超長聯現澆箱梁體外預應力加固施工技術研究

賴德金 熊子多

摘要 隨著城市發展，已建的各式橋梁在車輛等各種外部因素共同影響下，將先后引發各類病害問題。其中，橋梁病害的出現和發展對預應力混凝土連續梁橋的影響尤為嚴重，為有效減輕橋梁病害，提高橋梁的承載能力，文章以廈門大橋改造加固項目為例，詳細分析了超長聯混凝土連續梁橋體外預應力加固施工技術的特點、原理和流程。應用結果表明，所提工法可有效提高橋梁承載能力，具有廣闊的推廣價值和應用前景。

關鍵詞 橋梁病害；體外預應力加固；混凝土連續梁橋

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）23-0047-04

0 引言

近年來，體外預應力施工技術的快速發展為提升混凝土連續梁橋的承載能力提供了契機。體外預應力加固法通過設置體外預應力鋼束^[1]，主動對橋梁結構施加外力，改善其應力狀況，使裂縫封閉，抵消部分下撓，提高結構剛度^[2]。由于主動施加外力，體外預應力加固法沒有效應滯后的缺陷，是一種積極有效的主動加固方法。廈門大橋是一座典型跨海施工的超長聯預應力混凝土連續梁橋，其改造加固項目采用了體外預應力技術進行加固施工，所用的體外預應力加固施工技術具有很強的參考價值。因此，該文以廈門大橋為例，在現有體外預應力技術的基礎上^[3]，結合現場實際，提出了一套適用于跨海大橋改造加固的預應力加固施工方法。該方法在保證橋梁結構施工效率的前提下，可以顯著提高既有超長聯混凝土連續梁橋的承載能力。

1 工程概況

廈門大橋于1991年通車，該橋左右兩幅共設雙向四車道，橋梁全長為6 695 m，其中主橋長度為2 070 m。廈門大橋橋面設19 m寬車道和兩側1.5 m寬人行道，其結構為46 m×45 m的五聯預應力箱形連續梁結構體系。

隨著城市化進程加快和人口增加，原有的通行能力已無法滿足不斷增長的交通需求。同時，長期且繁重的交通壓力導致廈門大橋主橋箱梁梁底、腹板和翼緣等部位均出現了裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土龜裂等損害。因此，為提升其通行能力和安全性能，緩解進出島交通壓力，廈門市啟動了對大橋的改造加固工程。

2003—2018年，廈門大橋已進行14次養護維修工作，其中2018年的檢修維護工作尤為突出，其檢測結果為廈門大橋改造加固項目的制定提供重要參考。在其2018年的年度報告中，分別詳細介紹了廈門大橋上部結構、下部結構和橋面檢查情況。對于主橋箱梁，檢查報告顯示：

箱梁內表面共計裂縫4 433條，總長8 661.3 m。其中頂板裂縫4 045條，總長8 226.8 m；底板橫向裂縫3條，總長10.2 m；腹板裂縫385條，總長424.3 m。全橋的箱梁內表面中共存在9處網狀裂縫，總面積3.67 m²；3處蜂窩、麻面，總面積0.78 m²；4處剝落掉角，總面積0.24 m²；3處空洞、孔洞，總體積0.4 m³；6處銹脹、露筋，總面積0.21 m²；4處泛堿，總面積1.015 m²；1處混凝土破損，總面積0.037 5 m²。箱梁外表面共計裂縫337條，總長269.3 m。其中翼緣板縱向裂縫8條，總長6.7 m；底板裂縫289條，總長228.7 m；腹板裂縫40條，總長34 m。全橋的箱梁外表面中共存在11處網狀裂縫，總面積4.6 m²；7處蜂窩、麻面，總面積2.59 m²；39處剝落掉角，總面積2.66 m²；55處空洞、孔洞，總體積0.034 2 m³；16處銹脹、露筋，0.324 5 m²；1處泛堿，1處混凝土破損，總面積0.09 m²。

