預應力體外橋梁加固工藝研究

摘要 某連續剛構橋通過增設預應力鋼束、鋼構錨固系統、鋼構轉向系統，開展預應力體外加固養護治理。工程應用表明，預應力體外加固技術有利于減輕橋梁關鍵部位荷載，從而增強橋梁整體承載力。結合工程實用，簡要介紹該加固設計內容，重點介紹該體外加固的施工工藝要點，以為同類工程應用提供技術參考。

關鍵詞 橋梁加固；大跨度；連續剛構；體外預應力；工藝研究

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0054-03

0 引言

預應力體外加固是抗御連續剛構橋過度下撓和跨中開裂病害的技術手段之一。預應力鋼索或鋼帶等材料的加固作用可以增強橋梁的結構，提高其抗震性和耐久性；加設預應力鋼索或鋼帶等材料，利于減輕橋梁關鍵部位荷載，從而增強橋梁整體承載力；體外預應力技術實施過程中，鋼筋套筒布置或調整更容易，因此可以大幅度地提高施工效率，節約大量施工所需的人力、物力和時間等成本[1]。

案例工程在抵御跨中腹板、底板和頂板開裂威脅中，采取了預應力體外加固技術，這里結合工程實用，在簡要介紹該預應力體外加固設計內容的基礎上，重點介紹該體外加固的施工工藝環節及技術要點，以為同類工程應用提供技術參考，助力維護預應力混凝土橋梁結構安全。

1 工程概況

華東某內河上的V形墩連續剛構橋，全長339 m，寬32 m。剛構連續梁跨度布局為（50+75+50）m，梁頂位處于4 375.875 m半徑的豎曲線上。經過一個時期的運行后，部分結構發生開裂。調查發現，裂縫主要分布在跨中腹板、底板和頂板，削弱主梁整體剛度，嚴重威脅混凝土預應力連續剛構橋使用安全，需要維修加固。為此采取了體外加設鋼構錨固系統、預應力鋼束和鋼構轉向系統等措施，以增強結構應力儲備和提高結構承載能力水平。

2 預應力體外加固設計

箱梁總長為175 m，“V”形墩頂設置了4個橫隔板，分別處于41.90 m、58.12 m、116.78 m和133.00 m處。在單幅箱梁中共有4個A型錨固塊，長2.35 m、寬0.74 m、高0.648 m。這些錨固塊縱向位處箱梁首尾端各2.55 m處，橫向位處中心線的兩側各1.11 m位置，通過植螺桿錨固于梁體底板和橫隔墻上。此外箱梁中還有4個B型錨固塊，長3.08 m，寬0.64 m，高0.6 m。它們位于單幅箱梁首尾端的各6.15 m處，橫向分別位處中心線的兩側3.28 m處，以植螺桿錨固在梁頂板。此外單幅箱梁中還有6個抗震支架，順橋向分布，位處18.15 m、49.95 m、82.45 m、83.45 m、115.95 m和148.6 m處，以植螺桿與梁底板、頂板連接。最后在單幅箱梁中共設置了4套轉向支架，分別位于29.45 m、70.45 m、104.45 m和145.45 m處。

3 預應力體外加固施工工藝

3.1 加工鋼構

錨固塊、抗震支架、轉向支架等鋼構部件由鋼板、熱軋寬翼緣角鋼、工鋼等材料組成[2]。為確保質量，所有構件都應該在工廠預制成型。在制造過程中，需要特別注意以下方面：

（1）切割鋼材。切割長度應符合圖紙設計規格，而且切割面上不得出現分層、夾渣、裂痕等表面缺陷。同時在切割過程中，需要確保邊緣處理和規格偏差符合設計要求。

（2）鋼板套眼鉆孔。未來避免植入位與鋼筋鉆孔發生嚴重錯位，影響裝配操作，需要在現場進行套眼鉆孔。在工廠加工時，應該注意這一點。應按照設計圖紙進行板件及構件套眼鉆孔，控制孔位和孔徑偏差，必須嚴格控制在設計標準以內。

（3）焊接。由于錨塊承力比較大，主要承力構件焊接操作時均采取坡口焊接縫[3]。焊接縫質量級別須為一級，轉向桁構和加力板的焊接縫質量級別不能低于二級。在進行焊接時，需要確保各種性能都不低于構件所用材料的對應標準。

