大跨度薄腹板T梁體外預應力加固施工關鍵技術

胡先朋，吳 翔，雷 坦，盧孟陽

(中交二航局建筑科技有限公司，湖北 武漢 430048)

0 引言

承重結構由配筋混凝土的上翼緣和梁肋結合而成的梁式橋稱為T形梁橋，簡稱T梁。因其既能節約混凝土，又減輕構件自重、提高跨越能力，在我國橋梁建設初期物資匱乏的時代得到了較快的發展[1-5]。為節約資源，T梁更具大跨度、薄腹板特點,但隨著社會的快速發展，建橋時期的理論荷載、周圍環境、交通流量等均發生了變化，加上運營過程中的養護管理水平和技術水平受限，T梁尤其是大跨徑T梁普遍存在跨中下撓、腹板裂縫、承載力降低等病害，亟需進行處治[6-10]。現有的橋梁維修加固方法中，增設體外預應力屬于較有效且重要的主動加固措施之一，能有效提高橋梁承載力[11-13]。實際的加固效果則與施工工序對應的方法、關鍵技術有密切關系。本文以某跨大橋為背景，分析T梁體外預應力加固施工過程中的關鍵工序相關施工技術，提出關鍵工序二次檢驗技術，并通過工程案例驗證關鍵工序二次檢驗技術下體外預應力施工質量及加固效果的可靠性。

1 工程概況

某公路跨黃河特大橋于1989年建成通車，主橋上部構造為20，50m預應力混凝土簡支T梁，橋面總寬18.5m，雙向4車道，每跨共7片梁，梁間距為2.5m。其中，50m T梁高2.6m，腹板厚18cm，縱向設6道中橫隔板和2道端橫隔板。因該橋長期處于超負荷運營狀態，歷次維修加固使現狀梁體的恒荷載、活荷載的荷載效應增大，導致梁體出現了大量的腹板豎向裂縫，嚴重的甚至出現了馬蹄混凝土碎裂病害。經檢測單位評定，加固前該橋50m T梁評定得分為57.5分，且50m T梁存在影響結構安全的受力裂縫，總體技術狀況評定為4類橋。T梁標準橫斷面如圖1所示。

圖1 T梁標準橫斷面(單位：cm)

針對50m T梁因承載能力不足而出現的腹板受力裂縫病害，采用體外預應力進行加固，以提高50m T梁的抗彎和抗剪承載力，改善梁體的應力狀況；體外預應力布置于T梁腹板上，腹板兩側各設1束體外預應力，單束采用6根φ15.2環氧涂覆無粘結鋼絞線成品索，錨下控制張拉應力σcon=930MPa。鋼束布置如圖2所示。

圖2 T梁體外預應力鋼束布置

2 總體施工工藝及核心工序

2.1 總體施工工藝

本項目體外預應力施工結構部分主要包括錨固塊、轉向塊、減震器、環氧涂覆無粘結鋼絞線成品索及配套附屬結構。其中，錨固塊由高強耐候鋼加工而成，在工廠內進行標準化生產后，通過對穿植筋錨栓+灌鋼膠粘接的方式與T梁腹板固定；轉向塊主體結構由高強耐候鋼加工而成，通過鉆孔植筋+灌鋼膠粘接+填充C50混凝土的方式與T梁馬蹄固定；環氧涂層無粘結鋼絞線成品索及配套附屬結構主要包括鋼絞線成品索、錨具、錨頭防護罩等，鋼絞線成品索按設計的線型位置穿束后，通過兩端的錨固塊進行錨固，張拉力由錨固塊傳遞至梁體，實現對梁體的加固。加固工藝流程如圖3所示。

圖3 T梁體外預應力加固工藝流程

2.2 核心工序

測量放樣主要根據設計的錨固塊和轉向塊位置在T梁腹板對應位置上放樣，為后續的腹板鉆孔提供基準點，從而決定錨固塊位置，進而影響粘結鋼絞線成品索的下料長度、張拉理論伸長量校核。