為充分調查廈門大橋材質的具體情況，2018年分別檢測了主橋鋼筋、鋼筋保護層、混凝土及其裂縫。經檢測，廈門大橋跨海主橋鋼筋部位部分區域存在銹蝕開裂區域。同時還觀測到，主橋大部分橋墩存在銹脹開裂，造成部分區域出現混凝土剝落和鋼筋外露等現象。另一方面，各測區不同深度混凝土氯離子含量均在0.4～0.7之間，橋墩混凝土中氯離子含量有可能誘發鋼筋銹蝕。廈門大橋主梁所測裂縫深度均大于鋼筋保護層設計值40 mm，裂縫處混凝土內鋼筋暴露于空氣的可能性較大，對混凝土鋼筋耐久性有較大不利影響。同時，箱外所測底板橫向裂縫最大深度為96 mm，小于底板厚度160 mm，并未貫穿底板。所測腹板豎向裂縫最大深度96 mm，同樣小于腹板厚度420 mm，未貫穿腹板。

由于廈門大橋箱梁結構已出現較為嚴重的損害，為對大橋進行修復，項目計劃采用體外預應力加固技術。

2 工法原理及特點

該工法設置了多組鋼拉桿預應力束，并對其施加預應力，從而達到箱梁結構的加固效果。如圖1所示，給出了廈門大橋主橋箱梁截面及其體外預應力束的布置示意，圖1可知每幅箱梁均按跨布置設6束15-7型體外索，其中墩頂附近彎起的4束體外索張拉控制應力為1 116 MPa；底板直通束布設2束，其張拉控制應力為600 MPa。為穩定提升主梁的承載力，6束體外索均采用混凝土錨塊與原結構進行連接錨固。需要注意的是，為保障結構整體統一，混凝土塊內部均通過植筋與原結構連接。

同時，為加快整體結構的施工生產，箱梁跨中區域的預應力體外索轉向塊采用鋼結構形式，而墩頂橫隔板部位為混凝土預應力轉向塊。

另一方面，廈門大橋改造加固項目采用了移動模架技術，將預應力加固的模架與其他項加固項目相結合，形成了一種新型施工方式。這種采用移動模架和預應力施工相結合的橋梁加固工程，具有明顯的特點和優勢。所提施工方法可以顯著提高施工效率、縮短工期、降低成本、提高加固效果。同時，移動模架技術可以在施工過程中快速調整，以滿足不同橋梁的加固需求。并且，預應力施工技術可以提高橋梁的承載能力，延長橋梁的使用壽命。

3 體外預應力加固施工工藝流程

對于超長聯預應力混凝土連續梁橋，廈門大橋體外預應力加固施工包括有鋼結構施工、混凝土結構施工和預應力張拉施工三個部分。

按照施工順序，鋼結構施工分為：測量放樣、找平打磨、預應力筋掃描、錨栓錨固、鋼板下料、鋼板鉆孔及安裝、鋼板焊接、軸線定位、轉向器安裝和灌鋼共10個步驟。混凝土結構施工包含：混凝土鑿毛、取孔、植筋、模板安裝和自密實混凝土澆筑5個步驟。最后一項預應力張拉施工工序則有：體外束穿束、剝除PE、錨具及附件安裝、體外束張拉、減隔震支座安裝和封錨6個步驟。因此，對于超長聯預應力混凝土連續梁橋，所提工法的加固施工共有21項技術較為復雜的工序，其分步工序的施工質量直接關系到整體體外預應力加固施工工藝的施工質量。其中，核心施工工序有鋼板鉆孔及安裝、灌鋼、自密實混凝土澆筑和體外束張拉4項。

3.1 鋼板鉆孔作業

對于鋼板鉆孔作業，在施工前，應仔細核對相應施工圖紙上的規定尺寸。同時，箱梁加固過程中的制孔均需采用鉆孔工藝，并在鉆床上對劃線部位進行機械鉆孔。為保證施工質量，其所鉆圓孔應為圓柱形，同時鉆孔部位需與結構表面保持垂直，孔位周邊的部位需清潔毛邊并檢查有無破損開裂部位，若孔緣存在破裂或凹凸的痕跡，則應另選部件重新進行鉆孔。

