預應力橋梁波紋管堵塞加固處理技術應用探討

張玉明秦元昊譚天樂

（1.山東建筑大學土木工程學院，濟南 250101；2.山東建筑大學工程鑒定加固研究院有限公司，濟南 250013）

0 引言

隨著預應力技術被越來越廣泛地應用于橋梁建設之中，施工中出現的一些普遍問題也更加受到重視。其中，波紋管堵塞就是最常出現的問題之一。所謂的波紋管堵塞，簡單來說就是在澆筑完混凝土之后，波紋管出現了堵塞現象。波紋管堵塞現象的出現極易導致后期預應力鋼絞線穿束無法穿過或無法張拉預應力筋，這不僅在很大程度上耗費了人力、物力，還極大地影響著施工的有序進行［1］。出現這種情況的原因是多方面的，首先，波紋管自身存在質量缺陷就極易導致堵塞問題的發生。其次，由于施工人員在施工過程中未嚴格按規范安裝波紋管，造成套管接頭松動或彎折從而造成堵塞現象。在混凝土澆筑過程中，施工人員操作不當造成波紋管破裂也會造成堵塞［2-5］。

應對波紋管堵塞問題，常見的做法是破壞混凝土構件疏通孔道［6］。根據穿鋼絞線的長度或實際伸長值的大小，準確找出堵塞的具體位置。用火焊截去堵塞部分的波紋管，依據孔道堵塞長度進行擴孔。清理完殘渣、張拉預應力束后用環氧樹脂砂漿將開口部分補齊［7-9］。橋梁中預應力筋用量較大，施工過程中施工措施不當、波紋管質量不合格等都可能導致波紋管大面積范圍內堵塞，此時鑿開混凝土構件會對截面產生較嚴重的削弱，影響結構的安全性及使用性能。常用的預應力橋梁加固方法如粘貼鋼板法、碳纖維加固、體外預應力加固等。這些方法雖然能對橋面板進行加固增強，但由于加固量大，施工周期長、橋梁外觀有改變，不適于新建橋梁大范圍波紋管堵塞的加固處理。目前國內外對出現大范圍波紋管堵塞的大型橋梁進行加固的工程實踐較少，本文以某高架主線橋橫橋向波紋管堵塞后的加固處理為背景，應對加固中必須考慮的種種問題提出了完善的加固方案，保證了結構的抗裂性能和承載能力，可為出現大范圍波紋管堵塞的橋梁的加固處理提供借鑒和參考。

1 工程概況

某高架路主線橋PM27～PM30區間段為3×34 m連續箱型梁橋，荷載等級：城-A級；地區抗震設防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.2g；抗震設防類別：乙類；抗震設計方法：A類；抗震設防措施等級：9級；抗震重要性系數：橋梁E1作用下取0.61，E2作用下取2.0；主線橋梁、匝道橋和輔道橋的結構，設計安全等級為一級；橋梁設計基準期：100年。耐久性設計環境類別：Ⅱ類；設計基準溫度：15℃。

橋縱向為7個箱型梁形成的連續梁橋，故橋面板頂板為7跨連續板加兩端懸臂板，橋面板寬度3690～4370 cm，橋面板兩端懸臂寬度為175～385 cm（圖1）。縱橋向箱梁內配置曲線形有粘結預應力筋，橫橋向頂板內配置直線型有粘結預應力筋1-3Φs15.2@500，預應力筋距離板頂10 cm。現場施工情況：現縱橋向箱梁內預應力筋已張拉完畢，在張拉橫橋向頂板內預應力筋時因澆筑的混凝土進入波紋管內不能張拉。施工單位將頂板橫橋向預應力筋堵塞處的混凝土開槽，將包裹預應力筋的混凝土鑿除，以便能夠張拉預應力筋。槽寬平均寬度為15 cm，槽深13 cm。現場大面積范圍內橫橋向頂板內預應力筋在距端部一段距離后開始堵塞，幾乎每處預應力筋處都開槽，槽間距同預應力筋間距，如圖2所示。僅較小范圍內預應力筋未堵塞，不開槽。

