混凝土连续桥梁体外预应力加固技术研究

刘杰

（广东省公路建设有限公司南环段分公司，广东广州 510000）

1 工程概况

九江互通GK0+777.628匝道桥位于国道主干线广州绕城公路南环段，上跨佛开高速公路主线。该桥起点桩号为GK0+213.864，终点桩号为GK1+62.874，总长849.01 m。全桥共划分为七联，第五联上部结构为预应力混凝土连续箱梁，单箱单室结构，跨径组合为32 m+34 m+32 m，梁高为2.10 m。顶板宽12.50 m，顶板厚28 cm。底板宽7.20 m，底板厚25 cm。腹板厚40 cm，在中支点附近加厚到60 cm。箱梁悬臂长2.65 m，端部厚16 cm，根部厚45 cm。下部构造采用独柱墩、双柱墩，肋式桥台，墩台均为钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计。

2 桥梁存在病害及成因分析

2.1 桥梁存在的病害情况

本桥于2010年12月建成通车，2015年度检查报告显示：15#孔梁底存在大量横向裂缝，裂缝越靠近跨中分布越密集，裂缝宽度在0.08～0.24 mm不等，个别裂缝为L型裂缝和U型贯通裂缝；箱梁右翼板存在较多横向裂缝，左翼板存在较少裂缝；箱梁的左右腹板都存在较多裂缝，且靠近跨中部位比较密集。

16#孔梁底L/4～3L/4处存在16条横向裂缝，其宽度在0.08～0.16 mm不等，个别裂缝与腹板竖向裂缝相连形成“L”型裂缝[1]。左右翼板分别存在7条、8条横裂，裂缝宽度在0.1～0.14 mm；左右腹板均存在6条竖向裂缝，裂缝宽度在0.08～0.14 mm，大多分布在桥孔L/4～3L/4处。

17#孔梁底L/4～3L/4处存在11条横向裂缝，宽度在0.08～0.14 mm，且在底面中间存在一条长8.5 m、宽0.1 mm的纵向裂缝；左翼板存在7条横向裂缝，右翼板存在3条；腹板竖向存在较少裂缝和2处蜂窝。

2.2 加固思路

结构构件的带裂缝的工作状态将“削弱”其使用效能，加固措施的首要任务是在恢复原有结构的使用功能的基础上，适当提高结构的可靠度与耐久性，因此九江互通GK0+777.628匝道桥第五联加固的目标为85规范汽-超20、挂-120汽车荷载标准，原结构达到预应力混凝土A类构件；在04规范情况下极限承载能力满足要求。

对第5联采用主动加固的方式进行加固，通过施加体外预应力，以提高箱梁结构的预应力度，改善梁体结构的使用性能和耐久性[2]。

体外预应力采用4根15-17环氧涂覆无粘结钢绞线，索体由无粘结钢绞线经扭绞并热挤?HDPE护套而成，转向器采用集束式转向器（后期可整体换索），锚具采用A15-17规格。体外预应力布置位置见图1。

3 箱梁体外预应力加固施工

3.1 开孔作业

（1）箱梁梁底开孔

（2）桥面开孔

根据箱内新增锚固横梁，转向块的位置，复核现场数据，在桥面开一个直径14 cm的孔。此孔可作箱内通风及浇筑混凝土时用。

（3）横隔梁开孔

开孔工具采用抽心钻。按照图纸数据，用平水仪在横隔梁两侧箱内放出索孔位置。先用40 mm小钻头在对应索孔位置钻孔，直至导孔钻通。根据导孔完成质量情况，再用160 mm钻头进行钻孔。

图1 体外预应力布置位置（单位：cm）

3.2 预应力齿板及转向块制作

（1）施工方样

按照设计图纸所提供的参数，在箱梁内使用红漆和墨线放样出锚固横梁、转向块、限位减震器等位置，并标注出钻孔植筋的具体位置。

（2）新旧混凝土接触面打磨、剪力槽设置

为保证新旧混凝土接触面的连接性能，需要在新旧混凝土结合面进行凿毛和刻槽。混凝土表面凿毛深度不小于6 mm，剪力槽尺寸为6 cm×4 cm，间距为17.5 cm。

（3）钻孔植入锚固钢筋

钻孔位置按照设计要求控制放样，植筋孔采用手提冲击钻进行，采用小振动施工工艺，以保证不损伤箱梁。按照设计要求的锚筋埋深和钻孔直径来控制钻孔深度和大小。钻孔的深度不小于设计深度。