在鉆孔完成后，結構應按施工圖紙的要求仔細核對構件的幾何尺寸及連接關系，對齊鉆孔部位并有序連接各個零部件。若結構出現彎曲、扭曲等變形現象，還應對其進行修正，待檢查合格后方可進行后續施工步驟。

3.2 灌鋼作業

灌鋼主要施工順序如下：表面處理→注漿孔設置和封邊→配制黏結劑→灌注→鋼板表面防腐處理。

（1）表面預處理：首先需要對鋼構件表面的污垢和銹蝕進行處理，以確保黏結性能。實施除銹之前，首先需要用相應清洗劑進行清潔并保持結構表面干凈清潔。對于磨損和腐蝕嚴重的鋼構件，在局部除銹的同時，為保證結構強度，還需要更換銹蝕嚴重的薄弱部位，避免其影響鋼構件的使用壽命。

（2）注漿孔設置和封邊：根據鋼板的黏貼面，在任意一面位置選擇合適的點作為灌膠孔，同時確保其他周邊每隔0.5 m左右插入軟管作為排氣管的使用。對于傾斜或垂直安裝的鋼板而言，則需要在最低點設置注膠孔，最高位置需要插入排氣管。

（3）配制黏結劑：根據供應商提供的產品說明書要求，正確比例的配制黏鋼灌注結構密封劑。使用低速攪拌器攪拌均勻，使黏合劑充分反應。需要注意的是，在混合攪拌時，應防止空氣進入黏合劑，從而避免熱固化期間黏合劑的起泡現象。如果有空氣進入黏合劑，在黏貼前需要進行真空脫氣。同時，冷儲存的黏合劑在使用時必須進行加熱至適當的溫度，從而達到最佳性能。

（4）灌注：為保證黏鋼結構密封劑充分地灌注進鋼板和混凝土的空隙中，施工時應采用相應機械泵等設備將密封劑從下至上注入傾斜放置的鋼板空隙中。同時施工人員需具備一定的技能和經驗，確保涂抹密封劑時均勻、平整，不出現氣泡和漏涂等現象。在灌注過程中，還需要對黏鋼結構密封劑進行通氣試壓，其通氣壓力為0.2～4 MPa。

（5）防腐處理：待黏鋼結構密封劑灌注完成后，還需對外露鋼板表面進行防腐處理。需要注意的是，在防腐涂裝前，所有的鋼結構都要除去各種附著在鋼表面的污物，處理后的鋼結構表面必須及時噴涂防腐涂料并保證其表面無明顯銹跡。在面漆涂裝過程中，需要實時檢查涂料有無滲漏，面漆涂抹需保證涂層厚度均勻，無針孔、剝落、起泡、錯涂、漏涂等缺陷。

3.3 混凝土澆筑作業

為保證施工質量，對于超長聯混凝土連續梁橋的預應力加固項目，所提工法采用C55補償收縮自密實混凝土制作混凝土轉向塊，當采用硅酸鹽水泥或普通水泥時，其強度等級應大于42.5，從而保證混凝土轉向塊的結構強度。混凝土中還需加入經審批合格的礦物摻和料以滿足施工需求，同時不影響混凝土的收縮補償和自密實性能。粗骨料則應選擇質地堅硬、清潔且符合規范要求的材料。

在澆筑前需做好充分準備，確保輔助結構的一次成型效果并降低施工縫的出現概率；為使新混凝土與原結構混凝土緊密結合，澆注后期應對孔洞進行加壓并保持一定壓力。由于自密實混凝土難以泵送且需保證密實度，采用以下方式進行澆注：

（1）首先需要在輔助結構位置對應的橋面上開設直徑為10 cm的混凝土孔洞，使用箱外拌和料從橋面往混凝土孔洞中向下注入混凝土。需要注意的是，由于箱梁環境的限制，在施工過程中，為保證施工質量，應采用自密實混凝土進行澆筑。

（2）在模板附近預留振搗孔進行振搗，澆注過程中注意速度不宜過快以防止混凝土不均和氣泡產生。為保證施工質量，振動器的移動間距應嚴格控制，最大移動距離不應超過振動器作用半徑的1.5倍。同時振動器需作用于混凝土模板內5 cm處進行工作，工作期間的每個振動部位需保證振搗密實但不可超量。