本案例中錨固塊為鋼結構形式，以對穿植筋錨栓+灌鋼膠粘結的方式將同一片T梁兩側的鋼結構錨固塊與T梁腹板固定。施工內容包括腹板鉆孔、腹板打磨、清孔及清表、錨固塊吊裝定位、注膠植筋、封邊、壓力注膠。其中，單個錨固塊處鉆孔數量多，錨固塊底粘貼鋼板尺寸為2.6m×1.2m，鉆孔植筋數量多達58個，鉆孔精度要求高，精確對位安裝困難；大面積壓力注膠的飽滿度及注膠量是確保錨固塊與T梁腹板有效粘接的重要指標之一，對項目體外預應力的加固效果甚至施工安全有重要影響。因此錨固塊的安裝施工難度大，質量要求高。

同步張拉是所有預應力施工的重要內容，本項目中單跨共7片T梁，共14個千斤頂同步張拉，除千斤頂標定之外，張拉的同步性控制、張拉過程中環氧涂層鋼絞線的保護、張拉后伸長量的校核及錨固是張拉作業的控制重點。

3 核心工序關鍵技術

3.1 測量放樣

測量放樣用于定位錨固塊的位置關系，每跨梁體的理論長度為49.96m，兩端錨點的設計間距S0為43.96m，豎向尺寸為1.59m。

以T梁底部跨中為坐標原點建立坐標系，根據理論錨點坐標(x0,y0)、設計傾角α、錨固塊設計尺寸(a×b)可得到3個放樣點，如圖4所示。求得3個放樣點對應坐標值如下。

圖4 錨固塊放樣點

放樣點1：

x1=x0-Lcosα+b/2sinα

(1)

y1=y0-sinα-b/2cosα

(2)

放樣點2：

x2=x0-Lcosα-b/2sinα

(3)

y2=y0-sinα+b/2cosα

(4)

放樣點3：

x2=x0+(a-L)cosα+b/2sinα

(5)

y3=y0+(a-L)sinα-b/2cosα

(6)

測量放樣為現場施工的第1道工序，也可以端橫隔板為基準建立第二坐標系，利用第二坐標系復核確認錨固塊3個角點的坐標位置。根據實測的2個端橫隔板中心間距Sd及兩端錨點的設計間距S0，可求得以端橫隔板底為坐標原點條件下的理論錨點坐標(x0,y0)，結合設計傾角α、錨固塊設計尺寸(a×b)，得到3個放樣點的坐標值，y1，y2，y3分別由式(2)，(4)，(6)計算得到。

放樣點1：

x1=x0+Lcosα-b/2sinα

(7)

放樣點2：

x2=x0+Lcosα+b/2sinα

(8)

放樣點3：

x2=x0-(a-L)cosα-b/2sinα

(9)

其中，x0=(Sd-S0)/2。通過2種不同的放樣方式在T梁腹板放樣出錨固塊的3個角點坐標，能有效復核校驗腹板放樣位置的偏差情況，通過尋找差值原因，提高錨固塊測量放樣的進度。

3.2 錨固塊安裝

錨固塊安裝施工項多，其中鋼筋探測、植筋和壓力注膠為重要施工項。腹板鉆孔在單處2.6m×1.2m范圍內鉆58個φ25通孔。因同一個通孔內兩側均需安裝錨固塊，58個通孔的相對位置、鉆孔垂直度需保持一定精度以確保與鋼結構錨固塊工廠內已鉆孔位的匹配度。

鋼筋探測目的是確保鉆孔過程中不損傷梁體內原有的預應力束，同時控制鋼筋損傷率在一定的比例范圍內。根據原橋竣工資料及現有設計的腹板位置，58個孔位不損傷梁體內原有的預應力，錨固塊范圍內腹板內部鉆孔與豎向鋼筋干涉的有4根，與橫向鋼筋干涉的有6根，如圖5所示。

