桥梁体外预应力加固施工技术

张基成

（徐州市公路事业发展中心，江苏 徐州 221000）

1 工程概况

体外预应力加固技术是通过提高结构组件的承载力，实现桥梁结构加固的目标。本文以某大桥建设工程项目为例，对桥梁体外预应力加固技术进行全面分析。该桥梁总设计长度为218.4m。桥梁的上部结构为55.9m+90m+55.9m预应力混凝土连续刚构，主梁为单箱单室截面，箱梁的顶部宽12m，底部宽6m，桥墩高度为5.4m。整个桥梁的高度按抛物线变化。箱梁设计为三向预应力结构形式，其中：竖向的桥梁预应力采用螺纹钢筋加固；横向的桥梁预应力采用钢绞线束加固。桥梁的下部设计为钢混结构的薄壁墩身，重力式台座。该项目中的2#桥墩设计为桩基础，其他桥墩全部设计为扩大基础。

通过对建成桥梁的全面检查，发现该桥梁主要存在以下质量缺陷：梁体部分钢筋暴露在空气中，钢筋锈蚀，混凝土振捣不密实，混凝土破碎，钢筋保护层不符合设计要求，梁体表面存在裂缝，桥梁主跨的中间区域出现下挠等。进一步对桥梁结构进行验算后发现，箱梁的控制断面的拉应力及抗弯承载力不符合现行规范要求，同时桥梁的承载能力未达到公路-Ⅰ级标准。鉴于此，需要对桥梁采取加固措施，以保证其承载力满足现行规范要求。

施工单位结合现场实际情况以及设计要求进行全面分析后，决定采用体外预应力加固技术，主要原因为：①可以巧妙地消除部分恒载；②可以最大程度发挥加固材料的性能，提高桥梁结构的刚度及承载能力；③体外索的波动不是很大，为后期更换力筋提供了便利；④控制桥梁结构的挠度和裂缝，提高桥梁结构的抗裂性能；⑤便于掌控体外索的应力；⑥施工过程中不会对路面交通造成影响，且对桥梁运行的影响比较小；⑦施工机械设备组成简单，可以缩短施工工期，经济性较好。

2 体外预应力加固施工技术原理

体外预应力加固法是在结构物体外设置预应力索，对结构主体施加外部作用力，以达到优化当前结构主体受力的一种加固工艺。目前，常用的预应力索主要有钢绞线、预应力碳纤维板、螺纹钢筋钢丝束等。这种加固技术的基本原理是在体外桥梁上部结构施加额外的预应力，借助预应力形成的转矩作用力来抵消外部荷载形成的内力，实现内力卸载的目的，间接提升桥梁结构的强度、刚度，优化桥梁的抗裂性能。

体外预应力加固法的特点主要是：①优化了预应力筋曲线，在转角部位与预应力筋连接，可以减少连接构件的摩阻损失，提升预应力的作用效率；②可以结合现场实际情况合理选择预应力布设的位置，根据桥梁病害的具体情况选择合理的加固方式；③由于加固组件自身的几何尺寸较小，所以构件比较轻，可以小幅提高桥梁结构的承载能力；④加固构件不会与桥梁结构黏结，预应力波动不是很大，可以优化桥梁结构的受力；⑤体外索可调换，从而便于运营期间的维修；⑥工艺简单，不需要过多的设备和人力，且工期不长，具有良好的经济效益。

体外预应力加固法通常用于加固主梁抗弯和承载能力不足的桥梁，具有明显的技术优势，能够确保桥梁的安全性，具有良好的社会效益和经济效益，因此得到了广泛运用。

3 体外预应力加固施工技术要点

梁式桥结构是一种纯弯结构，桥梁结构受到的荷载计算公式如下：

式（1）中：σ为荷载作用下桥梁梁体形成的预应力；M为荷载作用下主梁的弯矩；W为主梁截面的抗弯值。

结合该桥梁的建设要求以及目前的实际需求，加固目的主要为：①提高桥梁结构的承载力，保证承载力控制在合理范围内[1-2]；②抵消箱梁部位混凝土的预应力，提升梁体的抗裂性能；③减小箱梁腹板部位的拉应力，避免桥梁结构继续开裂；④优化桥面线形，减缓主梁的下挠。