（3）待混凝土澆筑完成后，需立即使用自密實混凝土填充輔助結構位置對應的橋面孔洞。同時需要嚴格把控混凝土拆模時間，待拆除非承重模板后，再拆除承重的模板及支撐。拆模過程中需一次連續拆除，并嚴禁模板位置下方有非施工人員進入。

（4）采用覆蓋土工布并專人不間斷澆水的方式進行混凝土養生，確保表面長期濕潤。在滿足強度和彈性模量試驗的基礎上，盡量減少水灰比并降低水泥用量；同時，使用符合規范的骨料級配。澆筑時需避免高溫時段或采取措施以減少水化熱及預防后期裂縫。

3.4 束張拉作業

在混凝土強度達到設計要求后，智能張拉設備就位并安裝千斤頂。接下來進行鋼絞線的張拉，采用整束整體張拉方式，采用兩端對稱的張拉伸長量校核。千斤頂在安裝之前必須進行標定和油表配套校正，進場前須經有資質單位標定。在體外束進行張拉作業時，應遵循應力控制為主的原則，根據應變值作為參考輔助校核，即結合油壓表讀數和體外束張拉量進行控制，嚴格控制實際施工過程中的讀數和理論計算的差值保持在±6%之內。

為了確保結構的安全并減小預應力不平衡張拉對結構的影響，主梁箱內和體外預應力張拉需遵循對稱原則。橫橋向每跨設置6根鋼束，按對稱原則進行張拉；縱橋向同一橫隔板兩側的各2根彎起束交叉錨固。在箱內體外束張拉過程中，應對關鍵截面（如錨固端和轉向處）進行實時監測。若發現混凝土表面出現新裂縫或有裂縫擴張趨勢，應立即停止張拉并分析原因進行調整。主橋的每一聯中跨部分每兩跨度需進行單跨張拉，而邊橋臨近過渡墩的跨度則采用單程張拉。同時，在進行鋼絞線的倒頂操作時，必須先用頂壓器將夾片緊固，然后回油，以防止鋼絞線過長導致滑絲現象的發生。此外，在張拉過程中，還要注意控制張拉的速度和應力，確保張拉過程的平穩和準確。同時，張拉設備應定期進行檢查和維護，確保其工作狀態良好。

4 體外預應力加固施工注意事項

張拉作業過程中，所設轉向塊和錨固塊中抗剪螺栓的強度對施工的安全開展和結構整體質量有重要影響，因此施工前需嚴格檢查預設抗剪螺栓的抗剪強度。另一方面，在對圖1的6束體外索進行張拉的過程中，還需要實時監測混凝土錨固塊的混凝土應力，防止張拉應力過大，導致混凝土塊局部壓裂。當混凝土實測應力超過允許范圍應立時，應立即張拉作業，并對損毀部件進行補強替換等措施。對于主體箱梁結構，在張拉過程中也應實時監測裂縫的發展情況，并通過固定裝置約束箱梁內部體外索在張拉過程中的橫向移動，確保體外索張拉束與箱梁橫隔板混凝土可以相對貼合并均勻傳力。

張拉過程中，6支鋼束錨固段均需要預留足夠的夾片外露鋼鉸線長度，其至少為設計值150 cm。同時，在張拉端為施工人員配備6 mm厚、40 cm寬的鋼擋板作為安全防護。為防止張拉端、錨后端的鋼絞線松動穿出傷人，相應危險位置應避免站人。

對于張拉狀態的張拉束，不得直接將其剪切，應放松預應力后再進行操作。當已張拉的體外索需要放松減輕預應力時，張拉端錨具應使用特制的放松裝置進行施工作業。需要注意的是，體外預應力束的保護套需要進行防火操作，當在施工現場進行電、氣焊作業時，相關人員需經培訓考核合格并具備特種作業證等相關證件，并嚴禁無資質人員使用任何電、氣焊設施。從事相關操作的工人必須嚴格遵循安全技術操作規程，正確佩戴安全防護用品（如絕緣鞋、保險墊和電焊手套）；高處作業及臨邊場所或可能發生懸空墜落的作業必須系好安全帶。在特殊環境如水上焊接或氣切割時，需先搭建固定竹筏及浮箱再鋪設絕緣墊等防護措施方可進行作業，在施工過程中須將電焊線、氧氣管和乙炔管用固定裝置加以捆綁。氧氣瓶和乙炔罐須按照規范擺放且周圍不得堆放易燃危險物品，以防發生火災。電焊機的安裝接線須由專業電工負責操作；控制電器需做到機、閘和漏電保護器動作靈敏，確保接地接零牢固可靠。

