大跨預應力T形剛構橋體外索安裝關鍵技術

方健海

(廣州北環智能交通科技有限公司 廣州市 510475)

0 引言

T形剛構橋是剛構橋的一種類型，是一種具有懸臂受力特點的梁式橋，從墩上伸出懸臂，跨中用剪力鉸或簡支掛梁組合而成，因墩上在兩側伸出懸臂。預應力混凝土T形剛構橋梁主要分為在跨中設置剪力鉸和帶掛梁兩種形式[1-2]。T 形剛構橋常出現的一些影響橋梁正常使用的病害和問題，主要表現在以下幾個方面：

(1)T 構主梁懸臂端部下撓過大。

(2)T形剛構橋主梁存在大量的裂縫。

(3)主梁懸臂端牛腿處受力較為復雜，易產生應力集中現象，繼而導致出現牛腿斜向裂縫、網狀裂縫等[3]。

適用于預應力混凝土T形剛構橋的加固技術一般有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、體外預應力加固法、改變結構體系加固法、粘貼纖維復合材料加固法等；非結構性加固如修補裂縫、修補混凝土破損等方式，大部分措施是結構性加固技術的輔助和完善措施[4]。體外預應力加固法[5-6]是通過在主梁梁體外或箱梁空洞內增加適量的體外預應力鋼筋對梁體主動施加外力，以抵消部分因自重、二期等作用產生的內力，達到提高舊橋的承載力、剛度目的的加固方法。體外預應力加固法是一種有效的主動加固方法，它是對加固的原結構主梁主動施加預壓力，實際上是對主梁控制截面進行卸載，從而達到改善結構受力性能的目的[7]。

本研究對廣州某高速一T形剛構橋梁實施了體外索加固。該橋不但病害典型，且結構特殊：成橋后T構與掛梁即進行了固結，使得其體外索加固具有一定的特殊性，主要介紹了其體外預應力加固的關鍵技術。

1 工程概況及病害情況

1.1 工程概況

某預應力T形剛構橋位于廣州某高速公路，該橋橫跨京廣鐵路，1990年建成通車。全橋縱向最大坡度 4% ，橫向坡度 1.5%，全橋處于半徑為 6500m 的豎曲線及半徑為 2000m、2200m的平面同向曲線內。橋面全寬 27 m，設計為雙向 6 車道，主橋跨徑組合為(60+100+60)m(圖1)，橋面寬 27.15m，橋上未設人行道，橋面中央設分車帶，外側設車擋，中間設寬 1.5m中央分隔帶將全橋分為左右兩幅橋。該橋邊跨及中跨兩端為單室雙箱截面，用頂推法施工；中間掛孔為長 53m 的 6 片簡支 T 梁，吊裝就位后通過體系轉換從掛孔式懸臂梁轉換成為連續梁。下部采用鋼筋混凝土板式橋墩、鉆孔樁基礎。荷載等級為汽-超 20 級，掛車-120。

圖1 橋梁構造

1.2 橋梁病害概述

橋梁主要存在如下病害：

(1)梁體裂縫

2000年檢測時發現，箱梁內外距離中墩墩頂19.68～22.68m范圍內(即距離箱梁牛腿端部 3m)腹板存在多條斜向裂縫，裂縫最大寬度為 0.35mm，與水平方向夾角26.5°～40°。箱梁內部斜向裂縫均起源于 M6 預應力束錨固混凝土與腹板相接處，止于牛腿處橫隔板，箱梁內外裂縫相互對應。2001 年對此處裂縫采取了粘貼碳纖維布的措施進行加固。

2005 年檢測時發現，右幅深圳側 1#箱室 A 腹板在距離中墩墩頂 10.00～19.50m 范圍內腹板存在斜向裂縫。此類裂縫為腹剪裂縫，出現在腹板中間，寬度較大，裂通梁體，裂縫形態為中間寬兩頭窄，在截面形心軸附近裂縫寬度最大。2007年對此處裂縫采取了粘貼斜向鋼板的措施進行加固。