目前常用的桥梁结构加固补强措施主要有扩大混凝土截面尺寸、铺设碳纤维布、设置钢板等，但是这些方法无法满足该桥梁加固的实际需求。结合实际情况，加固材料属于被动受力，这就意味着加固材料只承受活载，无法承受恒载，并且无法改变混凝土截面预压应力，所以单一使用以上加固补强方法无法取得良好的效果。鉴于此，使用体外无黏结预应力技术对该桥梁进行加固，具体的加固措施为：在箱梁内设置体外纵向预应力钢束，提高桥梁结构的承载力，以使加固后的桥梁路面达到公路-Ⅰ级标准。

3.1 体外预应力加固施工流程

体外无黏结预应力技术加固方法的施工流程为：测量箱梁体外预应力钢束的安装部位→对齿板、加劲肋板及转向块的位置进行测量放线→对箱梁顶板部位进行开孔作业→开凿出齿板、加劲肋板及转向块部位的箱梁→钻孔、清孔、孔内植筋→焊接、绑扎齿板、加劲肋板及转向块部位的钢筋→安装模板并浇筑齿板、加劲肋板及转向块部位的混凝土→混凝土养护→设置体外预应力钢束→张拉预应力筋→封锚、防护→恢复箱梁顶板。

3.2 体外预应力筋布置

桥梁体外预应力筋的安装位置和数量应结合受拉区域的受力状况予以确定。对当前的桥梁结构进行分析，发现箱梁中跨部位的抗弯承载能力不满足现行规范要求，体外预应力钢束全部为腹板弯起束。腹板弯起束需在桥梁跨中部位设置8束钢绞线束，钢绞线束的规格为19φs15.24mm，在两侧的边跨分别设置8束钢绞线束，钢绞线束的规格为13φs15.24mm。结合实际情况，由于预应力筋的数量较多，可以分散式布设。所有的预应力钢束全部经钻孔通过主墩横隔板。预应力钢束的张拉作用力取值为钢绞线强度的60%，单根钢绞线的张拉作用力为15.62t。成孔内的渣土、混凝土碎块必须清理干净。

3.3 锚固构造

（1）端部现浇锚块

分析原设计图可知，横隔板的几何尺寸偏大，施工人员无法直接在设计部位进行预应力筋张拉，加之预应力束比较多，为保证施工人员的人身安全以及工期不受影响，可以选择使用现浇锚块开展作业。总之，在不会对原桥梁结构预应力钢束造成影响的前提下，使用植筋技术进行施工，并在新旧混凝土交接部位开凿剪力槽。

（2）墩顶锚固构造

沿墩顶进行钻孔作业，沿线需要安装预应力管道。管道安装完成后，浇筑混凝土。

3.4 转向装置

由于必须保证完成体外预应力钢束的水平折弯与竖向折弯，因此需要在箱梁中内置转向设备。转向设备利用现浇钢筋混凝土施工，在转向设备的两侧各安装5个隔断板，隔断板的厚度为80cm。

结合原钢筋、预应力束、转向块及加劲肋板的具体位置，严格按照设计图纸确定齿板的位置和尺寸，并进行水平面测量放线，用油漆进行标注。

为避免混凝土裂缝进一步扩张，在箱梁受拉区域的腹板部位铺设钢板，以此实现加固补强的效果。

3.5 顶板开孔

根据设计图纸提供的钻孔位置，对桥梁路面进行钻孔。在钻孔作业之前，施工人员应先确定箱梁横纵方向预应力筋的位置，保证不与受力区域产生冲突。

3.6 凿毛处理

必须将转向块、顶板、钢筋保护层及混凝土表面的碎屑清理干净，用刷子对外漏的钢筋做除锈处理，最后使用高压水枪冲洗。

3.7 钻孔机孔内处理

根据设计图纸所示的加固部位，在齿板部位使用电锤钻对盲孔进行清理，清孔的深度不小于20cm，盲孔的直径约为22mm。将孔内的渣土、混凝土碎块清理干净，钻孔质量需满足设计及规范要求。

3.8 种植齿板钢筋

利用种植锚固构件连接锚筋，将搅拌均匀的胶黏剂装置在注射器内，由盲孔底部开始作业，将药剂注入孔内。清理干净锚筋表面的油漆或铁锈，然后将齿板锚筋缓慢插入盲孔底部，保证锚筋在盲孔内的长度不小于20cm，其他部位的锚筋按照以上方法施工。钢筋表面必须清理干净，确保不存在油渍、铁锈。

