体外预应力技术在某连续梁加固施工中的应用

王京杭

（中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，江苏 南京 210061）

体外预应力技术在某连续梁加固施工中的应用

王京杭

（中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，江苏 南京 210061）

近年来有多座连续梁出现跨中下挠、腹板或底板裂缝、承载力不足等病害，危害到桥梁结构和桥面车辆通行安全，需要进行加固处理。体外预应力计算理论和施工技术日趋完善，被广泛应用于连续梁加固施工项目。文章通过某工程实例阐述体外预应力加固技术中的几个关键问题，并结合实际加固效果对该技术进行分析，为今后类似项目提供参考。

连续梁；体外预应力；加固施工；施工监控

1 概述

连续梁桥具有结构刚度大、施工便捷、行车舒适、养护较为简单等优点，在设计理论和施工工艺方面属于较为成熟的桥型之一，被大量应用于国内工程项目建设［1］。近年来已有多座投入使用的连续梁出现跨中下挠、腹板或底板裂缝和承载力不足等病害，危及到桥面车辆通行和桥梁结构安全。

体外预应力技术是通过增设的体外束张拉，以提高原结构的预应力水平，改变原结构的内力分布，抵消部分恒载应力，起到卸载作用，从而大幅提高桥梁承载能力［2］。相较于常规加固方法，体外预应力是一种主动加固方法，在提高结构刚度、减小结构变形、阻止裂缝发展、延长桥梁结构寿命方面有显著效果。文献［2］中的某互通立交桥（30 m+40 m+30 m 3跨预应力混凝土连续梁）、文献［3］中的江阴大桥北引桥（50 m+75 m+46.5 m 3跨预应力混凝土连续梁）等，均采用体外预应力技术对受损桥梁进行了加固，在改善桥梁结构受力和提高桥梁结构耐久性方面收效显著。本文通过某工程实例阐述体外预应力加固技术中的几个关键问题，并结合实际加固效果对该技术进行分析，为今后类似项目提供参考。

2 工程概况

江苏北部某京杭运河大桥主桥为（62+100+62）m变截面预应力混凝土连续箱梁，主梁采用单箱单室截面，C50混凝土。箱梁根部高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁顶板宽12.75 m，底板宽6 m，翼缘板悬臂长为3.375 m。箱梁高度从距墩中心1.8 m处到跨中合龙段中心按1.8次抛物线变化。箱梁0号块长度为6.8 m，箱梁顶板厚度为0.28 m，底板厚度从0.30～0.8 m按1.8次抛物线变化，腹板厚度根部为0.8 m、跨中处为0.5 m。主桥上部箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系。纵向预应力采用18Φs15.2的钢绞线束，钢束张拉锚下控制应力σcon=0.73fpk（1 357.8 MPa）；横向预应力采用3Φs15.2规格的钢绞线束，设计张拉力195.3 kN；竖向预应力采用JL32高强精轧螺纹粗钢筋，标准强度785 MPa，设计张拉力568 kN。主桥结构如图1所示。

图1 某京杭运河大桥主桥结构布置图（单位：cm）

检测发现主桥箱梁存在底板横向、纵向裂缝，腹板斜向、竖向裂缝，顶板纵向裂缝，横隔板斜向裂缝；箱内预应力锚头处预应力筋外露；边跨底板裂缝附近存在不同程度的空鼓现象，主桥总体技术状况等级评定为4类。根据设计文件，主桥箱梁主要采用体外预应力（以下简称“体外束”）加固方法提高主梁承载能力，阻止底板横向裂缝和腹板斜向、竖向裂缝发展。方案为两侧62 m边跨每箱各布置6束12-7Φ5环氧涂层钢绞线体外束，100 m中跨布置8束12-7Φ5环氧涂层钢绞线体外束。体外束张拉控制应力为0.6fpk，即1 874.9 kN。

