混凝土连续桥梁中体外预应力加固技术应用

沈青青

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

在施工技术日益成熟和机械设备推广使用的背景下，现代工程建设中大跨度连续桥梁的数量越来越多[1-2]。这类桥梁大多采用大体积混凝土浇筑而成，由于混凝土自重和车辆荷载等诸多因素的影响，随着使用年限的增加，在荷载压力作用下容易发生缓慢弯沉、变形，导致桥梁混凝土构件出现开裂，带来安全隐患[3-4]。因此，无论是为了预防桥体裂缝的出现，还是控制已经发生弯曲变形的部位继续恶化，都必须采取加固措施。体外预应力加固是一种国际通用的连续桥梁加固方法，经过多年的实践和改良，已经形成了较为成熟的技术规范。其原理是确定桥梁上应力集中、荷载过大的部位，在其外侧布置预应力筋，从外部施加一个预应力，该预应力产生的反弯矩抵消荷载产生的内力，进而达到提高桥梁极限承载能力、保障桥梁结构安全的目的[5]。在工程实践中，除了掌握体外预应力加固的流程外，还要根据现场情况采取严密的技术管控措施，才能达到预期的加固效果。

1 工程背景

某混凝土连续桥梁总长度1 633 m ，为双向六车道形式，桥面总宽度17.8 m。桥梁横截面采用双向双室结构，箱梁规格为12.4 m×10.0 m×4.8 m。该工程于2017年建成并投入使用。最近一次常规检测时，在桥梁第二、三跨之间的梁体出现了若干处纵向裂缝，其中有四处较为严重，裂缝最大宽度超过1 cm，最大长度超过了50 cm。这些裂缝的存在已经对桥梁的结构稳定和使用安全带来了严重隐患，必须要尽快处理。

根据现场检测以及开展的荷载试验，所得数据表明出现裂缝处的桥梁控制断面，应力校验系数在0.8～1.1之间，说明桥梁整体结构较为稳定，但是局部承载力不足；而挠度校验系数均大于1，说明桥梁刚度已经达不到设计标准。经过分析，传统加固方法虽然能够达到预期效果，但是具有操作难度较大，作业成本较高等弊端，采用体外预应力加固是一种更为理想的选择方案。

2 混凝土连续桥梁中体外预应力加固技术

基于体外预应力加固的技术方案，明显的优势在于施工单位可以根据实测结果，包括弯曲变形程度、裂缝长度宽度等，灵活配置方案内容，直到符合加固要求。除此之外，体外预应力加固不仅可以简化施工难度，而且方便后期进行预应力检测，在质量验收和动态监测等方面也提供了一定便利。在明确了选择体外预应力加固后，根据现场勘查所得数据，编制完整的体外预应力加固施工方案，完成技术交底后开始正式施工。

2.1 箱梁内增设体外预应力设施

结合桥梁施工资料，可知锚固段使用C50混凝土浇筑而成。因此，在体外预应力加固时，同样选择C50混凝土齿板。现场调查发现，在锚固段与主箱梁连接的部分，原来的混凝土已经因为荷载、振动等原因出现了裂缝，结构变得十分松散。借助工具将这部分混凝土清理干净。在锚固段与主箱梁的空隙处植入数根直径为20 mm的HRB335型钢筋。在锚固段，钢筋插入深度不得低于20 cm，保证固定效果。另外，布置直径为16 mm的无黏结型钢绞线，数量与钢筋保持相同，该钢绞线的最大抗拉强度不低于2 000 MPa。完成布置后，进行单端张拉试验。在试验中达到最大张拉力时，保证张拉端钢束长度不低于60 mm，锚固段钢束张拉长度不低于20 mm。张拉试验结束后，裸露钢筋、钢绞线均涂抹黄油，避免出现腐蚀。最后，找到预应力钢束两端固定位置，在固定点下方约10 cm处，安装放松脱装置，避免出现预应力钢束在受力后脱落的情况。