圖1 橋面板橫向截面圖（單位：cm）Fig.1 Cross-sectional view of bridge deck（unit：cm）

圖2 施工現場橋面板開槽狀況Fig.2 Slotting condition of bridge deck at the construction site

2 加固思路和方案

2.1 加固處理思路

頂板橫橋向預應力筋堵塞處混凝土開槽后，原配置預應力筋能夠張拉。若張拉完預應力筋后僅將開槽處混凝土補澆，存在以下問題：

（1）混凝土開槽后預應力筋張拉時因混凝土開槽截面削弱，截面上應力狀態與原設計不同。

（2）預應力張拉完成后澆筑的開槽處混凝土無預壓應力，截面上應力狀態與原設計不同；在橋梁后續荷載作用下不能保證橋面板的抗裂性能和承載力。

（3）開槽處補澆混凝土與原混凝土結合面較小，難與原結構形成一個整體，且在溫度及收縮作用下容易出現開裂。

原設計橋面上有17 cm厚混凝土鋪裝層，包含10 cm厚瀝青混凝土、防水層和7 cm厚混凝土墊層。此部分是作為荷載作用在結構上。加固設計的思路是板頂7 cm厚的混凝土墊層變為結構層。在原橋面板頂面新澆7 cm厚配筋混凝土疊合層代替原設計7 cm厚混凝土墊層，通過設置插筋，將后澆層和原橋面板連接成為整體。為保證使用階段的抗裂性能，在每個開槽處補加部分預應力筋。通過此種加固方式，橋面板的總厚度和橋面荷載沒有增加，開槽后張拉的原預應力筋和補加的預應力筋共同保證了結構在使用階段的抗裂性能；橋面板結構層厚度增大，后澆的疊合層內新增板頂鋼筋保證并提高了結構施工階段和使用階段的承載能力。

2.2 加固方案

先對堵塞處橫橋向波紋管處混凝土進行開槽處理，處理完成后張拉原頂板橫向預應力筋。在原橫向預應力筋上方原縱向鋼筋位置處增加1-1Φs15.2@500無粘結預應力筋；然后在原橋面板頂面澆筑7 cm厚混凝土配筋疊合層；設置新舊混凝土結合面插筋12@45×50；在疊合層頂面設置16@15的雙向非預應力筋（圖3—圖5）。待澆筑的槽內和疊合層內混凝土達到設計強度后，張拉增設的預應力筋，完成加固施工。

圖3 已開槽截面插筋及疊合層配筋（單位：cm）Fig.3 The steel dowels of slotted section and composite layer reinforcement（Unit：cm）

圖4 未開槽截面插筋及疊合層配筋（單位：cm）Fig.4 The steel dowels of unslotted section and composite layer reinforcement（Unit：cm）

圖5 橫向板頂疊合層配筋及插筋做法（單位：cm）Fig.5 The practice of steel dowels and inserting bars in the composite layer on the top of the transverse slab（Unit：cm）

2.2.1 原頂板橫向預應力筋的張拉

因橋面板沿橫橋向多處開槽，預應力筋的張拉和原設計不同。橋面板截面削弱，預應力筋在頂板中產生的預壓應力、拉應力和原設計不同，應進行計算確保在頂板橫橋向截面削弱的情況下，受壓區邊緣混凝土不被壓碎，受拉區混凝土不開裂，計算見下文。另從施工現場看到，多處兩個槽間的混凝土因缺陷也多處鑿洞（圖6），施工時應首先對槽間混凝土的洞口及缺陷用C50混凝土修補，保證預應力筋張拉時混凝土截面足夠，不至于產生因局部截面太小產生混凝土被壓碎的現象。

圖6 槽間混凝土鑿洞Fig.6 Digging holes between the concrete grooves

2.2.2 頂板橫橋向預應力筋的張拉順序

因預應力筋堵塞混凝土開槽后張拉原頂板橫橋向預應力筋時，頂板橫橋向截面因開槽削弱，頂板剛度較原設計減少，會產生預應力筋的壓縮損失。為減少此不利影響，施工時應采取分批張拉預應力筋的方法，張拉完一批預應力筋后就澆筑上面的疊合層混凝土，待疊合層混凝土達到設計強度后，再張拉第二批預應力筋。后張拉的預應力筋進行張拉時，先批張拉預應力筋所在區域因后澆疊合層混凝土剛度增大，有利于預應力的建立。從理論上講，分多批，間隔張拉槽內預應力筋是最有利的，但此做法增加了施工工期，且多批澆筑疊合層混凝土會產生多道施工縫，增加施工難度且接縫處連接質量不易保證。基于施工工期要求以及橋面板施工階段抗裂度要求，本工程分兩批張拉預應力筋，分批順序見圖7。施工順序如下：

