大跨度变截面预应力混凝土连续箱梁体外预应力加固技术

2010-07-27罗珅

中国新技术新产品 2010年15期

罗珅

（广东省长大公路工程有限公司，广东广州 510620）

1 概述

某特大型桥梁，全长2352m，主桥上部结构为双幅单箱单室预应力混凝土连续箱梁，跨径组合为65+100+65m。设计荷载：汽超-20级，挂车-120级。主桥变截面箱梁高度介于220～560cm之间，箱梁顶板厚25cm，腹板厚42cm，底板厚度介于18～80cm之间变化。

桥梁经过若干年运营后，出现了箱梁截面开裂、跨中下挠等病害，且病害日趋严重。

2 主要病害及成因分析

该桥主要病害如下：

该桥在前期检查中发现边跨及中跨腹板出现近45°斜裂缝，中跨跨中合拢段出现U形裂缝，裂缝贯通左右腹板，历次检查结果对比显示该桥原有裂缝继续发展且不断有新的裂缝产生。

原线形测量结果显示，以设计标高为参照并考虑基础沉降后，左幅主桥跨中下挠较多，预应力损失较为明显，主跨跨中截面预应力度不满足全预应力结构的要求。

实际桥面铺装厚度过大，且沥青铺装厚度分布离散严重，实际铺装厚度非常不均匀，并且分布在主跨跨中附近。

经分析，施工误差引起箱梁恒荷载过大及汽车超载等因素导致箱梁预应力度不足，是箱梁下挠的主要原因。

3 连续箱梁体外索加固施工

3.1 箱梁体外索布置

箱梁加固采用的体外预应力钢束为两股沿底板的曲线束和两股箱内的直线束。

图1 预应力索布置示意图

底板束锚固构造特点：在箱梁底板两侧四分之一跨的位置浇筑新齿板，通过在箱梁底板凿出剪力槽，新旧混凝土接触面种植钢筋，使结构共同受力。底板束均通过齿板锚固于底板上并靠近底板布置。直线长束则锚固于主墩墩顶对应的横隔梁上。

该工程钢绞线束均采用带PE护套的15-12环氧喷涂钢绞线成品索，标准强度为1860MPa，锚具采用可更换索式的TSK15-12型锚具。钢绞线束公称截面积为16.8cm2，破断索力为3125KN。A1号索为短索，根数为2根，A2号索为长索，根数为2根。体外索设计张拉力为2031KN。

3.2 体外索加固施工总体工艺

根据设计要求，在设置齿板处植入直径16mm的钢筋，植入深度为20cm，并与齿板钢筋焊接，设置可更换索式的TSK15-12型锚具，外径为102×5mm的钢管。预应力钢束轴线应与锚垫板垂直。

锚下的螺旋筋及加强钢筋要严格按要求设置，喇叭管与锚垫板、预应力管道要连接平顺、密封，对锚垫板上的压浆孔要妥善封堵，防止浇注混凝土时以上部位漏浆，造成穿束困难。

齿板混凝土按照设计要求强度进行配合比设计。齿板混凝土采用商品混凝土。7天强度大于80%的设计强度，28天强度大于50MPa。每立方米齿板混凝土内掺入钢纤维78.5kg，掺入纤维素纤维0.9kg。为尽量减少车辆震动影响混凝土初凝以及新老混凝土的结合效果，浇筑前进行充分准备，确保一次浇筑成形，不允许产生施工缝。混凝土浇筑过程中封闭桥面交通。混凝土浇筑采用地泵接管泵送工艺。

体外索的张拉顺序为先张拉主梁底板曲线短束A1号束，后张拉主梁底板直线长束A2号束。

3.3 体外索安装工艺

按照设计图纸计算无粘结钢绞线下料长度，在厂内进行无粘结钢绞线的切断下料工作。下料长度的计算应考虑钢束曲线长、锚夹具长度、千斤顶长度及外露工作长度等因素。

布索完成后，按图纸要求在相应位置设置减震器或减震支座。

穿束前首先要准确计算张拉端的PE护套剥除的长度，无粘结预应力筋张拉段范围内PE层先行去掉，将内部油脂全部清除干净，以确保夹片与钢绞线的咬合。穿束过程中必须小心，防止碰坏刮伤体外索的索体PE护套。穿束完成后方能安装锚头。千斤顶及其辅助设备（如工作锚、限位板、悬浮式张拉支撑撑脚）要求配套安装与使用，相关的加工尺寸及参数须准确一致。

