大跨预应力T形刚构桥体外索安装关键技术

2022-11-18方健海

北方交通 2022年11期

方健海

(广州北环智能交通科技有限公司广州市 510475)

0 引言

T形刚构桥是刚构桥的一种类型，是一种具有悬臂受力特点的梁式桥，从墩上伸出悬臂，跨中用剪力铰或简支挂梁组合而成，因墩上在两侧伸出悬臂。预应力混凝土T形刚构桥梁主要分为在跨中设置剪力铰和带挂梁两种形式[1-2]。T 形刚构桥常出现的一些影响桥梁正常使用的病害和问题，主要表现在以下几个方面：

(1)T 构主梁悬臂端部下挠过大。

(2)T形刚构桥主梁存在大量的裂缝。

(3)主梁悬臂端牛腿处受力较为复杂，易产生应力集中现象，继而导致出现牛腿斜向裂缝、网状裂缝等[3]。

适用于预应力混凝土T形刚构桥的加固技术一般有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、改变结构体系加固法、粘贴纤维复合材料加固法等；非结构性加固如修补裂缝、修补混凝土破损等方式，大部分措施是结构性加固技术的辅助和完善措施[4]。体外预应力加固法[5-6]是通过在主梁梁体外或箱梁空洞内增加适量的体外预应力钢筋对梁体主动施加外力，以抵消部分因自重、二期等作用产生的内力，达到提高旧桥的承载力、刚度目的的加固方法。体外预应力加固法是一种有效的主动加固方法，它是对加固的原结构主梁主动施加预压力，实际上是对主梁控制截面进行卸载，从而达到改善结构受力性能的目的[7]。

本研究对广州某高速一T形刚构桥梁实施了体外索加固。该桥不但病害典型，且结构特殊：成桥后T构与挂梁即进行了固结，使得其体外索加固具有一定的特殊性，主要介绍了其体外预应力加固的关键技术。

1 工程概况及病害情况

1.1 工程概况

某预应力T形刚构桥位于广州某高速公路，该桥横跨京广铁路，1990年建成通车。全桥纵向最大坡度 4% ，横向坡度 1.5%，全桥处于半径为 6500m 的竖曲线及半径为 2000m、2200m的平面同向曲线内。桥面全宽 27 m，设计为双向 6 车道，主桥跨径组合为(60+100+60)m(图1)，桥面宽 27.15m，桥上未设人行道，桥面中央设分车带，外侧设车挡，中间设宽 1.5m中央分隔带将全桥分为左右两幅桥。该桥边跨及中跨两端为单室双箱截面，用顶推法施工；中间挂孔为长 53m 的 6 片简支 T 梁，吊装就位后通过体系转换从挂孔式悬臂梁转换成为连续梁。下部采用钢筋混凝土板式桥墩、钻孔桩基础。荷载等级为汽-超 20 级，挂车-120。

图1 桥梁构造

1.2 桥梁病害概述

桥梁主要存在如下病害：

(1)梁体裂缝

2000年检测时发现，箱梁内外距离中墩墩顶19.68～22.68m范围内(即距离箱梁牛腿端部 3m)腹板存在多条斜向裂缝，裂缝最大宽度为 0.35mm，与水平方向夹角26.5°～40°。箱梁内部斜向裂缝均起源于 M6 预应力束锚固混凝土与腹板相接处，止于牛腿处横隔板，箱梁内外裂缝相互对应。2001 年对此处裂缝采取了粘贴碳纤维布的措施进行加固。

2005 年检测时发现，右幅深圳侧 1#箱室 A 腹板在距离中墩墩顶 10.00～19.50m 范围内腹板存在斜向裂缝。此类裂缝为腹剪裂缝，出现在腹板中间，宽度较大，裂通梁体，裂缝形态为中间宽两头窄，在截面形心轴附近裂缝宽度最大。2007年对此处裂缝采取了粘贴斜向钢板的措施进行加固。

2016 年检测时发现，箱梁外部距离中墩墩顶 19.68～22.68m 范围内(即距离箱梁牛腿端部 3 m)腹板及底板存在多条斜向裂缝，裂缝最大宽度为 0.22mm，部分腹板斜向裂缝延伸至底板，底板裂缝最大宽度为 0.12mm；个别斜向裂缝贯穿底板形成“U”型裂缝。相对于 2000 年的检测结果，牛腿附近的斜裂缝数量有所增加、长度有所延伸，且部分箱室该处底板新增横向裂缝，与腹板斜裂缝连通成“U”型。总体来说梁体的开裂状况有所恶化。