圖7 原頂板內橫橋向板頂預應力筋張拉分批順序（單位：cm）Fig.7 Batch sequence for tensioning of prestressed tendons at the top of the initial transverse slab（Unit：cm）

（1）張拉第一批橫橋向板頂預應力筋，張拉完畢后澆筑預應力筋所在區域槽內及板頂上7 cm厚混凝土后澆層；

（2）待第一批后澆混凝土達到設計強度后張拉第二批橫橋向板頂預應力筋；

（3）澆筑第二批橫橋向板頂預應力筋所在區域槽內及頂板上后澆層混凝土7 cm厚；

（4）待第二批澆筑的后澆混凝土達到設計強度后張拉所有新增預應力筋。

2.2.3 后澆疊合層的處理措施

設計中后澆7 cm厚混凝土疊合層要成為結構層，和原混凝土共同工作，承擔后續荷載。施工中應采取以下措施保證新老混凝土共同工作：

（1）清除所有槽洞內的碎石沙礫、浮渣和粉塵，并用壓力水沖洗干凈，保證新澆混凝土能密實填滿已開的槽洞，澆筑混凝土前，槽洞內結合面應保持濕潤，但不得有積水。

（2）對橋面頂板新老混凝土結合面進行處理：對混凝土進行修整露出骨料新面后，尚應采用花錘、砂輪機或高壓水射流進行打毛或鑿成溝槽，在完成打毛或溝槽后，應用鋼絲刷等工具清除原構件混凝土表面松動的骨料、沙礫、浮渣和粉塵，并用清潔的壓力水沖洗干凈，并涂刷界面結合劑或素水泥漿一道（水泥漿用水泥應與后澆混凝土用水泥一致）。

（3）已開槽處增加插筋錨入新澆混凝土中，未開槽處增加插筋植入混凝土中，增加新老混凝土結合面抗剪能力，保證新老混凝土共同工作的實現。插筋的設置見圖3—圖5。

3 加固計算

根據加固處理方案及施工過程，橫橋向橋面頂板受力分兩個階段：

第一階段：后澆的7 cm厚疊合層混凝土未達到強度設計值之前的階段。此階段的荷載由原橋面頂板承擔。荷載包括開槽后橋面頂板自重、7 cm厚疊合層自重。此階段內張拉原橫橋向頂板內預應力筋。

第二階段：疊合層混凝土達到強度設計值之后的階段。此階段的荷載由疊合后的頂板承擔。荷載包括橋面板頂面面層等自重、施工階段的活荷載或使用階段的活荷載（車道荷載、車輛荷載）。此階段張拉增加的頂板內預應力筋。

將原橋面板上7 cm厚混凝土墊層改為結構層，橋面板結構層厚度增大，承受的荷載大小不變，承載力較原設計有所增強，能夠滿足結構承載力要求。但因預應力張拉施工過程發生改變且板面多處開槽，對橫橋向橋面頂板抗裂會產生影響，故應通過計算保證施工階段及使用階段抗裂能夠滿足要求。

3.1 槽內預應力筋張拉完成后頂板應力計算

橋面板橫橋向為兩端帶懸挑的7跨連續板，每跨跨度為370～420 cm，兩端懸臂寬度最大為385 cm，懸臂部分根部承受內力最大，計算復核以懸臂部分根部截面（h=60 cm，圖8）為例進行說明。

圖8 橋面板橫橋向兩端懸挑部分計算簡圖（單位：cm）Fig.8 Calculation diagram of the cantilever part at both cantilever parts of the transverse slab（Unit：cm）

橋面板上沿橫橋向開槽每個槽寬度約15 cm，開槽深度13 cm，按每束橫向預應力筋都開槽間距50 cm最不利情況計算，開槽后懸臂根部截面如圖9所示；取100 cm板寬進行計算，簡化計算截面如圖10所示。簡化后計算截面在頂板自重作用下及原預應力筋張拉完成后的應力見表1。

表1 槽內原預應力筋張拉完成時計算截面應力Table 1 The calculated section stress when original prestressed tendons in the groove are tensioned

圖9 開槽后頂板計算截面（單位：cm）Fig.9 Calculated section of top slab after grooving（Unit：cm）

圖10 開槽后頂板簡化計算截面（單位：cm）Fig.10 Simplified calculation section of top slab after grooving（Unit：cm）

