咸宁预应力体外桥梁加固工艺研究

咸宁

严朝炉江西省交通桥梁检测加固有限公司

摘 要：某连续刚构桥通过增设预应力钢束、钢构锚固系统、钢构转向系统，开展预应力体外加固养护治理。工程应用表明，预应力体外加固技术有利于减轻桥梁关键部位荷载，从而增强桥梁整体承载力。结合工程实用，简要介绍该加固设计内容，重点介绍该体外加固的施工工艺要点，以为同类工程应用提供技术参考。

关键词：桥梁加固;大跨度;连续刚构;体外预应力;工艺研究;

作者简介：严朝炉（1996—）,男,本科,助理工程师,从事公路桥梁检测加固工作。;

0 引言

预应力体外加固是抗御连续刚构桥过度下挠和跨中开裂病害的技术手段之一。预应力钢索或钢带等材料的加固作用可以增强桥梁的结构，提高其抗震性和耐久性；加设预应力钢索或钢带等材料，利于减轻桥梁关键部位荷载，从而增强桥梁整体承载力；体外预应力技术实施过程中，钢筋套筒布置或调整更容易，因此可以大幅度地提高施工效率，节约大量施工所需的人力、物力和时间等成本[1]。

案例工程在抵御跨中腹板、底板和顶板开裂威胁中，采取了预应力体外加固技术，这里结合工程实用，在简要介绍该预应力体外加固设计内容的基础上，重点介绍该体外加固的施工工艺环节及技术要点，以为同类工程应用提供技术参考，助力维护预应力混凝土桥梁结构安全。

1 工程概况

华东某内河上的V形墩连续刚构桥，全长339 m，宽32 m。刚构连续梁跨度布局为（50+75+50)m，梁顶位处于4 375.875 m半径的竖曲线上。经过一个时期的运行后，部分结构发生开裂。调查发现，裂缝主要分布在跨中腹板、底板和顶板，削弱主梁整体刚度，严重威胁混凝土预应力连续刚构桥使用安全，需要维修加固。为此采取了体外加设钢构锚固系统、预应力钢束和钢构转向系统等措施，以增强结构应力储备和提高结构承载能力水平。

2 预应力体外加固设计

箱梁总长为175 m，“V”形墩顶设置了4个横隔板，分别处于41.90 m、58.12 m、116.78 m和133.00 m处。在单幅箱梁中共有4个A型锚固块，长2.35 m、宽0.74 m、高0.648 m。这些锚固块纵向位处箱梁首尾端各2.55 m处，横向位处中心线的两侧各1.11 m位置，通过植螺杆锚固于梁体底板和横隔墙上。此外箱梁中还有4个B型锚固块，长3.08 m，宽0.64 m，高0.6 m。它们位于单幅箱梁首尾端的各6.15 m处，横向分别位处中心线的两侧3.28 m处，以植螺杆锚固在梁顶板。此外单幅箱梁中还有6个抗震支架，顺桥向分布，位处18.15 m、49.95 m、82.45 m、83.45 m、115.95 m和148.6 m处，以植螺杆与梁底板、顶板连接。最后在单幅箱梁中共设置了4套转向支架，分别位于29.45 m、70.45 m、104.45 m和145.45 m处。

3 预应力体外加固施工工艺3.1 加工钢构

锚固块、抗震支架、转向支架等钢构部件由钢板、热轧宽翼缘角钢、工钢等材料组成[2]。为确保质量，所有构件都应该在工厂预制成型。在制造过程中，需要特别注意以下方面：

(1）切割钢材。切割长度应符合图纸设计规格，而且切割面上不得出现分层、夹渣、裂痕等表面缺陷。同时在切割过程中，需要确保边缘处理和规格偏差符合设计要求。

(2）钢板套眼钻孔。未来避免植入位与钢筋钻孔发生严重错位，影响装配操作，需要在现场进行套眼钻孔。在工厂加工时，应该注意这一点。应按照设计图纸进行板件及构件套眼钻孔，控制孔位和孔径偏差，必须严格控制在设计标准以内。

(3）焊接。由于锚块承力比较大，主要承力构件焊接操作时均采取坡口焊接缝[3]。焊接缝质量级别须为一级，转向桁构和加力板的焊接缝质量级别不能低于二级。在进行焊接时，需要确保各种性能都不低于构件所用材料的对应标准。