3.4 体外索张拉工艺

体外索张拉原则。混凝土养护龄期达7天及混凝土强度达到设计强度的90%后，方可张拉预应力钢束。

张拉过程实行分级张拉工艺，最后锚下控制应力为1209MPa。根据体外索设计张拉力，选择YCW250B型千斤顶进行张拉。

张拉荷载采用"双控"法进行控制，即主要以压力表的读数为准，再结合检测到的箱梁应力和索的延伸量校核为辅的控制方法。预应力钢束的张拉顺序，应使结构基本上保持受力均匀、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。

在体外索张拉前后与张拉过程中对齿板混凝土等相应位置进行观测，观测齿板混凝土有无开裂情况发生。

第一对索的张拉。将第一对索作为试验索进行张拉。选择2根编号为A1的短体外索做为试验索。为了保证第一对索张拉施工的安全，张拉过程需分级进行。

每级张拉完成后需要进行钢束延伸测量、混凝土应变观测、利用磁通量传感器进行的索力观测等。

考虑到桥梁通车过程中有一个动菏载的作用，使得齿板张拉完成后的混凝土开裂有一个过程，第一对索张拉完成后需根据具体情况再观察1天，以观察裂缝是否产生与已出现的裂缝的开展情况。张拉前后观察过程确保连续进行，并记录观察结果。

另一对体外索的张拉根据第一对索的张拉情况与观测结果，来安排另一对索的张拉施工。为了保证张拉施工作业安全，另一对索的张拉时参照第一对索张拉工艺也分级进行。

3.5 体外索防护工艺

体外索张拉完成后，为了保证体外索的锚固安全可靠，在锚具连接筒内灌注环氧砂浆进行锚固，安装锚具防护罩并涂刷防腐油脂封锚作业。

用砂轮切割机切除多余的钢绞线，然后安装锚具保护罩，并将与锚垫板接触面四周进行密封。锚具保护罩表面需要进行防腐涂装处理。

4 体外索加固过程的施工监控

主控截面应力监控。在各墩顶、跨中、各控制点及产生混凝土最大压应力的地方布置应变片。在受拉区当裂缝闭合时混凝土开始受压，测量该点的应力变化值。在受压区测量最大压应力的增量。测量内容为在维护施工前、浇注底板钢束齿板后、张拉底板钢束后均测量了各点的变形值。比较每个施工阶段梁体的应力变化情况，并与设计值作比较，以检验梁体的维护效果。为了掌握结构主要控制截面在加固过程中的应力变化，应力测点随预应力张拉分级测试。

裂缝监控。该桥运营阶段在中跨跨中附近腹板出现了斜裂缝，加固过程中随着不同施工阶段的进行，裂缝会出现不同的反应，为掌握结构加固过程中过程中梁体裂缝的闭合情况，选取主要截面的典型裂缝进行监测。根据前期检查结果，在跨中两侧各选取2条裂缝进行监测。裂缝测点随预应力张拉分级测试。

5 该桥梁体外索加固工艺的创新点

5.1 该工程预应力索率先采用了目前国内技术领先的由欧维姆预应力公司生产的可调可换式体外索及锚具，并采用悬浮式张拉装置进行张拉施工，以避免在多回合张拉过程中由于工作夹片的重复咬合给夹片的锚固性能带来的不利影响。

5.2 在预应力索索力监测方面采用了磁通量传感器。磁通量法是测定索力、监测拉索锈蚀的非破坏性方法。铁磁性材料受外荷载作用时，内应力发生变化，其磁导率随之发生变化，通过测定磁导率的变化来反映应力的变化，进而测出索力，磁通量法所用的材料是电磁传感器，这种传感器由两层线圈组成，除磁化拉索之外，它不影响拉索的任何特性，具有结实可靠、耐久性好、测量精度高、防水耐压性好等特点。可采用现场制作方式实现既有桥梁缆索的索力测量。