3.2 結構裝配

（1）裝配錨固塊和轉向支架的基座板。通過鉆孔植筋將基座板固定于箱梁，在進行鉆孔植筋前需要使用鋼筋探測儀檢測箱梁鋼絞線的位置并做好標記，鉆植操作時需要避開箱梁鋼絞線，完成操作后需要在基座板上套眼并以粘鋼膠灌注，然后將螺母擰緊。裝配錨固塊墊板時應注意垂直于體外束，并確保定位非常精準，不能有較大誤差，同時轉向器中心及錨墊板孔道中心位置與設計誤差不能＞3 mm。錨固塊和轉向器基座板完成裝配后，進行支架節點板焊接，在焊接操作前需要確保桁架位置準確，并且焊接過程中要保證焊縫飽滿，以確保符合設計標準。

（2）錨固座、抗震支架、轉向架基座板注膠。完成基座板固定操作后，須在底座鋼板與混凝土的接觸面灌注鋼板膠。鋼板黏貼表面處理要求同于橋墩混凝土黏貼鋼板的處理要求。在注膠前，需要密封鋼板周邊孔隙，并預留徑值10～12 mm的注膠孔，孔間距約在300～400 mm。完成膠劑配制后，應在30 min內及時灌注，防止時間太長降膠體流動性，不利于注灌操作和影響注灌質量，應低速低壓注膠，并邊注膠邊以小錘輕敲鋼板。鋼板注膠后，沿黏貼面以小錘輕敲鋼板，如果不存在空洞聲，意味已經黏貼密實，否則應補鉆兩個以上的注孔進行補膠，其中一個用來作補膠排氣孔。

（3）裝配轉向架和抗震架。轉向支架需要重視其與體外預應力的垂直關系。抗震支架借助箱梁的底肋和頂肋配置底座。操作步驟如下：首先處理基座區域的混凝土表面，然后預制支架鋼構及頂底板梗脅基座部件，現場開孔基座鋼板，接著植筋裝配頂底板梗脅基座并注灌黏鋼膠，再裝配抗震支架及轉向支架，最后給予二次防腐處理[4]。

3.3 裝配轉向器

廠制完成轉向裝置加工，不能在現場進行加工。此外在進行現場裝配時，需要嚴格按照設計圖紙作業。在運輸和焊接過程中，應該注意采取措施防止結構形變。在實際穿線前，注意拉線檢測，以確保裝配準確。案例轉向器由（12根）內分絲管、（σ =5 mm）外鋼管、定位擋板、高強環氧砂漿填充料構成，轉向器系廠家專業制造。內分絲管可采取外徑φ25 mm的HDPE管，裝配分絲管前，內部須預涂潤滑劑。為避免在轉向器端部發生體外束彎折，也為了避免刮傷環氧涂層，需要采取相應的措施。轉向器結構如圖1所示。

填料可選擇高強環氧砂漿或者其他高強度填料。在灌注前，應進行試配，保證軸心的抗壓強度不低于30 MPa，并保持一定程度的流動性。在填充操作時，轉向器內部要確保密實，嚴禁存在空洞。

3.4 橫隔板上鉆孔

在橫隔板設計位置，通長體外束穿孔通過。整橋共配置4道橫隔板，均位處墩頂。橫隔板開孔取22 cm徑值，垂向位處底板上方1.90 m位置，橫向位處橋中線兩側分別為2.30 m和1.10 m位置，開孔位置如圖2所示。

墩頂橫隔板處的轉向器位置須先鉆孔，鉆孔位置注意避開箱梁既有預應力鋼筋，尤其是粗的預應力鋼筋。鉆孔操作應特別小心，仔細查閱設計圖，并通過儀器探測定位，防止碰碰已經存在的預應力筋。

完成鉆孔施工后，需要配置Φ1 200×219×7 mm鋼管，并在橫隔板鉆孔位置注灌黏鋼膠。對于同一根預應力束，墩兩側的橫隔板孔心線應保持同一直線、同一高度，應采取措施確保孔心兩側誤差控制在±4 mm之內。以水鉆加長連接桿進行橫隔板鉆孔，因為橫隔板厚度較大，為保證垂直鉆孔，應牢固固定水鉆，鉆進一節并鑿除混凝土，接長鉆桿再進鉆。

3.5 裝配體外束

采取環氧涂層12～15.24 mm鋼絞體外束。鋼絞場制成型后，整盤轉運至工程安裝現場。

（1）鋼絞線與錨具。在體外束進場后的驗收中，需要對其規格、包裝等給予嚴格檢查，同時還須抽樣檢驗其徑值誤差、力學性能等[5]。體外束一般要求應用強度要適當高于國家標準。體外束檢測須根據國家標準執行。在體外束運輸過程以及現場存放與施工時，應嚴格注意做好保護措施，避免環氧涂層為尖銳物體所損傷。體外束錨具應按設計標準落實，案例工程采用低回縮量專用錨具，其回縮量≤1.00 mm。