3.2 结构装配

(1）装配锚固块和转向支架的基座板。通过钻孔植筋将基座板固定于箱梁，在进行钻孔植筋前需要使用钢筋探测仪检测箱梁钢绞线的位置并做好标记，钻植操作时需要避开箱梁钢绞线，完成操作后需要在基座板上套眼并以粘钢胶灌注，然后将螺母拧紧。装配锚固块垫板时应注意垂直于体外束，并确保定位非常精准，不能有较大误差，同时转向器中心及锚垫板孔道中心位置与设计误差不能>3 mm。锚固块和转向器基座板完成装配后，进行支架节点板焊接，在焊接操作前需要确保桁架位置准确，并且焊接过程中要保证焊缝饱满，以确保符合设计标准。

(2）锚固座、抗震支架、转向架基座板注胶。完成基座板固定操作后，须在底座钢板与混凝土的接触面灌注钢板胶。钢板黏贴表面处理要求同于桥墩混凝土黏贴钢板的处理要求。在注胶前，需要密封钢板周边孔隙，并预留径值10～12 mm的注胶孔，孔间距约在300～400 mm。完成胶剂配制后，应在30 min内及时灌注，防止时间太长降胶体流动性，不利于注灌操作和影响注灌质量，应低速低压注胶，并边注胶边以小锤轻敲钢板。钢板注胶后，沿黏贴面以小锤轻敲钢板，如果不存在空洞声，意味已经黏贴密实，否则应补钻两个以上的注孔进行补胶，其中一个用来作补胶排气孔。

(3）装配转向架和抗震架。转向支架需要重视其与体外预应力的垂直关系。抗震支架借助箱梁的底肋和顶肋配置底座。操作步骤如下：首先处理基座区域的混凝土表面，然后预制支架钢构及顶底板梗胁基座部件，现场开孔基座钢板，接着植筋装配顶底板梗胁基座并注灌黏钢胶，再装配抗震支架及转向支架，最后给予二次防腐处理[4]。

3.3 装配转向器

厂制完成转向装置加工，不能在现场进行加工。此外在进行现场装配时，需要严格按照设计图纸作业。在运输和焊接过程中，应该注意采取措施防止结构形变。在实际穿线前，注意拉线检测，以确保装配准确。案例转向器由（12根）内分丝管、（σ=5 mm）外钢管、定位挡板、高强环氧砂浆填充料构成，转向器系厂家专业制造。内分丝管可采取外径φ25 mm的HDPE管，装配分丝管前，内部须预涂润滑剂。为避免在转向器端部发生体外束弯折，也为了避免刮伤环氧涂层，需要采取相应的措施。转向器结构如图1所示。

填料可选择高强环氧砂浆或者其他高强度填料。在灌注前，应进行试配，保证轴心的抗压强度不低于30 MPa，并保持一定程度的流动性。在填充操作时，转向器内部要确保密实，严禁存在空洞。

3.4 横隔板上钻孔

在横隔板设计位置，通长体外束穿孔通过。整桥共配置4道横隔板，均位处墩顶。横隔板开孔取22 cm径值，垂向位处底板上方1.90 m位置，横向位处桥中线两侧分别为2.30 m和1.10 m位置，开孔位置如图2所示。

墩顶横隔板处的转向器位置须先钻孔，钻孔位置注意避开箱梁既有预应力钢筋，尤其是粗的预应力钢筋。钻孔操作应特别小心，仔细查阅设计图，并通过仪器探测定位，防止碰碰已经存在的预应力筋。

完成钻孔施工后，需要配置Φ1 200×219×7 mm钢管，并在横隔板钻孔位置注灌黏钢胶。对于同一根预应力束，墩两侧的横隔板孔心线应保持同一直线、同一高度，应采取措施确保孔心两侧误差控制在±4 mm之内。以水钻加长连接杆进行横隔板钻孔，因为横隔板厚度较大，为保证垂直钻孔，应牢固固定水钻，钻进一节并凿除混凝土，接长钻杆再进钻。

3.5 装配体外束

采取环氧涂层12～15.24 mm钢绞体外束。钢绞场制成型后，整盘转运至工程安装现场。

图1 转向器结构示意图（mm) 下载原图

图2 横隔板孔位布置（mm) 下载原图

(1）钢绞线与锚具。在体外束进场后的验收中，需要对其规格、包装等给予严格检查，同时还须抽样检验其径值误差、力学性能等[5]。体外束一般要求应用强度要适当高于国家标准。体外束检测须根据国家标准执行。在体外束运输过程以及现场存放与施工时，应严格注意做好保护措施，避免环氧涂层为尖锐物体所损伤。体外束锚具应按设计标准落实，案例工程采用低回缩量专用锚具，其回缩量≤1.00 mm。

