張基成

（徐州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 徐州 221000）

1 工程概況

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是通過提高結(jié)構(gòu)組件的承載力，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)加固的目標(biāo)。本文以某大橋建設(shè)工程項(xiàng)目為例，對橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行全面分析。該橋梁總設(shè)計(jì)長度為218.4m。橋梁的上部結(jié)構(gòu)為55.9m+90m+55.9m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主梁為單箱單室截面，箱梁的頂部寬12m，底部寬6m，橋墩高度為5.4m。整個(gè)橋梁的高度按拋物線變化。箱梁設(shè)計(jì)為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式，其中：豎向的橋梁預(yù)應(yīng)力采用螺紋鋼筋加固；橫向的橋梁預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線束加固。橋梁的下部設(shè)計(jì)為鋼混結(jié)構(gòu)的薄壁墩身，重力式臺(tái)座。該項(xiàng)目中的2#橋墩設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)，其他橋墩全部設(shè)計(jì)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

通過對建成橋梁的全面檢查，發(fā)現(xiàn)該橋梁主要存在以下質(zhì)量缺陷：梁體部分鋼筋暴露在空氣中，鋼筋銹蝕，混凝土振搗不密實(shí)，混凝土破碎，鋼筋保護(hù)層不符合設(shè)計(jì)要求，梁體表面存在裂縫，橋梁主跨的中間區(qū)域出現(xiàn)下?lián)系取＿M(jìn)一步對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)，箱梁的控制斷面的拉應(yīng)力及抗彎承載力不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，同時(shí)橋梁的承載能力未達(dá)到公路-Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，需要對橋梁采取加固措施，以保證其承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

施工單位結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況以及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面分析后，決定采用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，主要原因?yàn)椋孩倏梢郧擅畹叵糠趾爿d；②可以最大程度發(fā)揮加固材料的性能，提高橋梁結(jié)構(gòu)的剛度及承載能力；③體外索的波動(dòng)不是很大，為后期更換力筋提供了便利；④控制橋梁結(jié)構(gòu)的撓度和裂縫，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗裂性能；⑤便于掌控體外索的應(yīng)力；⑥施工過程中不會(huì)對路面交通造成影響，且對橋梁運(yùn)行的影響比較小；⑦施工機(jī)械設(shè)備組成簡單，可以縮短施工工期，經(jīng)濟(jì)性較好。

2 體外預(yù)應(yīng)力加固施工技術(shù)原理

體外預(yù)應(yīng)力加固法是在結(jié)構(gòu)物體外設(shè)置預(yù)應(yīng)力索，對結(jié)構(gòu)主體施加外部作用力，以達(dá)到優(yōu)化當(dāng)前結(jié)構(gòu)主體受力的一種加固工藝。目前，常用的預(yù)應(yīng)力索主要有鋼絞線、預(yù)應(yīng)力碳纖維板、螺紋鋼筋鋼絲束等。這種加固技術(shù)的基本原理是在體外橋梁上部結(jié)構(gòu)施加額外的預(yù)應(yīng)力，借助預(yù)應(yīng)力形成的轉(zhuǎn)矩作用力來抵消外部荷載形成的內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力卸載的目的，間接提升橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，優(yōu)化橋梁的抗裂性能。

體外預(yù)應(yīng)力加固法的特點(diǎn)主要是：①優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力筋曲線，在轉(zhuǎn)角部位與預(yù)應(yīng)力筋連接，可以減少連接構(gòu)件的摩阻損失，提升預(yù)應(yīng)力的作用效率；②可以結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況合理選擇預(yù)應(yīng)力布設(shè)的位置，根據(jù)橋梁病害的具體情況選擇合理的加固方式；③由于加固組件自身的幾何尺寸較小，所以構(gòu)件比較輕，可以小幅提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力；④加固構(gòu)件不會(huì)與橋梁結(jié)構(gòu)黏結(jié)，預(yù)應(yīng)力波動(dòng)不是很大，可以優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的受力；⑤體外索可調(diào)換，從而便于運(yùn)營期間的維修；⑥工藝簡單，不需要過多的設(shè)備和人力，且工期不長，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