3 体外束施工关键技术

3.1 锚固块制作安装

锚固块是体外束结构系统中最为关键的受力部位，其施工质量的好坏直接关系到体外束结构能否达到设计预期目标。本桥体外束锚固块采用轻型钢结构锚固块，主要由钢锚箱、粘贴钢板、高强锚栓和灌注胶组成，相较于钢筋混凝土结构，具有恒载小、联接可靠、施工快捷和结构设计灵活的特点［4］。

体外束系统中锚固块的主要传力途径为：锚板→传力板→焊缝→底座钢板→高强锚栓→箱梁混凝土。其中钢锚箱为预应力钢绞线张拉端或锚固端的直接受力结构，锚板、传力板和底座钢板均为高强钢板，材质均匀，受力较为明确，施工过程中主要控制钢板材料质量，钢锚箱施工质量主要由焊缝质量决定。传力板和底座钢板的焊缝一般要求为一级全熔透焊缝，多采用CO2气体保护焊接工艺。由于板材厚度较大（一般为16 mm或20 mm），焊接过程中一般采用双面坡口的方式更容易达到要求；若采用单面坡口焊接，需要在坡口下方加陶瓷垫板。钢板开坡口主要通过坡口机、碳弧气刨或半自动气割机实现，开完坡口后要将坡口上的挂渣、油污、尘土、浮锈等清理干净。传力板和底座钢板焊缝长度较长，钢板构件尺寸较大，焊接过程中为防止破口处钢板因局部受热不均导致变形，可采取小型钢板临时固定待焊钢板。正式焊接时，宜采用打底焊和多层多道焊，每道焊接均进行清根处理，以避免夹渣或变形。最后用焊条电弧焊或埋弧焊进行照面焊，因为这两种焊接焊缝成型美观。

在早期锚固块的设计中，钢锚箱底座钢板通过粘钢胶和高强锚栓直接与箱梁混凝土基面连接。后经改进，在混凝土基面和钢锚箱底座钢板之间增设一块与底座钢板尺寸相同、厚度为5～6 mm的粘贴钢板。这主要是为后续钢锚箱安装提供平整度较好的基面，可大大提升钢锚箱的安装效率，同时也可有效控制底座钢板下方的灌注胶用量。

体外束锚固块安装是个系统工程，应综合考虑各个工序之间的衔接和相互影响，特别是高强锚栓植筋、粘贴钢板安装、钢锚箱安装施工环节，更应加强质量控制。常规做法是现场梁体混凝土基面放样、开孔和粘贴钢板、钢锚箱底座板（多为工厂加工）同时施工，混凝土钻孔位置和钢板开孔位置均按设计图纸制造。这样可节约施工进度，但施工质量难以保证，严重时会出现因锚栓孔位不正，锚栓植筋倾斜，导致粘贴钢板和钢锚箱底座板无法安装的情况。

通常情况下，高强锚栓植入混凝土后，外露长度较短，想通过后续纠正的方法对锚栓垂直度进行调整非常困难。本桥锚固块安装采取如下流程：混凝土基面钢筋探测→钻孔位置调整（必须满足设计要求）→锚栓钻孔→锚栓植筋→混凝土面锚栓孔位拓模→粘贴钢板钻孔→粘贴钢板钻安装→粘贴钢板面锚栓孔位拓模→底座板钻孔→钢锚箱安装。上述施工流程比常规做法所需的施工时间略长，但可有效地实现工序质量对整个锚固块安装的质量控制，能最大限度地保证高强锚栓植筋垂直度、粘贴钢板安装和钢锚箱安装质量满足要求。

3.2 体外预应力张拉

体外预应力张拉是实现体外束主动加固的最有效途径。预应力张拉施工前应做好以下工作：锚固块、转向桁架安装，钢绞线穿束，张拉千斤顶和锚索计标定，张拉控制力和伸长量计算。体外束张拉施工是较为成熟的常规工艺，结合本桥体外束施工实例总结如下：

（1）预张拉。体外预应力钢束一般长度较长（多数都在100 m以上），跨越多跨（多数2跨以上）箱梁。穿束完成后，受箱内空间、钢束长度和多次转向影响，钢束相互交叉干扰明显。张拉分级时，可预先张拉至15%～20%，再放张至0%后，再实施分级张拉。放张时应按先下层、后上层的顺序实施。