（4）钻孔前必须先用钢筋探测仪对原结构钢束和钢筋进行探测、定位，必要时应对孔道位置进行适当调整，以避开钢筋位置，但不减少钢筋根数。

（5）钻孔完成后用高压空气和毛刷对成孔进行清理，保证种植锚筋前孔内无灰尘，保证锚筋的锚固效果。

（6）植筋胶采用进口A级胶。正式种植前，模拟种植锚筋，按钢筋插入工艺进行设置，并进行拉拔试验。

3.3 模板安装

（1）骨架形成后，按照加厚段形状立模。施工模板拟采用木模板，模板必须具有足够的强度、刚度，并保证锚固横梁和转向块的形状、尺寸准确。

（2）模板要求平整、接缝严密、装拆容易、操作方便，如有缝隙需塞堵严密，以防跑浆。

（3）立模时采取可靠、牢固的支撑措施，防止跑模、漏浆。

3.4 混凝土浇注

（1）锚固横梁和转向块混凝土均采用C50补偿收缩自密实混凝土。

（2）项目施工前，进行混凝土配合比设计。混凝土的配置除要满足技术规范及设计图纸的要求外，还要满足施工的要求。

（3）混凝土内添加聚丙烯晴纤维，掺入量为每立方米混凝土掺入0.9 kg。

（4）混凝土浇注前需将模板内的杂物清除干净。模板、钢筋检查合格后方可进行混凝土的浇注。

（5）混凝土浇筑前30 min在原混凝土面喷涂界面剂。

（6）对混凝土进行养护，养护用水为自来水，配备箱内储水设施供水以保证养护条件，采用覆盖养生薄膜洒水保湿养生方式，养生时间不小于7 d，并严格按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50—2011）有关规定进行。

（7）混凝土浇筑时应留足混凝土试件，同条件养护和标养7 d与28 d。

3.5 预应力钢束安装和张拉

（1）材料送检

体外索进场后，对钢绞线、夹片等材料进行送检，送检合格后再使用。

（2）智能张拉系统标定

张拉前将整套智能张拉系统送到具有相应资格的单位进行标定，并出具标定报告。千斤顶和油表要配套标定和使用。

（3）钢绞线下料与安装

本次项目钢绞线采用环氧涂无粘结M15-17钢绞线成品索和可调可更换型TSK15-17锚具。

a.钢绞线的下料：按照设计图纸计算钢绞线下料长度，进行钢绞线的切断下料工作。下料长度的计算要考虑钢束曲线长、锚夹具长度、千斤顶长度及外露工作长度等因素，按相应索号分别做好标记，要统一编号、挂牌。钢绞线下料采用手提式砂轮切割机切割，禁止采用电弧切割。

b.穿束前要对预埋管道进行清理。穿入预应力管道的各股钢绞线，必须顺直、无交叉。

c.在14#墩附近桥面开孔，使用卷扬机将体外索往箱内牵引。体外索一端通过卷扬机牵引穿过各跨内的转向块、横隔板后穿入17#墩处锚固横梁内，再反向牵引另一端穿入14#墩处的锚固横梁内[3]。

d.安装锚具和夹片：将钢绞线逐根穿入锚具的孔眼内，然后将锚具顺着钢绞线推至锚垫板处，并靠紧。将夹片套入钢绞线上，并推入锚头的锥形孔中。

e.安装千斤顶：将与锚具规格相对应的限位板套在钢束上，并推至锚头处，将张拉千斤顶悬挂在一活动支架上，用2个梳形导向叉，将钢绞线梳分，使钢绞线的分布与千斤顶内的孔眼对准，并使其顺利穿过千斤顶盘孔。

3.6 预应力钢束张拉

体外索采用应力控制方法张拉时，伸长值进行校核，实际伸长值与理论伸长值的差值必须符合设计要求，设计无规定时，实际伸长值与理论伸长值的差值控制在±6%以内，否则暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后，方可继续张拉。