體外預(yù)應(yīng)力加固法通常用于加固主梁抗彎和承載能力不足的橋梁，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，能夠確保橋梁的安全性，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此得到了廣泛運(yùn)用。

3 體外預(yù)應(yīng)力加固施工技術(shù)要點(diǎn)

梁式橋結(jié)構(gòu)是一種純彎結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)受到的荷載計(jì)算公式如下：

式（1）中：σ為荷載作用下橋梁梁體形成的預(yù)應(yīng)力；M為荷載作用下主梁的彎矩；W為主梁截面的抗彎值。

結(jié)合該橋梁的建設(shè)要求以及目前的實(shí)際需求，加固目的主要為：①提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，保證承載力控制在合理范圍內(nèi)[1-2]；②抵消箱梁部位混凝土的預(yù)應(yīng)力，提升梁體的抗裂性能；③減小箱梁腹板部位的拉應(yīng)力，避免橋梁結(jié)構(gòu)繼續(xù)開裂；④優(yōu)化橋面線形，減緩主梁的下?lián)稀?/p>

目前常用的橋梁結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)措施主要有擴(kuò)大混凝土截面尺寸、鋪設(shè)碳纖維布、設(shè)置鋼板等，但是這些方法無法滿足該橋梁加固的實(shí)際需求。結(jié)合實(shí)際情況，加固材料屬于被動(dòng)受力，這就意味著加固材料只承受活載，無法承受恒載，并且無法改變混凝土截面預(yù)壓應(yīng)力，所以單一使用以上加固補(bǔ)強(qiáng)方法無法取得良好的效果。鑒于此，使用體外無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)對該橋梁進(jìn)行加固，具體的加固措施為：在箱梁內(nèi)設(shè)置體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，以使加固后的橋梁路面達(dá)到公路-Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 體外預(yù)應(yīng)力加固施工流程

體外無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固方法的施工流程為：測量箱梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束的安裝部位→對齒板、加勁肋板及轉(zhuǎn)向塊的位置進(jìn)行測量放線→對箱梁頂板部位進(jìn)行開孔作業(yè)→開鑿出齒板、加勁肋板及轉(zhuǎn)向塊部位的箱梁→鉆孔、清孔、孔內(nèi)植筋→焊接、綁扎齒板、加勁肋板及轉(zhuǎn)向塊部位的鋼筋→安裝模板并澆筑齒板、加勁肋板及轉(zhuǎn)向塊部位的混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力鋼束→張拉預(yù)應(yīng)力筋→封錨、防護(hù)→恢復(fù)箱梁頂板。

3.2 體外預(yù)應(yīng)力筋布置

橋梁體外預(yù)應(yīng)力筋的安裝位置和數(shù)量應(yīng)結(jié)合受拉區(qū)域的受力狀況予以確定。對當(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)箱梁中跨部位的抗彎承載能力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，體外預(yù)應(yīng)力鋼束全部為腹板彎起束。腹板彎起束需在橋梁跨中部位設(shè)置8束鋼絞線束，鋼絞線束的規(guī)格為19φs15.24mm，在兩側(cè)的邊跨分別設(shè)置8束鋼絞線束，鋼絞線束的規(guī)格為13φs15.24mm。結(jié)合實(shí)際情況，由于預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量較多，可以分散式布設(shè)。所有的預(yù)應(yīng)力鋼束全部經(jīng)鉆孔通過主墩橫隔板。預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉作用力取值為鋼絞線強(qiáng)度的60%，單根鋼絞線的張拉作用力為15.62t。成孔內(nèi)的渣土、混凝土碎塊必須清理干凈。

3.3 錨固構(gòu)造

（1）端部現(xiàn)澆錨塊

分析原設(shè)計(jì)圖可知，橫隔板的幾何尺寸偏大，施工人員無法直接在設(shè)計(jì)部位進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉，加之預(yù)應(yīng)力束比較多，為保證施工人員的人身安全以及工期不受影響，可以選擇使用現(xiàn)澆錨塊開展作業(yè)?？傊?，在不會(huì)對原橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束造成影響的前提下，使用植筋技術(shù)進(jìn)行施工，并在新舊混凝土交接部位開鑿剪力槽。