（2）整体张拉顺序。本桥体外束两侧边跨各布置6束，主跨布置8束，钢束在平面和立面位置均有交叉。正式张拉时采取先长后短、自上而下的顺序实施张拉，这样可以避免上下层、左右侧钢束的叠压影响，确保应力均匀传递。

（3）单根张拉顺序。本桥每束体外束均为12-7Φ5环氧涂层钢绞线，受张拉端作业空间和张拉设备限制，单束钢束张拉采用单根钢绞线张拉工艺。单束钢束钢绞线横截面布置如图2所示。

图2 12-7Φ5钢束钢绞线布置图

单根钢绞线张拉时，应考虑相邻钢绞线传力影响，不宜按照图2中所示编号依次顺序张拉，可采用隔层跳号张拉（如1#→6#→8#→12#等）。单束钢束中全部钢绞线第一级张拉完成后，第二级张拉时应采用与第一级相反的顺序进行张拉。

（4）张拉力。一般情况下，钢束张拉力是按锚下应力控制，施工过程中很难做到实测每束钢束的锚下应力，多数钢束按张拉千斤顶的油表读数控制张拉力。锚下应力用压力传感器（又称“锚索计”）测试，千斤顶油表是通过油压换算得到力值；在钢束锚固时，因夹片顶紧锚固和钢绞线回缩，钢束实际张拉力有所损失，但此时千斤顶已回油，不能准确反映该损失量，容易造成实际张拉力偏小。实际张拉过程中，应对不同钢束型号、长度的钢束采用压力传感器标定千斤顶，得到每种钢束的比例系数k，张拉时用油表换算的压力乘以比例系数k得到的力值作为锚下实际应力控制值。

（5）伸长量。相对于体内索，体外束伸长量计算较为简单，但需考虑转向器、锚固块分束管与钢绞线之间的摩擦和转向器处转角造成的应力损失影响。单束钢束伸长量计算需按锚固点→转向点、转向点→转向点、转向点→锚固点分段计算累计得到。

4 体外束张拉施工监控

为了实时掌握体外束张拉施工的加固效果，需要对桥梁上部结构进行施工监控。监控内容主要包括主梁关键位置的竖向位移和关键截面的应力。

4.1 监控测点布置

采用空间有限元软件ANSYS分析该京杭运河大桥主桥体外束加固效应，主要计算结果如图3、图4所示。

图3 体外束作用下底板纵桥向正应力（半桥）（单位：MPa）

图4 体外束作用下主梁竖向位移（单位：mm）

根据上述计算结果，体外束加固引起主梁结构响应最大部位位于主跨跨中和边跨12#、13#块交接处，主梁体外束张拉监控截面布置如图5所示。

图5 体外束张拉主梁监控截面布置图（单位：cm）

考虑到主梁结构响应理论计算值大小和测试仪器的精度，在监控截面底板下缘布置应力监测点，在监控截面桥面布置变形监测点，具体布置如图6所示。

图6 监控截面测点布置图（单位：cm）

4.2 监测数据分析

因箱梁边跨和中跨钢束布置有交叉，大桥箱内共布置14束体外预应力钢束。在实施体外预应力钢束张拉时，为了确保预应力逐步施加，结构内力缓慢均匀变化，将需要施工的14束体外束分级张拉。该京杭运河大桥箱梁体外束完成预张拉后，正式张拉按照0→30%σcon→70%σcon→100%σcon分3级张拉。为简洁有效地了解体外束分级张拉引起的箱梁结构响应，将各监控截面上下游实测数据（应力和竖向位移）取平均值进行分析。