2016 年檢測時發現，箱梁外部距離中墩墩頂 19.68～22.68m 范圍內(即距離箱梁牛腿端部 3 m)腹板及底板存在多條斜向裂縫，裂縫最大寬度為 0.22mm，部分腹板斜向裂縫延伸至底板，底板裂縫最大寬度為 0.12mm；個別斜向裂縫貫穿底板形成“U”型裂縫。相對于 2000 年的檢測結果，牛腿附近的斜裂縫數量有所增加、長度有所延伸，且部分箱室該處底板新增橫向裂縫，與腹板斜裂縫連通成“U”型。總體來說梁體的開裂狀況有所惡化。

牛腿處裂縫主要是由于結構尺寸的突變，局部應力集中造成；腹板裂縫主要由于結構未設置彎起預應力鋼束，抗裂性能略差引起。

(2)梁體下撓

箱梁牛腿處截面下撓的情況：2000 年至 2010 年間下撓變化范圍在 0～0.037m 之間；2010 年至2016 年間下撓變化在 0.005～0.011m 之間，表明目前橋梁的線形狀態已經處于穩定狀態；綜合上述兩段時期之內的梁體下撓結果可以看出，2000 年至 2016 年間下撓變化范圍在 0.008～0.048m 之間。

與竣工圖中相關信息進行比對，發現從1990 年竣工開始至 2016 年，標高的變化范圍在-0.129～-0.166m之間。

經計算分析可知，縱向預應力鋼筋配置略低，預應力鋼束引起的墩頂負彎矩效應小于恒載的彎矩效應，進而引起過大的懸臂撓度。

2 加固方案及施工

2.1 總體加固方案

針對縱向預應力鋼筋配置不足引起過大的懸臂撓度，采用體外束加固，進一步增強墩頂負彎矩區的預應力鋼束效應；對牛腿、底板、腹板采用粘貼鋼板、增大結構厚度等措施來增強結構的強度、剛度，抑制裂縫進一步發展。

(1)負彎矩體外束加固(圖2)

逐根對稱將 2006 年牛腿處人孔位置的加固鋼束拆除后替換為 PES(C)7-55 鋼絲拉索、并利用連接器延長至邊跨橫隔板位置進行張拉錨固，分別在中墩及邊跨橫隔板處設張拉錨固塊，單端張拉。體外束錨固塊處橫隔板粘貼鋼板加強。

圖2 負彎矩體外束布置圖

(2)箱梁腹板補強加固(圖3)

在 4#～7#、4'#～7'#箱室腹板外側圍內，采用 C50 自密實補償收縮混凝土將腹板加厚 0.12m，加厚混凝土內增設鋼筋網。在中墩 26m 范圍內的腹板加厚段增設 2 束 3Φs15.2 預應力鋼絞線，在腹板齒塊處錨固，兩端張拉。

圖3 箱梁腹板補強加固圖

在 4#箱室至牛腿橫梁范圍內的腹板加厚段增設 3 束通長 3Φs15.2 預應力鋼絞線，箱梁外側腹板采用兩端張拉，箱梁內側腹板采用單端張拉。

在6#箱室和6′#箱室腹板內側粘貼豎向 500mm(寬)×8mm(厚) 鋼板。腹板粘貼鋼板雖然對結構抗彎性能影響不大，但可提高截面抗剪強度，有效限制腹板斜向裂縫的進一步擴展。

(3)牛腿、底板補強加固

拆除原牛腿底板加固鋼板，重新沿縱向采用壓力灌注法粘貼 500mm(寬)×10mm(厚) 的鋼板至7#、7′#箱室底板下緣，粘貼鋼板可有效限制裂縫的進一步擴展。在鄰近牛腿橫梁的箱梁 7#、7′#箱室底板上緣 4.6m范圍內，采用 C50 自密實補償收縮混凝土將底板加厚 0.2m。