（2）墩頂錨固構(gòu)造

沿墩頂進(jìn)行鉆孔作業(yè)，沿線需要安裝預(yù)應(yīng)力管道。管道安裝完成后，澆筑混凝土。

3.4 轉(zhuǎn)向裝置

由于必須保證完成體外預(yù)應(yīng)力鋼束的水平折彎與豎向折彎，因此需要在箱梁中內(nèi)置轉(zhuǎn)向設(shè)備。轉(zhuǎn)向設(shè)備利用現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工，在轉(zhuǎn)向設(shè)備的兩側(cè)各安裝5個(gè)隔斷板，隔斷板的厚度為80cm。

結(jié)合原鋼筋、預(yù)應(yīng)力束、轉(zhuǎn)向塊及加勁肋板的具體位置，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙確定齒板的位置和尺寸，并進(jìn)行水平面測量放線，用油漆進(jìn)行標(biāo)注。

為避免混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張，在箱梁受拉區(qū)域的腹板部位鋪設(shè)鋼板，以此實(shí)現(xiàn)加固補(bǔ)強(qiáng)的效果。

3.5 頂板開孔

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑你@孔位置，對橋梁路面進(jìn)行鉆孔。在鉆孔作業(yè)之前，施工人員應(yīng)先確定箱梁橫縱方向預(yù)應(yīng)力筋的位置，保證不與受力區(qū)域產(chǎn)生沖突。

3.6 鑿毛處理

必須將轉(zhuǎn)向塊、頂板、鋼筋保護(hù)層及混凝土表面的碎屑清理干凈，用刷子對外漏的鋼筋做除銹處理，最后使用高壓水槍沖洗。

3.7 鉆孔機(jī)孔內(nèi)處理

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所示的加固部位，在齒板部位使用電錘鉆對盲孔進(jìn)行清理，清孔的深度不小于20cm，盲孔的直徑約為22mm。將孔內(nèi)的渣土、混凝土碎塊清理干凈，鉆孔質(zhì)量需滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3.8 種植齒板鋼筋

利用種植錨固構(gòu)件連接錨筋，將攪拌均勻的膠黏劑裝置在注射器內(nèi)，由盲孔底部開始作業(yè)，將藥劑注入孔內(nèi)。清理干凈錨筋表面的油漆或鐵銹，然后將齒板錨筋緩慢插入盲孔底部，保證錨筋在盲孔內(nèi)的長度不小于20cm，其他部位的錨筋按照以上方法施工。鋼筋表面必須清理干凈，確保不存在油漬、鐵銹。

3.9 焊接齒板構(gòu)造鋼筋

待膠黏劑固化后，開始綁扎其他部位的鋼筋，使齒板部位形成鋼筋骨架。一般情況下，膠黏劑的固化時(shí)間主要受所處的環(huán)境溫度影響，大概為2～60min。

3.10 澆筑新增齒板

當(dāng)鋼筋骨架形成后，開始安裝齒板、轉(zhuǎn)向塊、肋板部位的模板，兼顧預(yù)埋鋼管的位置，然后澆筑混凝土，形成整體性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。混凝土澆筑過程中，嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行振搗作業(yè)，保證混凝土硬化后不會(huì)表現(xiàn)出蜂窩、麻面。

3.11 混凝土養(yǎng)生

待混凝土澆筑完成且強(qiáng)度達(dá)到初凝強(qiáng)度以后，方可進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)作業(yè)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%以后，施工人員開始進(jìn)行張拉作業(yè)。

3.12 新增預(yù)應(yīng)力穿束

預(yù)應(yīng)力鋼束穿束之前，對墩頂部位的橫隔板進(jìn)行開孔，然后穿束。穿束過程中應(yīng)保證鋼絞線保護(hù)套不被損壞。

3.13 張拉預(yù)應(yīng)力束

當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束穿束作業(yè)結(jié)束后，開始對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉。為保證相同部位預(yù)應(yīng)力張拉過程中，不會(huì)出現(xiàn)彈性壓縮損失，應(yīng)保持鋼束的預(yù)應(yīng)力一致。施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行作業(yè)，張拉設(shè)備需由具備專業(yè)資質(zhì)的第三方單位進(jìn)行標(biāo)定，張拉作業(yè)中嚴(yán)格控制伸長量，并注意觀察力度，避免出現(xiàn)異常[3]。