体外束分级张拉时，箱梁竖向位移监测数据如表1所示，梁体竖向变形如图7所示。

从表1中数据和图7所示变形图可以看出：分级施加体外预应力，各跨箱梁竖向位移逐级增大，位移增长幅度与张拉力增量幅度基本一致；在100%σcon张拉力作用下，两侧边跨竖向位移上拱值分别为6.2 mm、5.8 mm，占理论值比例为1.03、0.97，主跨竖向位移上拱值为7.2 mm，占理论值比例为0.92，表明由体外束张拉引起的箱梁竖向位移实测值与理论值吻合较好；边跨实测值比例略大，与边跨底板裂缝处的空鼓病害有一定关联。

表1 体外束张拉箱梁竖向位移监测数据

图7 体外束分级张拉梁体竖向变形图

体外束分级张拉时，箱梁监控截面应力监测数据如表2所示。

从表2中数据可以看出：在各级体外预应力作用下，各跨箱梁控制截面底板纵向正应力稳定增加，应力增长幅度与张拉力增量幅度基本一致；在100%σcon张拉力作用下，两侧边跨监控截面底板实测应力分别为1.99 MPa、1.86 MPa，占理论值比例为0.88、0.82，主跨监控截面底板实测应力为2.04 MPa，占理论值比例为0.79，表明由体外束张拉引起的箱梁底板纵向正应力实测值与理论值吻合较好。

表2 体外束张拉箱梁监控截面应力监测数据

上述监测数据表明：该京杭运河大桥主桥箱梁在施加体外预应力后，各跨梁体均呈上拱，监控截面底板压应力储备明显增加，梁体竖向位移增量和控制截面底板纵向正应力增量实测值与理论值吻合较好，体外预应力加固效应达到设计预期目标。

5 结论

本文以江苏北部某京杭运河大桥加固工程为例，重点介绍了体外预应力施工关键技术和体外束张拉施工监控情况。得出结论如下：

（1）体外预应力施工关键技术在于锚固系统安装和体外束张拉。锚固系统安装应特别注重焊缝、高强锚栓施工质量和安装工序的合理安排；体外束张拉应重点关注张拉顺序、张拉力和伸长量等控制指标。

（2）体外预应力张拉施工过程中，应根据理论计算情况，有针对性地对桥梁结构进行监控，实时掌握结构响应情况，既可指导施工，又可以验证加固效果。

（3）体外预应力技术用于连续梁桥加固工程,其设计理念易于被接受,施工工艺较为成熟，对今后类似桥梁加固有较好参考。

［1］余晖，从贺，王京杭.连续梁（刚构）桥主跨底板施工监控［J］.现代交通技术，2011，8（3）：33-36.

［2］高琦，唐军，叶见曙，等.连续箱梁的体外预应力加固方法研究［J］.湖南交通科技，2008，34（3）：74-77.

［3］何任远，阳春龙，夏咏明.体外预应力在江阴大桥北引桥加固中的应用［J］.桥梁建设，2006，增刊（2）：183-186.

［4］刘华，朱利明，张军雷，等.体外预应力加固混凝土桥的钢结构锚固转向体系研究［J］.桥梁建设，2010（5）：28-31.

Application of External Prestressing Technology in Reinforcement Construction of A Continuous Beam

Wang Jinghang
（China Zhongtie Major Bridge (Nanjing) Bridge and Tunnel Diagnosis & Treatment Co. ltd, Nanjing 210061, China）

In recent years, the diseases with deflection in mid span, cracks in floor or web and lack of bearing capacity appear in many continuous beams, and produce harm to the structure of the bridge and the vehicle safety. So the reinforcement of the bridge is necessary. The calculation theory and construction technology of external prestressing are becoming more and more perfect, which is widely used in the reinforcement project of the continuous beam. This paper expounds some key problems in the technology of external prestressing reinforcement by the engineering example, and analyzes the technology in combination with the actual reinforcement effect, which provides reference for similar projects in the future.

continuous beam; external prestressing; reinforcement construction; construction monitoring

U445.7+2

A

1672-9889（2016）06-0072-04

2016-10-17）

王京杭（1982-），男，江苏仪征人，工程师，主要从事桥梁检测评估、加固技术工作。