(2）锚具与预应力筋装配注意要点如下：

(1)单端张拉体外束。A锚固块为锚固端，工作长度一般为40 cm,B锚固块为张拉端，工作长度一般为110 cm；外露钢绞线的预留最小长度，即钢绞线端部到张拉锚垫板外面长度一般为40 cm。

(2)整盘钢绞线置放于梁底人孔附近，注意采取索盘卧式放置。

(3)采用人工穿束操作，穿过各转向器位置应遵循孔眼同一位置统一穿过的原则，完成穿束后，以砂轮机穿束切断操作。

(4)编束钢绞线并扎捆好，保证每根钢束平顺，不能存在交叉绞扭情况，而且应当打紧夹片，同时保持一致外露。

(5)钢绞线装配存在时，应注意采取环氧涂层保护措施。可采取箱梁内垫橡胶垫或者土工织布方式，避免混凝土与钢绞线直接接触摩擦，伤害环氧涂层。

(6)装配前，应将夹具和锚固件擦干净，并进行检查确认无任何损伤。装配期间，锚具对齐管道，并在安装过程中避免锤击或其他粗暴操作。保持每根钢绞线光滑，不可相互交叉和扭曲。在穿束过程中，应注意每根钢绞线的编号，避免混淆。拧紧夹子并均匀暴露，以确保钢绞线受到充分的预应力拉力。通常以套管法使夹子拧紧，需要注意夹子的数量和位置，以保证夹紧力均匀。

(7)在锚固块位置，需要依次安装锚垫板、锚具和夹片，在体外束完成张拉后再装配防护罩。钢绞线对应穿入锚具后，需要安装夹片，并确保每个夹片安装密实。可以采用套管打紧夹具，张拉钢绞线时，要注意夹片是否松动，并且边张拉边将夹具打紧。

(8)完成锚固端、抗震器、转向器装配后，对钢绞线角度进行核验，统一验收合格后才能进入张拉操作。

3.6 张拉体外束

(1）采取手持千斤顶开展体外束张拉操作，张拉前需要在经法定计量机构对压力表和千斤顶给予校准配套。使用时应按照校准配套的油表和千斤顶配套使用。

(2）依次在张拉端锚固块装配锚垫板、锚具、夹片、顶铁、千斤顶、锚具、夹片等。

(3）张拉体外束前，应由工程技术负责人围绕张拉顺序、程序、注意要点和防护措施等，向张拉作业人员和现场技术员进行交底。

(4）张拉操作时，应按同向、同时、成对、对称张拉的原则。先操作TW1和TW2，再操作TW3和TW4，并且逐根进行张拉。

(5）张拉应力控制为σ=0.6 fptk=1 116 MPa。参考锚圈口的损失系数推导张拉总吨位，总吨位=Aσ+F（圈口损失应力），A为拉张钢绞线断面积。

(6）每束分四级张拉。拉张作业量按表1标准。每级张拉应给予稳压2 min，待校核伸长值无误后实施下级张拉。

表1 应力束张拉分级及作业量 下载原图

(7）张拉采取应力控制，实施伸长值校核，应控制理论伸长值和实际伸长值误差在±6%之内。

(8）完成体外束张拉后，需要装配锚具并全密封保护罩，防护罩内注灌油脂。

4 结语

基于混凝土连续刚构桥抗裂养护工程实例，梳理介绍了所应用的预应力体外加固技术。文中简要介绍了体外加固设计内容，在此基础上重点介绍了预应力体外加固施工工艺，内容包括工前准备、加工钢构、结构装配、装配转向器、横隔板上钻孔、装配体外束、张拉体外束等工序环节及技术要点。预应力加固可以强化桥梁结构，提高其抗震性和耐久性，减轻桥梁关键部位荷载，增强桥梁整体承载力。体外预应力实施过程中，钢筋套筒布置或调整更容易，可以大幅度地提高施工效率，节约施工操作成本。体外预应力技术的不断发展和完善，将会进一步提高桥梁的安全性和可靠性，为交通运输事业作出更大的贡献。

参考文献

[1] 杜晨光.高墩大跨连续刚构桥稳定性与地震反应研究[D].武汉：湖北工业大学,2019.

[2] 关冀.连续刚构桥箱梁底板开裂成因分析和对策研究[D].重庆：重庆交通大学,2010.

[3] 常亚辉.预应力混凝土梁式桥下挠影响因素及对策[D].西安：长安大学,2010.

[4] 辛立江.连续刚构桥地震时程响应及跨中强度的有限元分析[D].合肥：合肥工业大学,2010.

[5] 邱云.体外预应力技术在连续刚构桥加固中的效果评价研究[J].中国新技术新产品,2021(10):124-126.