原橋面頂板橫橋向懸臂根部計算截面在頂板自重、原預應力筋張拉完成時截面上邊緣最大壓應力：

式中，f'ck為施工階段混凝土軸心抗壓標準值。

保證原頂板槽內預應力筋張拉完成時混凝土不會被壓壞。

截面下邊緣最大拉應力：

保證原頂板槽內預應力筋張拉完成時受拉混凝土不會開裂，滿足抗裂要求。

3.2 橋面板頂澆筑疊合層后頂板應力計算

橋面板頂澆筑7 cm厚混凝土后澆層，混凝土還沒達到設計強度時，7 cm厚混凝土后澆層是作為荷載作用在原結構層上，此時原橋面頂板橫橋向懸臂根部計算截面下邊緣受拉區拉應力減少，上邊緣原受壓區壓應力減少甚至受拉，計算結果見表2。

表2 板頂新澆7 cm混凝土疊合層時計算截面應力Table 2 The calculated section stress when 7 cm concrete composite layer is newly poured on top slab

由于預應力損失，預應力筋在截面上邊緣產生的預壓應力減少。原橋面頂板橫橋向懸臂根部計算截面在頂板自重、原預應力張拉并產生預應力損失、疊合層自重作用下截面上邊緣應力：

因此，板頂新澆7 cm厚疊合層后截面上邊緣混凝土仍處于受壓狀態，不開裂，滿足抗裂要求。

3.3 新增預應力筋張拉完成后頂板應力計算

在原預應力筋上方縱向鋼筋位置增加無粘結1860級鋼絞線1-1Φj15.2@50，100cm寬度范圍內2根預應力筋，此階段頂板計算截面如圖11所示。新增預應力筋距離頂板4+1.6-3.2/2+70=11 cm（波紋管直徑3.2 cm），預應力筋張拉至0.75fptk，計算新增預應力筋張拉完成（未錨固）時板頂上邊緣混凝土最大壓應力，計算結果見表3。

表3 新增預應力筋張拉完成時頂板計算截面應力Table 3 The calculated section stress of top slab when the newly added prestressed tendons are tensioned

圖11 疊合后新增預應力筋張拉時頂板計算截面（單位：cm）Fig.11 The calculated section of the top slab when the prestressed tendons are added after composite（Unit：cm）

由于新增預應力筋張拉在疊合后頂板計算截面上邊緣產生的壓應力：

保證疊合后新橋面板頂板新增預應力筋張拉完成時混凝土不會被壓壞。

3.4 加固完成后正常使用階段頂板應力計算

加固完成后正常使用階段增加的恒載為頂板上面層荷載為10 cm瀝青混凝土面層、防撞護欄重；活荷載為車輛荷載（比施工活荷載大，取大值）。該橋梁汽車荷載為城市A級，在懸臂板寬度范圍內只能布置一列車輛，如圖12所示。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2018）4.2.5計算懸臂部分根部計算截面彎矩。計算結果見表4。

表4 正常使用階段頂板計算截面應力Table 4 The calculated section stress of top slab in the normal use phase

圖12 橋面板懸臂部分車輛荷載橫向布置（單位：cm）Fig.12 Lateral arrangement of vehicle load on cantilever part of bridge deck（Unit：cm）

在頻遇組合作用及新增預應力筋作用下計算截面上邊緣拉應力：

在準永久組合作用及新增預應力筋作用下截面下邊緣應力：

因此，橋面頂板經加固處理后在結構自重、車輛荷載作用下的正常使用階段抗裂能達到A類預應力混凝土構件要求，不開裂。

根據上述驗算，加固處理方案能保證施工階段及使用階段抗裂度及承載力滿足要求。

4 結論

（1）橋梁橫向預應力筋堵塞時，可采用在堵塞處對頂板進行開槽處理，重新張拉原預應力筋，后在板頂新增疊合層并補增預應力筋的方法進行加固。

（2）原預應力筋和后增加的預應力筋應能共同保證施工階段和使用階段的抗裂性能滿足要求。

（3）原頂板橫橋向預應力筋的張拉宜分多批次進行。分批次數基于施工工期要求以及橋面板施工階段抗裂度要求確定。

（4）本加固方法用板頂新增疊合層替代原板頂混凝土墊層，荷載未變、橋面板結構層厚度增大，提高了構件承載力，是經濟實用的加固方法。