）按照順序將鋼絞線索穿孔完畢后，再將錨具推進預埋導管內，使錨環與錨墊板緊密貼在一起并居中，安裝夾片，即完成一個錨具的安裝。

3.8 預應力束張拉、錨固及防護

張拉工藝流程：每個體外預應力束分3級張拉、即首先按順序全部張拉至15%σcon（σcon為控制張拉應力），第2 次再全部張拉至7 0%σcon，最后依次全部張拉至100%σcon。

連續梁體外預應力張拉時，按箱室順序，先張拉6#—8#墩箱內索，再張拉7#—9#墩箱內索。各箱室內的預應力索張拉順序為：先對稱張拉位于腹板邊的2根外側索，再對稱張拉位于箱室中間剩余的2根索（圖2、圖3）。

圖2 預應力束張拉

圖3 預應力束錨固

在轉向塊、錨固塊等裝置安裝完成，且連接材料達到設計強度后進行預應力的張拉。張拉完成后，對預應力束進行錨固，安裝布罩，涂刷防腐蠟油并安裝防護罩。

4 結語

對加固后的上部結構技術狀況進行評定，橋梁的技術等級達到了二類，滿足使用要求。通過本文的介紹，得出以下結論：

1）該橋各墩體在體外力張拉過程中，撓度累積實測無異常，配合橋面鋪裝層的減薄，最大累積上撓值實測為16.2 mm，與理論計算值差距不大，全橋整體線形在經過體外力的張拉后得到了較好的改善，跨中下撓現象明顯好轉。

2）根據理論計算結果，在采用體外預應力束進行加固后，底板拉應力減小了1.9 MPa，撓度減少了7.9 mm，配合橋面鋪裝減薄措施后，大大減小了梁體的彎矩效應，達到了理想的加固效果。

3）本文研究采用Midas軟件分析計算體外力施工階段及施工完成后的應力應變，其結果與實際監控數據吻合，驗證了該加固方法的有效性。

[1] 李晨光,劉航,段建華,等.體外預應力結構技術與工程應用[M].北 京:中國建筑工業出版社,2008.

[2] 謝吉賢.淺析如何進行鋼結構工程的安裝[J].中國新技術新產品, 2011(24):191.

[3] 薛偉辰.現代預應力結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[4] 金慶利.大跨徑PC連續箱梁橋體外束加固設計[J].城市道橋與防 洪,2017(12):73-77.

[5] 盧晨怡,祝向群,凌中水,等.某六孔預應力大懸臂箱梁橋體外索加 固分析[J].黑龍江工業學院學報(綜合版),2019,19(9):55-60.