圖5 孔位與鋼筋干涉

針對58個鉆孔孔位相對位置的一致性，根據理論鉆孔位置，加工一套鉆孔模板，提前鉆好模板內58個孔位，進行逐點施工。針對每個點的鉆孔垂直度，在鉆機底座上增設一套水平梁，底座與水平梁緊密接觸，確保水平方向的垂直度；通過水平尺調整豎直方向的垂直度，從而確保每一個孔位的鉆孔垂直度。

當兩側的錨固塊均安裝完成后，應先將植筋螺栓插入腹板內臨時錨固，再進行錨固塊的固定和安裝，最后進行壓力注膠。壓力注膠主要用于將錨固塊的粘貼鋼板和T梁腹板表面進行可靠粘接，同時兼有填充作用，通過膠液將粘貼鋼板和腹板間完全填充空隙區域，排出空隙內的空氣，因此，須確保注膠密實。可采用膠量控制+敲擊法+排氣孔出膠觀測等定量+定性多種方式組合互相校驗。

3.3 同步張拉

同步張拉是體外預應力施工的關鍵內容之一，張拉的同步性是保證結構安全、穩定的重要措施，張拉的最終力值是檢驗加固效果的有效保證。針對張拉同步性，研發一套同步智能張拉系統，同時控制多個千斤頂同步作業，并通過設置合理的壓力差，確保張拉過程中所有千斤頂的張拉壓力值在設置的幅度變化范圍內，張拉到設定的壓力值后，系統自動持荷，在持荷期間如有壓力下降等情況，系統能自動補充張拉，確保最終張拉力值(壓力值)在設定的范圍內。張拉到位后，通過測量伸長量+壓力傳感器的方式共同校核最終張拉力值，確保張拉力值在設計范圍內。同步張拉系統的工作原理如圖6所示，pi，pj為張拉過程壓力值(kN);t為持荷過程的累積時間(s)。

圖6 同步張拉系統工作原理

4 試驗跨施工分析

為驗證上述體外預應力施工過程中核心工序關鍵技術的合理性，選取試驗跨進行施工。試驗跨位于大橋第96跨，橋跨下方地面平整度較好，橋跨西側有已硬化的混凝土道路，梁底凈空高3.04～3.85m，橫隔板在前期加固施工時已粘貼了鋼板。

4.1 測量放樣

根據設計要求，以T梁底部跨中為坐標原點建立坐標系時，理論錨點坐標(x0,y0)=(21.98m，1.59m)，設計傾角α=5.28°，設計的錨固塊尺寸為2.6m×1.2m，長1.54m。得到3個放樣點坐標值：(x1,y1)=(20.50m，0.85m)，(x2,y2)=(20.39m，2.05m)，(x3,y3)=(23.09m，1.09m)。

實測第96跨2個端橫隔板間距Sd=49.025m,兩端錨點設計間距S0=43.96m，則x0=(Sd-S0)/2=2.532 5m，理論錨點坐標(x0,y0)=(2.532 5m，1.5900m)。結合設計傾角及錨固塊尺寸得到3個放樣點的坐標值：(x1,y1)=(4.01m，0.85m)，(x2,y2)=(4.12m，2.05m)，(x3,y3)=(1.42m，1.09m)。

按2種方式在同一T梁腹板上進行測量放樣，得到δxmax=0.4cm，δymax=0.2cm，在2種方式測量放樣互相校核的前提下，能滿足鉆孔精度要求。

4.2 錨固塊安裝

4.2.1鋼筋探測及鉆孔

錨固塊安裝位置位于T梁端頭，施工前利用地質雷達鋼筋探測儀對鉆孔前區域內鋼筋位置及走向進行探測，根據探測結果在腹板表面進行標記，鉆孔后利用內窺鏡進行觀測，將地質雷達探測結果與實際孔位鋼筋損傷情況進行對比。隨機選取其中每片梁的一端進行統計測量，共計7個測點。結果顯示，地質雷達探測鉆孔位置與豎向鋼筋干涉的有3～4根，與橫向鋼筋干涉的有4～6根。通過內窺鏡對鉆孔后的實際干涉情況進行統計，豎線鋼筋干涉的有4～6根，橫向鋼筋干涉的有5～7根。地質雷達的探測結果不大于理論數據，實際內窺鏡觀測結果在理論數量范圍內上下波動。

