节段预制桥梁施工期间临时孔耐久性设计*

2022-04-28吴东升张智然

施工技术(中英文) 2022年6期

吴东升，任才，张智然

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

节段预制拼装桥梁架设过程中，为满足节段吊装、临时预应力锚固及劲性骨架安装，每榀节段梁上预留临时吊装孔、锚固孔等多种孔洞，如图1所示。节段拼装完毕后，再将这些临时孔洞封堵。较常规桥梁而言，节段预制梁临时孔洞的存在给结构安全及耐久性带来新的问题，孔洞封堵是否密实、黏结是否可靠直接影响运营期间桥梁的安全、耐久性能。

图1 施工期间临时孔示意

围绕节段预制拼装桥梁受力性能、拼装工艺及施工控制的研究较成熟[1-3]，形成完备的设计理论与施工技术，并在国内多项大型工程中得以成功应用[4-6]。然而国内多座节段预制拼装桥梁出现不同程度渗水、钢束锈蚀等耐久性病害，因此节段预制梁的耐久性能备受学者关注，对常规混凝土材料及结构的耐久性研究十分全面，针对节段预制桥梁的特殊性，李国平等[7-8]对节段预制桥梁接缝耐久性进行了系统的理论与试验研究，然而关于临时开孔的耐久性细节国内外未有研究，为此本文针对该问题进行深入研究。

1 施工期间临时孔封堵设计原则

节段梁架设完成后，需对临时孔洞进行封堵，因孔洞数量众多，如孔洞出现掉落、渗水等问题，将严重影响桥梁使用性能，所以应注重孔洞的封堵质量，对孔洞封堵质量提出明确要求。

临时孔作为节段预制梁的一个细节构造，其封堵设计的原则与桥梁结构整体设计原则一致，应符合“安全、耐久、适用、环保、经济和美观”的原则。

1)安全孔洞封堵首先要保证结构的安全性能，封堵完成后的孔洞要和原结构形成整体共同受力。一方面封堵材料和节段梁原混凝土间的黏结要可靠，避免封堵材料脱落而影响桥下行车和行人安全；另一方面，封堵材料本身的强度应满足结构整体受力要求，保证封堵材料不致拉坏或压溃。

2)耐久导致结构耐久性失效的原因主要是有害物质进入混凝土结构内部，进而引发钢筋腐蚀，保证结构耐久性良好的关键就是保证结构密实，阻断有害物质传输，孔洞作为结构的薄弱环节，其耐久性受到极大关注。首先，封堵材料本身的耐久性要良好，不低于桥梁结构的设计使用年限；其次，要保证黏结的长期可靠，避免在长期循环荷载作用下的黏结失效；再次，封堵材料的防渗及界面处的防渗性能要优良，避免有害物质侵入内部。

3)适用孔洞封堵的适用性主要体现在运营过程中孔洞的工作状态完好，不出现开裂、渗水等状况，从而影响正常使用阶段的性能。

4)环保要求封堵材料本身具有绿色环保特点，禁止使用一些性能虽优异但对环境有害的产品。

5)经济临时孔洞具有数量多的特点，封堵方案也需综合考虑封堵材料、施工工艺的经济性能，尽可能做到施工方便，降低成本。

6)美观随着社会经济水平的提高，人们对城市景观要求也日益提高。节段梁因采用预制工艺，外观质量更好且较稳定。因大量孔洞的存在极大地影响了整体景观，所以在对孔洞进行封堵时，要求封堵材料与本体混凝土间的色差小，保证外观统一，最大限度减少孔洞对桥梁整体景观的影响。

2 临时孔封堵设计

2.1 封堵材料

选择封堵材料是封堵设计最基本的要素，也是保证封堵性能达到设计要求最关键的要素。对于实际设计而言，需对材料性能提出明确的量化指标。南昌市洪都大道提出的材料指标如表1所示。

表1 封堵材料性能指标要求

为检测封堵材料性能，需进行相应的试验测试，主要包括3部分内容，即材料特性试验、黏结性能试验和抗渗性能试验。

1)材料特性试验用于测试封堵材料的强度、体积变化率、硬化速度等指标。封堵材料本身的强度应保证不低于本体混凝土材料的强度；封堵材料硬化过程中的体积变化率也是间接反映黏结防水性能的重要指标，材料如具有微膨胀性能，硬化过程中产生的膨胀力使得2种材料交界处被压密，黏结及防水性能较好，相反，材料如具有较大收缩率，硬化过程中2种材料交界处产生较大收缩拉力，超过黏结力时交界面被拉裂，从而出现收缩裂缝，黏结及防水性能较差；硬化速度主要反映工作性能的指标。这些材料试验可按混凝土相关标准试验方法进行即可。