2.2 锚块施工

锚块除了提供支撑、加固作用外，还能够对混凝土结构中已经出现的裂缝起到遏制作用，避免裂缝在应力作用下继续发育、扩张。根据锚块材质不同，分为混凝土锚块、钢锚块，其施工技术也不尽相同。（1）混凝土锚块。选择与桥梁原混凝土构件相同的混凝土材料加工制作锚块。混凝土锚块安装前，需要对其原混凝土表面进行打磨和凿毛处理，一是保证锚块的各个端面能够保持平整；二是有利于锚块固定。对于打磨与凿毛处理中掉落的灰渣，也要及时进行清扫。选择钻机，根据之前标记出的锚固位置进行钻孔，清理钻孔内的灰渣，检查成孔效果。确定孔深、孔径、孔斜率等均符合要求的情况下，在孔内植入钢筋，然后浇筑混凝土，待养护结束后拆除模板，完成混凝土锚块的施工。（2）钢锚块。钢锚块必须提前预制然后进行现场安装。在不同桥梁工程中，钢锚块按照其功能差异分为两种，分别是摩擦力钢模块和剪力键钢锚块。前者适用于新建桥梁，后者适用于已经投入运行多年的桥梁。在本次工程中，桥梁建成投运时间较短，因此，在体外预应力加固时选择摩擦力钢锚块。

施工流程及技术要点：（1）根据体外预应力加固方案，确定摩擦力钢锚块的基本参数，然后进行提前预制。（2）将预制钢锚块按照顺序放置到标记好的位置，通过浇筑混凝土的方式进行固定。为了保证加固效果，所用混凝土应符合《公路桥梁加固施工技术规范》（JTGT J23—2008）中的相关规定。（3）进行混凝土养护，使混凝土与钢模块牢牢固定。（4）在钢锚块和桥梁横截面支架植入钢筋，钢筋一端采用焊接方式与钢锚块连接，另一端则穿过横截面，在另一侧使用螺丝进行固定。螺栓设计标准见表1。

表1 螺栓设计标准值

2.3 体外预应力测定

运用体外预应力加固技术处置桥梁荷载裂缝时，在加固施工结束之后要及时开展预应力检测，根据检测结果判断加固效果是否达到预期。以往加固经验表明，即便是按照标准方法完成了体外预应力加固，也会受到诸多因素的干扰，导致加固效果达不到预期。例如，未做防腐措施、未设置放松脱装置、或者安装锚具时忘记加装夹片等。因此，通过精确测定预应力，若检测结果表明未达到预期，需要现场技术人员检查加固施工中哪个环节出现了差错，从而及时改正，消除质量隐患，保证加固效果。预应力检测的对象多样，体外索张拉力是其中影响较大的因素之一。本次工程中检测索力张拉效果采用的是磁通量定法。原理为钢索在受到外部压力作用后，由于内力发生变化，进而导致电流频率也出现相应的改变。此时利用相应的仪器密切检测电流、磁通量的变化值，然后利用软件完成分析，直观展示跨中部位或者主梁断面的索力。通过对第二跨和第三跨的跨中下缘、支点上缘进行预应力检测，得到检测结果见表2。

表2 主梁断面预应力检测结果

由表2可知，第二跨、第三跨体外索张拉力均达到了施工方案中预设的理论值，说明加固效果良好。除此之外，对比跨中、支点的体外预应力检测结果也可以发现，无论是第二跨还是第三跨，均出现主跨跨中截面压应力储备明显高于主跨支点的情况，说明桥梁荷载主要集中在跨中部位。根据受力分布特点，在体外预应力加固时，着重对两跨中间位置采取加固措施，使桥梁主体结构保持相对稳定。在检测预应力变化的过程中，发现第二、三跨之间出现几处裂缝，没有继续加宽、延伸，也没有新裂缝的出现，说明本次体外预应力加固方案取得良好效果，保障了连续桥梁的结构安全。

3 结语

在大跨度、连续梁投入使用一段时间后，因为混凝土自身重力作用，以及车辆超载等原因，桥梁跨中部位因为荷载较大、应力集中，较大概率会出现变形、裂缝。在日常检测中，若发现裂缝出现、变形严重，应引起重视，并立即采取措施予以处理。体外预应力加固作为一种成熟技术，通过在箱梁内增设体外预应力设施，在应力集中部分加装混凝土锚块或钢锚块等方式，能够显著提升桥梁结构的承载力，对延长桥梁使用寿命和保障其使用安全有积极作用。