3.14 體外預(yù)應(yīng)力束防護(hù)

待預(yù)應(yīng)力鋼束張拉作業(yè)完成，將保護(hù)膜套在張拉端，以實(shí)現(xiàn)防護(hù)效果，并方便二次張拉作業(yè)。

4 跨中增設(shè)橫肋局部應(yīng)力分析

箱梁中跨跨中增設(shè)橫肋后，Midas FEA局部應(yīng)力分析有限元模型見圖1。

圖1 增設(shè)橫肋后局部應(yīng)力分析模型

當(dāng)加固的橫肋安裝完成以后，合龍?zhí)幍淖畲筘Q向作用力為1.51MPa，橫向拉應(yīng)力為0.98MPa，主拉應(yīng)力為1.88MPa，底板底層橫向拉應(yīng)力為1.17MPa。結(jié)果表明，跨中合龍段中間底板倒角處拉應(yīng)力顯著降低，增設(shè)橫肋和體外預(yù)應(yīng)力后跨中合龍段局部應(yīng)力得到明顯改善。

5 施工質(zhì)量控制措施

5.1 梁體鉆孔

該項(xiàng)目需要在梁體表面鉆眼，使用沖擊電錘進(jìn)行施工，若只由單側(cè)向另一側(cè)鉆進(jìn)，那么當(dāng)電錘的鉆頭在不足5cm部位時(shí)，另一側(cè)的混凝土可能會(huì)由于電錘的沖擊作用而崩落，出現(xiàn)一個(gè)漏斗形的孔口，從而影響梁體質(zhì)量。因此，在對梁體進(jìn)行鉆眼時(shí)，當(dāng)鉆頭距離另一側(cè)10cm左右時(shí)，開始從另一側(cè)進(jìn)行對鉆作業(yè)，同時(shí)避免出現(xiàn)螺栓錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。實(shí)際鉆孔過程中，電錘應(yīng)始終與梁體保持垂直，這樣可以有效保證孔的垂直。當(dāng)鉆孔順直以后，則可保證螺栓與梁體垂直。

5.2 梁體的鑿毛打磨

梁體需要鋪設(shè)鋼板，在需鋪設(shè)部位對已經(jīng)受風(fēng)化影響的松散混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理，鑿至漏出新鮮混凝土即可。鑿毛表面必須足夠平整，鑿毛面邊緣部位的凹痕控制在5mm以內(nèi)。

5.3 鋼板的粘貼錨固

在鋪設(shè)鋼板之前，使用毛刷將混凝土鑿毛面的表面顆粒清理干凈，然后涂刷酒精。螺栓安裝之前保證表面足夠潔凈、無污漬，然后使用丙酮擦洗。將鋼板表層打磨光滑、干凈，直至露出金屬的光澤。此外，還必須保證金屬的紋路與受力方向垂直。

在安裝螺栓的過程中，先在螺栓安裝孔內(nèi)填充黏結(jié)膠，再安裝螺栓。為保證黏結(jié)膠不會(huì)因?yàn)槁菟ò惭b被擠壓出來，使用與螺栓直徑相同的橡膠板封堵另一側(cè)孔。在鋪設(shè)鋼板的過程中，對混凝土表面進(jìn)行處理，然后在鋼板表面涂抹膠層，再開始鋪設(shè)鋼板。黏結(jié)膠應(yīng)沿著鋼板邊緣部位被擠壓出來。

6 結(jié)語

綜上所述，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的施工效能比較顯著，可以大幅度提高橋梁的抗彎承載性能，減小橋梁的主梁受力，促使混凝土裂縫迅速閉合。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，在實(shí)踐過程中可以高效發(fā)揮加固、卸載及減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的優(yōu)點(diǎn)，適合大范圍推廣。使用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，可確保橋梁的荷載滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且加固效果比較顯著。本文的研究希望可以為同類項(xiàng)目施工提供參考。