2)黏结性能试验主要测试封堵材料与本体混凝土间黏结强度指标，该指标的测试可通过直接测试法或间接测试法进行。其中，直接测试法可参考JC/T 547—2017《陶瓷墙地砖胶粘剂》中相关方法进行测试。间接测试法是通过拉拔试验来反映黏结强度，试件的制作严格按工程实际执行，中间按实际孔洞大小留孔，按实际施工方法、封堵材料封堵孔洞，中间预留拉拔用钢筋，待达到龄期后进行拉拔试验。

3)抗渗性能试验是封堵材料最重要的试验，用于评定封堵材料的抗渗等级。GB 50164—2011《混凝土质量控制标准》中规定了标准的测试方法。临时孔洞封堵的抗渗有自身特点，其渗透的薄弱部位主要在封堵材料与本体材料的交界处，试验需针对交界面进行抗渗试验。试件的制作严格按工程实际执行，中间按实际孔洞大小留孔，按实际施工方法、封堵材料封堵孔洞，待达到龄期后按标准试验方法进行抗渗试验。

2.2 封堵构造

封堵材料本身的性能是影响封堵效果最主要因素，但封堵构造的合理处置也不容忽视，构造是保证材料最大限度发挥其性能的前提条件。构造的合理性不仅需考虑最终的黏结效果，还要考虑到施工的可能性及便利性。本文提出4种构造措施，如图2所示。

图2 临时孔封堵构造

1)方案1 在洞口处采取表面打磨处理，孔洞封堵时高出表面3～5cm，该方案的优点是施工方便，封堵材料在自身破坏前基本无掉落风险，为了进一步保证安全性，可在内部增设加强钢筋。该方案的缺点主要有2点：构造上高出混凝土表面，对于箱梁顶面的孔洞，后期桥面系铣刨施工时会对加高构造造成破坏；该方案封堵效果相对于直接灌注封孔有一定改善，但混凝土本体与封堵材料间的黏结仍较薄弱。

2)方案2 将洞口3～5cm进行凿除，孔洞封堵时与原结构表面平齐。洞口扩头处理保证了封堵材料无掉落风险；顶面平齐设置增加了方案的适用范围，桥面系等其他工序的施工对已封孔洞不会造成破坏；封堵材料与本体混凝土间的接触面增大，黏结效果增强。该方案的主要缺点是洞口扩头较难处理，孔洞数量较多时质量难以保证。

3)方案3 将方形扩头改为喇叭头，施工上喇叭头相对于方形头更易实现，采用电动钻头旋转1周即可成型。但封堵材料与混凝土本体的接触面积减小，黏结效果会减弱。

4)方案4 对方案3进行改进，通过在孔洞内壁增设2～3个孔洞，增强了2种材料的黏结效果，同时也进一步降低了封堵材料掉落风险。增设的孔洞深度不宜过大，避免打断本体混凝土内部钢筋或钢束。

2.3 封堵工艺

针对上述提出的方案4进行现场工艺试验，对施工各环节的工艺流程进行研究。孔洞封堵的主要步骤为：孔洞预处理→模板安装→浇筑与养护。

1)孔洞预处理主要按封堵方案对孔洞进行扩头、钻孔、孔洞清理等工作，如图3所示。对孔洞基面清理时应剔除混凝土表面杂物及缺陷部位，如钻孔周围的松散混凝土应全部清除。除此之外，孔洞成型用PVC管、混凝土表面浮浆、反碱、尘土、油污及表面涂层等杂物都应清除干净。

图3 孔洞封堵前预处理

2)模板安装孔洞施工均为高空作业，模板选择也要遵循方便施工原则。支模方案主要有两大类：一种是自粘性模板，即直接将底模粘贴在混凝土表面，待封堵材料达到设计强度时，直接拆除底模即可，该种方法主要缺点是常规的双面胶黏结力较小，模板的承载力有限，如采用强力胶，拆除时较难清理干净，黏结胶残留于梁底对美观有一定影响；另一种方法是顶撑吊模，该模板体系主要由底模和吊模支架组成。该模板系统的适用性较强，但此方法要特别注意底模与混凝土表面贴合，确保不漏浆、表面平整，否则成型的外观质量较差。模板方案如图4所示。

图4 模板方案

3)浇筑与养护封堵材料施工由各厂家产品而定，如水泥基渗透结晶型防水材料施工，主要有以下几个施工要点需注意：①材料灌注前应用清水冲洗洞口周围及内部，保证混凝土接触面处于湿润状态；②封堵材料的配合比严格按产品说明设计，严禁现场随意拌制；③孔洞一般小而深，施工时应分多次灌注，同时应尽可能从一侧浇入，便于排出洞孔间空气，使灌浆充实；④孔洞内灌浆完成应在洞口局部增设防水层；⑤施工应避免高温、雨天等恶劣天气，封堵完成后应进行雾状水喷洒养护，每天派专人进行多次洒水，必要时表面覆盖养护。