5 體外預應力加固效果分析

廈門大橋應用所提的體外預應力加固技術后，需將試驗監測結果和所設計的預應力進行對比，從而分析所提的體外預應力加固施工方法的實際效果。

對于預應力加固方法的結構應力提升設計值D_s，應依據《混凝土結構設計規范》規定進行計算。對于一段長度為x、曲線包角為θ的預應力筋埋設管道，有：

在廈門大橋G1和G2兩個預應力筋管道的加固過程中，通過預設的壓力傳感器、應變計等設備進行監測，得到了對應的結構應力應變監測數據。如表1所示，為所測G1和G2兩個管道的摩擦系數實測值和設計預測值。觀察發現，管道對應的摩擦系數均能得到準確預測，表明所采用的監測設備及方法具有較高準確性和可靠性。這一結果有助于為后續管道加固工程提供有效的數據支持，從而提高工程的安全性和穩定性。

通過對G1和G2管道的摩擦系數進行測量，發現總體偏差較小，與設計值較為吻合。在此基礎上，可以繼續計算這兩個管道的加固應力提升值。如表2所示，所測兩個管道的結構強度均有明顯提升，表明所提出的方法在提高管道強度方面具有顯著效果。因此，所提出的方法具有較強應用價值，可以為類似管道加固項目提供有效的解決方案。

從經濟效益角度進行分析，當采用箱內搭設支架取孔的一般方案時，廈門大橋左右幅共計92跨，需要8套支架，施工期間需將支架整體轉移92次以滿足現場生產需求。同時，每搭設一處支架需要2 h，一跨共需搭設4處，工人共需8人。完成92跨支架搭設共需要消耗人工8人，耗時92 d。一套支架的市場單價為2 000元/套/月，支架搭設工人市場單位為400元/d，總成本為84 800元。

而采用所提出的方法，每套支架需要操作人員1人，1跨內共需要操作人員4人，新型自測孔深頂板專用取孔裝置4套，其中每套裝置成本為800元/套。總成本為3 200元，成本僅為一般方法的3.8%，大大降低了施工成本。同時，所提出的方法還能提高施工效率，減少車流量對施工精度的干擾，具有更高的推廣價值和應用前景。

6 總結

迫于與日俱增的交通壓力，各式橋梁在長期工作下會出現不同程度的裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土龜裂等問題，為在保證施工效率前提下減輕橋梁病害，提高橋梁承載能力，該文以廈門大橋改造加固項目為研究背景，結合廈門大橋所用的移動模架和沿海施工環境，提出了一種適用于超長聯預應力混凝土連續梁橋箱梁加固改造的體外預應力加固施工技術。同時，該文從體外預應力加固施工技術的工藝原理和流程角度詳細介紹了所提工法的應用效果。廈門大橋改造項目的應用結果表明，所提工法可以大大減少車流量對施工精度的干擾，進而提高施工速度，同時該工法及其適用于連續梁橋的加固項目，可有效提高橋梁承載能力，延長橋梁的營運時間，具有廣闊的推廣價值和應用前景。

參考文獻

[1]張星海. 體外預應力加固技術在混凝土連續箱梁橋中的應用[J]. 交通世界， 2023（14）： 159-161.

[2]王正， 管樂， 胡光曉. 大跨度連續剛構橋體外預應力加固技術研究[J]. 黑龍江交通科技， 2023（5）： 123-125.

[3]趙洲， 晉民杰， 宋茂林， 等. 體外預應力加固對空心板橋動力特性影響分析[J]. 太原科技大學學報， 2022（6）： 555-559.

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：賴德金（1971—），男，本科，高級工程師，研究方向：工程建設項目。