体外索张拉时，伸长值从初应力时开始量测。索的实际伸长值除了量测的伸长值外，必须加上初应力以下的推算伸长值。体外索张拉的实际伸长值 ΔL（mm）可按式（1）计算。

式中：ΔL1为从初应力至最大张拉应力间的实测伸长值（mm）；ΔL2为初应力以下的推算伸长值，可采用相邻级的伸长值。

体外索的理论伸长值计算ΔL（mm）可按式（2）计算。

式中：K取0.004，μ取0.09，建议现场进行摩阻试验，实测μ值。

混凝土养护龄期达7 d及混凝土强度达到设计强度的95%后，方可张拉预应力钢束，具体施工如下：

（1）张拉操作工艺

a.预应力钢束的张拉顺序，应使结构受力均匀、同步，所以在张拉过程中应遵循同步、对称、两端同时张拉的原则。预应力钢束设计张拉顺序为N1→N2，箱梁底板板两侧左右对称张拉。

b.安装锚具时应注意工作锚环对中，夹片均匀打紧并外露一致，千斤顶上的工具锚孔位与齿板端部的工作锚孔位排列要一致，以防在千斤顶穿心孔内打叉。

c.安装张拉设备时，应使张拉力的作用线与孔道中心线末端的切线重合。

d.张拉操作步骤：每根钢绞线单根对称张拉至0.10 P，以此作张拉伸长值测量基点δ0→整束初张拉至0.5倍设计张拉力P→持荷5 min→量测延伸量δ1→张拉至设计吨位P→持荷5 min→量测延伸量δ2→达到设计吨位后开始回油→量测延伸量δ3，在每级张拉时需分级持荷观察。

e.张拉时，每个截面都应尽量避免滑丝、断丝现象，如有发生，其数量不大于截面总数的1%，且任何情况下不允许出现整根钢绞线拉断，否则应换索重拉。

f.张拉完成后，回油，依次拆卸工具夹片、工具锚、千斤顶和限位板。

（2）张拉伸长值的量测

张拉伸长量测量以智能张拉系统记录为主，人工测量为辅。人工测量使用测量精度≤1 mm的标尺测量。

（3）伸长值校核

如果实际伸长值超出计算伸长值的-6%～+6%，则应暂停张拉，并需与设计单位共同处理后，方可继续张拉。伸长值校核应在张拉过程中同时校核。

（4）灌浆、封锚

预应力钢束张拉完成后，在密封筒内灌注环氧砂浆，并在保护罩内涂抹防腐油脂，然后安装保护罩。

（5）安装减震器

钢绞线张拉完成后，根据施工现场实际情况，量测钢绞线中心距箱梁底板距离，据此加工减震器高度。减震器加工完成后，按照图纸设计位置使用螺栓锚固在箱梁底板上。

（6）封锚

锚头两端的多余钢绞线使用手提砂轮机进行处理，不可使用电弧切割或者是气割。

（7）安装防松装置

将防腐油脂按照设计的要求灌注好，将灌浆管和施工设备连接好，并将其与工作锚板上面的注浆口进行紧密连接。当防腐油脂从另一端的出浆口流出后，则说明防腐油脂已注满。

（8）安装保护罩

锚头两端多余的钢绞线使用手提砂轮进行平整，不可使用电弧切割。在对锚头进行防腐处理时，需使用油脂进行作业，并将保护罩安装好。

4 加固后静载试验结果

2017年12月，委托广东交通集团检测中心对加固后的九江互通GK0+777.628匝道桥进行静载试验。根据加固后静载试验结果，得出结论：

（1）加固后静载试验各工况的挠度校验系数和应变校验系数均满足《试验规程》的常值范围要求。

（2）静载试验过程中裂缝宽度略有增大，但卸载后裂缝基本能恢复，且各工况的相对残余变位和相对残余应变均满足《试验规程》小于20%的要求。

（3）A-A、C-C截面的梁底应变平均值与钢板应变平均值基本一致，说明加固钢板能够与原结构协同作用；通过加固前后试验数据对比，试验过程裂缝扩展宽度较加固前小，说明加固措施对裂缝有一定的抑制作用；同时加固后各工况挠度和应变校验系数较加固前小，说明结构受力有明显改善。

综上所述，加固后该桥满足85规范汽车-超20级、挂车-120的设计荷载要求。

5 结语

综上所述，本工程采用体外预应力加固技术对桥梁工程进行加固后取得了良好的加固效果，降低了道路使用过程中出现裂缝和下挠的情况，提高了桥梁结构荷载能力，延长了公路桥梁的使用年限，具有较高的推广应用价值。