3 无孔洞设计方案

节段梁上预留临时孔洞仅为了满足桥梁架设需要，并非永久构造，其根本目的是提供临时锚固。基于无孔洞设计理念提出新的临时锚固方案及构造措施，有效提高结构耐久性。

3.1 钢齿坎方案

常规钢齿坎方案是节段梁中最常用的临时预应力锚固措施，该方案通过在节段梁上预留临时孔洞，后装钢齿坎标准件作为锚固反力座，钢齿坎与箱梁间通过螺栓有效连接，并将预应力传递至箱梁断面(见图5)。

图5 常规钢齿坎方案

钢齿坎方案在节段梁预制时只需预留临时孔洞，不增加额外的外形构造，因此施工十分便利，同时螺栓、钢齿坎等构件均可重复使用，成本较低。但预留孔洞施工应注意精度控制，避免因位置偏差而导致后期螺栓安装难度。该方案的主要缺点是主梁拼装完成后存在大量孔洞，孔洞封堵工作量大，施工质量难以控制，易引发漏水等耐久性病害。

钢齿坎方案因具有施工方便、降低成本等诸多优点在工程中被广泛采用，但其耐久性也一直是被关注的重点，因此本文对该方案进行了改进，提出预埋螺母式钢齿坎方案(见图6)。

图6 预埋螺母式钢齿坎方案

该方案在节段箱梁预制时，在临时预应力钢齿坎螺栓对应位置预埋相应规格的螺栓套管。临时预应力张拉前，将钢齿坎螺栓拧入螺栓套管，实现钢齿坎与混凝土连接。临时预应力放张后，拧出钢齿坎螺栓即可完成临时预应力拆除。

预埋螺栓套管无须在混凝土上开洞，可免除后期孔洞封堵工作及完全避免孔洞漏水可能性，在保留常规钢齿坎方案施工快速的优点下，大大提升结构耐久性。相对于常规钢齿坎方案，预埋式方案的预埋螺栓套管为一次使用部件，不能重复使用，造价相对增加，但后期封堵难度大大减小，封堵的性能要求可降低，综合造价基本相当。

3.2 混凝土齿块方案

临时预应力锚固也可借鉴永久预应力的锚固构造方式，采用在主梁节段上增设混凝土锚固齿块的无黏结体系(见图7)。

图7 混凝土齿块方案

采用混凝土齿块方案可有效避免预留临时孔洞，省去临时孔洞封堵工作，极大地节省材料与人力，同时减少耐久性缺陷。但该方式也存在较多缺点：一方面，大量齿块的设置增加了构造复杂程度，降低了节段梁标准化程度，给模板设计、钢筋绑扎、拆模等都带来较大难度；另一方面，齿块的布设还要考虑与转向块、永久齿块及限位块的相对位置关系，构造处理复杂，如将齿块设于箱梁外表面，构造处理简单，但后期需凿除，工作量较大，且凿除施工对结构有不同程度损伤。

3.3 体内临时预应力方案

体内临时预应力方案实施过程为：节段箱梁预制时，在预制节段的顶、底板或腹板内预留直线管道，待节段拼接面涂胶完成后，穿入临时预应力钢筋并直接锚固于节段梁端面。拼装下一节段时，需对临时预应力钢筋接长，重复以上步骤直至拼装完成，最后对临时预应力钢筋管道进行灌浆(见图8)。

图8 体内临时预应力方案

临时预应力钢筋管道相对于永久预应力钢筋管道而言数量少得多，上述方式中，也可利用永久预应力钢筋管道，减少对箱梁截面的削弱。但此时需设计阶段即进行统筹考虑，将该部分预应力设置为直线束，且钢束设计张拉时机为拼装完成后。

3.4 临时预应力方案对比

临时预应力体系的做法很多，每种做法都有各自优缺点：①常规钢齿坎方案适用性较强，施工简单，但封堵工作繁琐，存在大量孔洞，耐久性较差，外表面有封堵痕迹，影响外观，虽锚固材料可重复使用，但封堵费用相对较高，综合经济性能一般；②预埋式钢齿坎方案无贯穿孔洞，耐久性较好，外表面无封堵痕迹，不影响外观，但预埋螺母不可重复使用，虽封堵施工费较低，综合经济性一般；③混凝土齿块方案无孔洞存在，耐久性能好，但设置大量锚固齿块，构造及施工复杂，综合经济性低；④体内预应力方案不增设额外构造，施工十分简便，耐久性及外观质量均较好，材料及施工费用均较低，经济性优异，但适用性稍差。

从上述对比分析可看到，在适用条件允许时，体内临时预应力方案各方面性能较好，可优先采用，但应处理好构造与可施工性的关系，预埋式钢齿坎在造价增加不多情况下能达到较好的经济与使用性能，也是一种值得推荐的方案。