（2）錨具與預應力筋裝配注意要點如下：

①單端張拉體外束。A錨固塊為錨固端，工作長度一般為40 cm，B錨固塊為張拉端，工作長度一般為110 cm；外露鋼絞線的預留最小長度，即鋼絞線端部到張拉錨墊板外面長度一般為40 cm。

②整盤鋼絞線置放于梁底人孔附近，注意采取索盤臥式放置。

③采用人工穿束操作，穿過各轉向器位置應遵循孔眼同一位置統一穿過的原則，完成穿束后，以砂輪機穿束切斷操作。

④編束鋼絞線并扎捆好，保證每根鋼束平順，不能存在交叉絞扭情況，而且應當打緊夾片，同時保持一致外露。

⑤鋼絞線裝配存在時，應注意采取環氧涂層保護措施。可采取箱梁內墊橡膠墊或者土工織布方式，避免混凝土與鋼絞線直接接觸摩擦，傷害環氧涂層。

⑥裝配前，應將夾具和錨固件擦干凈，并進行檢查確認無任何損傷。裝配期間，錨具對齊管道，并在安裝過程中避免錘擊或其他粗暴操作。保持每根鋼絞線光滑，不可相互交叉和扭曲。在穿束過程中，應注意每根鋼絞線的編號，避免混淆。擰緊夾子并均勻暴露，以確保鋼絞線受到充分的預應力拉力。通常以套管法使夾子擰緊，需要注意夾子的數量和位置，以保證夾緊力均勻。

⑦在錨固塊位置，需要依次安裝錨墊板、錨具和夾片，在體外束完成張拉后再裝配防護罩。鋼絞線對應穿入錨具后，需要安裝夾片，并確保每個夾片安裝密實。可以采用套管打緊夾具，張拉鋼絞線時，要注意夾片是否松動，并且邊張拉邊將夾具打緊。

⑧完成錨固端、抗震器、轉向器裝配后，對鋼絞線角度進行核驗，統一驗收合格后才能進入張拉操作。

3.6 張拉體外束

（1）采取手持千斤頂開展體外束張拉操作，張拉前需要在經法定計量機構對壓力表和千斤頂給予校準配套。使用時應按照校準配套的油表和千斤頂配套使用。

（2）依次在張拉端錨固塊裝配錨墊板、錨具、夾片、頂鐵、千斤頂、錨具、夾片等。

（3）張拉體外束前，應由工程技術負責人圍繞張拉順序、程序、注意要點和防護措施等，向張拉作業人員和現場技術員進行交底。

（4）張拉操作時，應按同向、同時、成對、對稱張拉的原則。先操作TW1和TW2，再操作TW3和TW4，并且逐根進行張拉。

（5）張拉應力控制為σ =0.6 fptk=1 116 MPa。參考錨圈口的損失系數推導張拉總噸位，總噸位=Aσ +F（圈口損失應力），A為拉張鋼絞線斷面積。

（6）每束分四級張拉。拉張作業量按表1標準。每級張拉應給予穩壓2 min，待校核伸長值無誤后實施下級張拉。

（7）張拉采取應力控制，實施伸長值校核，應控制理論伸長值和實際伸長值誤差在±6%之內。

（8）完成體外束張拉后，需要裝配錨具并全密封保護罩，防護罩內注灌油脂。

4 結語

基于混凝土連續剛構橋抗裂養護工程實例，梳理介紹了所應用的預應力體外加固技術。文中簡要介紹了體外加固設計內容，在此基礎上重點介紹了預應力體外加固施工工藝，內容包括工前準備、加工鋼構、結構裝配、裝配轉向器、橫隔板上鉆孔、裝配體外束、張拉體外束等工序環節及技術要點。預應力加固可以強化橋梁結構，提高其抗震性和耐久性，減輕橋梁關鍵部位荷載，增強橋梁整體承載力。體外預應力實施過程中，鋼筋套筒布置或調整更容易，可以大幅度地提高施工效率，節約施工操作成本。體外預應力技術的不斷發展和完善，將會進一步提高橋梁的安全性和可靠性，為交通運輸事業作出更大的貢獻。

參考文獻

[1]杜晨光. 高墩大跨連續剛構橋穩定性與地震反應研究[D]. 武漢：湖北工業大學， 2019.

[2]關冀. 連續剛構橋箱梁底板開裂成因分析和對策研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2010.

[3]常亞輝. 預應力混凝土梁式橋下撓影響因素及對策[D]. 西安：長安大學， 2010.

[4]辛立江. 連續剛構橋地震時程響應及跨中強度的有限元分析[D]. 合肥：合肥工業大學， 2010.

[5]邱云. 體外預應力技術在連續剛構橋加固中的效果評價研究[J]. 中國新技術新產品， 2021（10）： 124-126.