4.2.2壓力注膠

單個錨固塊平面注膠面積為2.6m×1.2m，現場利用工地實驗室內的土工試驗儀器電子秤和量筒測量灌鋼膠密度，充分攪拌融合A，B組分膠液，測量3次，取平均值，實測平均密度ρ1為1.61g/cm3。灌膠前利用卡尺測量實際T梁腹板與鋼板的間隙，每間隔30cm測量1次，單點測量26次，得到平均間隙值為di，即膠液的理論用量值mv=ρ1V=ρ1abdi，實際使用量為ma。試驗跨中選取7個錨固塊的測點進行實測，觀測每個注膠管(排氣管)，并用敲擊法逐點敲擊檢查，得到數據及結果如表1所示。

表1 試驗跨壓力注膠統計

由表1可知，實際用膠量為理論用膠量的1.11～1.54倍，主要原因包括施工過程中的工藝損耗(如膠液注入管、壓力罐內存留的膠液)、注膠過程中注膠管內溢出的膠液及T梁腹板打磨粗糙后表面微小凹坑內填充的膠液。通過敲擊法檢查，除個別處小面積空鼓外，灌入的鋼板膠體填充均較密實，能滿足施工質量要求。

表2 試驗跨同步張拉結構統計

4.3 同步張拉

根據錨下控制的張拉力值，單根體外索的理論最終張拉力值為781.2kN，結合設備標定證書對應的標定方程，得到試驗跨1～14號體外索對應的理論張拉應力值為26.75～26.98MPa，最終張拉應力值為0.24MPa。單跨共14根體外索，采用單端同步張拉方式。

當準備工作完成后，在同步張拉系統內設置同步張拉壓應力極限差值0.5MPa，張拉到位后持荷時間900s。其中，極限差值為0.5MPa，除去系統自身的張拉差值(0.24MPa)外，實際張拉過程中的極限差值為0.26MPa，約為最終張拉應力值的1%。為驗證此同步張拉系統的可靠性，在第1，3，7，13個預應力束張拉端安裝壓力環，以進行校核。

試驗跨先進行單束預張拉，設定為最終張拉力值的20%，同步分級張拉共分3級。試驗跨14根體外索的最終張拉力值及實際伸長量如表2所示。

由表2可知，基于此同步張拉系統進行同步張拉時，系統張拉應力值與設定的張拉應力值非常接近，差值最大為0.18MPa，小于理論張拉應力的1%，通過標定方程推導的最終張拉力值與理論誤差范圍為-0.2%～0.8%。各預應力束的實測伸長量均在規范規定的誤差范圍內。通過安裝4個壓力環進行索力復核，結果顯示，最終拉索索力實測值與理論值誤差為-0.3%～0.3%，未出現超張拉及欠張拉現象，實際張拉效果較好。

5 結語

以某跨黃河大橋為例，分析了大跨度薄腹板T梁體外預應力加固施工的總體施工工藝，重點分析了施工過程中的測量放樣、錨固塊安裝、同步張拉3個核心工序的技術要點。其中測量放樣可通過建立2種不同參考點坐標系互相校核以提高放樣精度，確保體外預應力設計錨固點的位置；錨固塊安裝過程中針對鋼筋探測和鉆孔通過理論分析確定鋼筋損傷率，在實現鉆孔的前提下盡量減小對原梁體內鋼筋的損傷，避開原梁體內預應力束的位置，針對壓力注膠提出敲擊、觀測及用量控制相結合的定性+定量技術控制方法，有效粘結錨固塊與T梁腹板；張拉施工則利用同步張拉控制系統進行同步性控制及張拉終端控制，實現張拉力值和伸長量雙控指標均滿足設計及規范要求。通過試驗段的施工驗證了大跨度薄腹板T梁體外預應力加固施工核心工序控制技術的合理性。