3.9 焊接齿板构造钢筋

待胶黏剂固化后，开始绑扎其他部位的钢筋，使齿板部位形成钢筋骨架。一般情况下，胶黏剂的固化时间主要受所处的环境温度影响，大概为2～60min。

3.10 浇筑新增齿板

当钢筋骨架形成后，开始安装齿板、转向块、肋板部位的模板，兼顾预埋钢管的位置，然后浇筑混凝土，形成整体性的结构构件。混凝土浇筑过程中，严格按照规范要求进行振捣作业，保证混凝土硬化后不会表现出蜂窝、麻面。

3.11 混凝土养生

待混凝土浇筑完成且强度达到初凝强度以后，方可进行洒水养护作业。当养护至设计强度的85%以后，施工人员开始进行张拉作业。

3.12 新增预应力穿束

预应力钢束穿束之前，对墩顶部位的横隔板进行开孔，然后穿束。穿束过程中应保证钢绞线保护套不被损坏。

3.13 张拉预应力束

当预应力钢束穿束作业结束后，开始对预应力筋进行张拉。为保证相同部位预应力张拉过程中，不会出现弹性压缩损失，应保持钢束的预应力一致。施工人员应严格按照规范要求进行作业，张拉设备需由具备专业资质的第三方单位进行标定，张拉作业中严格控制伸长量，并注意观察力度，避免出现异常[3]。

3.14 体外预应力束防护

待预应力钢束张拉作业完成，将保护膜套在张拉端，以实现防护效果，并方便二次张拉作业。

4 跨中增设横肋局部应力分析

箱梁中跨跨中增设横肋后，Midas FEA局部应力分析有限元模型见图1。

图1 增设横肋后局部应力分析模型

当加固的横肋安装完成以后，合龙处的最大竖向作用力为1.51MPa，横向拉应力为0.98MPa，主拉应力为1.88MPa，底板底层横向拉应力为1.17MPa。结果表明，跨中合龙段中间底板倒角处拉应力显著降低，增设横肋和体外预应力后跨中合龙段局部应力得到明显改善。

5 施工质量控制措施

5.1 梁体钻孔

该项目需要在梁体表面钻眼，使用冲击电锤进行施工，若只由单侧向另一侧钻进，那么当电锤的钻头在不足5cm部位时，另一侧的混凝土可能会由于电锤的冲击作用而崩落，出现一个漏斗形的孔口，从而影响梁体质量。因此，在对梁体进行钻眼时，当钻头距离另一侧10cm左右时，开始从另一侧进行对钻作业，同时避免出现螺栓错台现象。实际钻孔过程中，电锤应始终与梁体保持垂直，这样可以有效保证孔的垂直。当钻孔顺直以后，则可保证螺栓与梁体垂直。

5.2 梁体的凿毛打磨

梁体需要铺设钢板，在需铺设部位对已经受风化影响的松散混凝土表面进行凿毛处理，凿至漏出新鲜混凝土即可。凿毛表面必须足够平整，凿毛面边缘部位的凹痕控制在5mm以内。

5.3 钢板的粘贴锚固

在铺设钢板之前，使用毛刷将混凝土凿毛面的表面颗粒清理干净，然后涂刷酒精。螺栓安装之前保证表面足够洁净、无污渍，然后使用丙酮擦洗。将钢板表层打磨光滑、干净，直至露出金属的光泽。此外，还必须保证金属的纹路与受力方向垂直。

在安装螺栓的过程中，先在螺栓安装孔内填充黏结胶，再安装螺栓。为保证黏结胶不会因为螺栓安装被挤压出来，使用与螺栓直径相同的橡胶板封堵另一侧孔。在铺设钢板的过程中，对混凝土表面进行处理，然后在钢板表面涂抹胶层，再开始铺设钢板。黏结胶应沿着钢板边缘部位被挤压出来。

6 结语

综上所述，体外预应力加固技术的施工效能比较显著，可以大幅度提高桥梁的抗弯承载性能，减小桥梁的主梁受力，促使混凝土裂缝迅速闭合。体外预应力加固技术目前已经发展成熟，在实践过程中可以高效发挥加固、卸载及减小结构内力的优点，适合大范围推广。使用体外预应力加固技术对桥梁结构进行加固，可确保桥梁的荷载满足现行规范要求，且加固效果比较显著。本文的研究希望可以为同类项目施工提供参考。