(4)邊跨底板壓重

在邊跨 2#、3#及 2′#、3′#箱室底板壓重，采用在底板上緣澆筑 20cm 厚 C20混凝土進行壓重。

另外對箱室底板、腹板、頂板、橫隔板出現的裂縫進行灌注和封閉修復處理。對主橋箱梁局部存在的混凝土破損、蜂窩、漏筋等病害進行修補。

2.2 預應力加固施工

2.2.1拆除牛腿預應力鋼筋施工

替換體外索橫斷面為9根鋼絞線組成，主梁側為張拉端，掛梁側為固定端，錨下控制應力為1116MPa，張拉力為1406kN,兩錨固端計算長度為4.8m，單端放張量為27mm，采取整束放張張拉工裝連接原工作錨板外螺牙(如圖4)，分5級張拉至張拉力1406kN，檢查工作螺母是否懸空且是否可擰松，若工作螺母未懸空且不可擰松，需再行超張拉至1.05倍張拉力(即1476.3kN),再行檢查以確保工作螺母懸空且可擰松，將工作螺母向后擰出預留30mm放張量，千斤頂分級放張卸載至拉索無應力狀態，再依次拆除錨頭、索體。

圖4 原體外索整體放張張拉工裝示意圖

2.2.2體外預應力索和體內預應力索施工

單幅橋兩箱室具體施工步驟如下：

(1)對牛腿原內側N3索對稱整束分級放張卸載索力，待卸載至無應力狀態，依次拆除錨頭、索體。

(2)安裝新替換短索，接長體外預應力索，同步對稱張拉2根內側N3索至錨下控制應力為660MPa，鎖緊新替換短索連接端螺母錨固，接長體外預應力索張拉端放張錨下控制應力為600MPa，鎖緊張拉端螺母錨固，完成內側N3索張拉。

(3)外側N3索更換接長安裝及張拉步驟同(1)，完成外側N3索張拉。

(4)N2索更換接長安裝及張拉步驟同(1)，完成N2索張拉。

(5)外側腹板加固混凝土澆注前，將體內預應力索F1～F8穿入波紋管中，穿入過程中防止鋼絞線打絞，并做好波紋管密封防漏漿措施。

(6)待混凝土達到設計強度，根據上述張拉順序，依次對稱張拉各箱室體內預應力索F1～F8，待各箱室體內預應力索張拉完成，對波紋管進行灌注壓漿。

(7)N1索更換接長安裝及張拉步驟同(1)，完成N1索張拉。

(8)安裝預應力索減振裝置。

(9)體外預應力索錨固端、連接端防腐及保護罩安裝。

2.2.3施工交通組織及施工監控

體外拉索更換期間進行限載(30t以下)，限速(40km/h)，限交通流量，確保加固施工過程結構安全。

體外索張拉過程采取對稱分級張拉，需與施工監控單位緊密配合，按照監控指令每完成一級索力張拉，需與監控單位監控數據相互校核，在項目業主、設計單位、監控單位和施工單位各參與單位均達成一致意見認為結構在安全可控狀態下，方可實施下一級張拉的監控指令，否則如有異常，需停止實施，檢查分析原因，排除異常情況，方可實施下一步施工操作。

橋梁于2019年完成了橋梁的體外索加固，經荷載試驗及運營至今的情況來看，梁體下撓未持續發展，裂縫未進一步開展，加固效果良好。

3 結論

對廣州某高速一T形剛構橋梁實施了體外索加固，主要結論如下：

(1)對牛腿處鋼束拆除后替換為 PES(C)7-55 鋼絲拉索，并利用連接器延長至邊跨橫隔板位置進行張拉錨固，達到了對牛腿處的預應力連接及負彎矩體外束加固的雙重目的。

(2)箱室腹板外側采用C50 自密實補償收縮混凝土將腹板加厚并設置預應力鋼絞線，在增大結構剛度及抗剪、抗裂性能的基礎上，進一步增強負彎矩區的承載能力。

綜合上述措施，結合底板補強加固、邊跨底板壓重對大跨預應力T形剛構橋進行了加固，取得了良好的加固效果，可為同類橋梁提供借鑒。