牛腿处裂缝主要是由于结构尺寸的突变，局部应力集中造成；腹板裂缝主要由于结构未设置弯起预应力钢束，抗裂性能略差引起。

(2)梁体下挠

箱梁牛腿处截面下挠的情况：2000 年至 2010 年间下挠变化范围在 0～0.037m 之间；2010 年至2016 年间下挠变化在 0.005～0.011m 之间，表明目前桥梁的线形状态已经处于稳定状态；综合上述两段时期之内的梁体下挠结果可以看出，2000 年至 2016 年间下挠变化范围在 0.008～0.048m 之间。

与竣工图中相关信息进行比对，发现从1990 年竣工开始至 2016 年，标高的变化范围在-0.129～-0.166m之间。

经计算分析可知，纵向预应力钢筋配置略低，预应力钢束引起的墩顶负弯矩效应小于恒载的弯矩效应，进而引起过大的悬臂挠度。

2 加固方案及施工

2.1 总体加固方案

针对纵向预应力钢筋配置不足引起过大的悬臂挠度，采用体外束加固，进一步增强墩顶负弯矩区的预应力钢束效应；对牛腿、底板、腹板采用粘贴钢板、增大结构厚度等措施来增强结构的强度、刚度，抑制裂缝进一步发展。

(1)负弯矩体外束加固(图2)

逐根对称将 2006 年牛腿处人孔位置的加固钢束拆除后替换为 PES(C)7-55 钢丝拉索、并利用连接器延长至边跨横隔板位置进行张拉锚固，分别在中墩及边跨横隔板处设张拉锚固块，单端张拉。体外束锚固块处横隔板粘贴钢板加强。

图2 负弯矩体外束布置图

(2)箱梁腹板补强加固(图3)

在 4#～7#、4'#～7'#箱室腹板外侧围内，采用 C50 自密实补偿收缩混凝土将腹板加厚 0.12m，加厚混凝土内增设钢筋网。在中墩 26m 范围内的腹板加厚段增设 2 束 3Φs15.2 预应力钢绞线，在腹板齿块处锚固，两端张拉。

图3 箱梁腹板补强加固图

在 4#箱室至牛腿横梁范围内的腹板加厚段增设 3 束通长 3Φs15.2 预应力钢绞线，箱梁外侧腹板采用两端张拉，箱梁内侧腹板采用单端张拉。

在6#箱室和6′#箱室腹板内侧粘贴竖向 500mm(宽)×8mm(厚) 钢板。腹板粘贴钢板虽然对结构抗弯性能影响不大，但可提高截面抗剪强度，有效限制腹板斜向裂缝的进一步扩展。

(3)牛腿、底板补强加固

拆除原牛腿底板加固钢板，重新沿纵向采用压力灌注法粘贴 500mm(宽)×10mm(厚) 的钢板至7#、7′#箱室底板下缘，粘贴钢板可有效限制裂缝的进一步扩展。在邻近牛腿横梁的箱梁 7#、7′#箱室底板上缘 4.6m范围内，采用 C50 自密实补偿收缩混凝土将底板加厚 0.2m。

(4)边跨底板压重

在边跨 2#、3#及 2′#、3′#箱室底板压重，采用在底板上缘浇筑 20cm 厚 C20混凝土进行压重。

另外对箱室底板、腹板、顶板、横隔板出现的裂缝进行灌注和封闭修复处理。对主桥箱梁局部存在的混凝土破损、蜂窝、漏筋等病害进行修补。

2.2 预应力加固施工

2.2.1拆除牛腿预应力钢筋施工

替换体外索横断面为9根钢绞线组成，主梁侧为张拉端，挂梁侧为固定端，锚下控制应力为1116MPa，张拉力为1406kN,两锚固端计算长度为4.8m，单端放张量为27mm，采取整束放张张拉工装连接原工作锚板外螺牙(如图4)，分5级张拉至张拉力1406kN，检查工作螺母是否悬空且是否可拧松，若工作螺母未悬空且不可拧松，需再行超张拉至1.05倍张拉力(即1476.3kN),再行检查以确保工作螺母悬空且可拧松，将工作螺母向后拧出预留30mm放张量，千斤顶分级放张卸载至拉索无应力状态，再依次拆除锚头、索体。

图4 原体外索整体放张张拉工装示意图

2.2.2体外预应力索和体内预应力索施工

单幅桥两箱室具体施工步骤如下：

(1)对牛腿原内侧N3索对称整束分级放张卸载索力，待卸载至无应力状态，依次拆除锚头、索体。

(2)安装新替换短索，接长体外预应力索，同步对称张拉2根内侧N3索至锚下控制应力为660MPa，锁紧新替换短索连接端螺母锚固，接长体外预应力索张拉端放张锚下控制应力为600MPa，锁紧张拉端螺母锚固，完成内侧N3索张拉。

(3)外侧N3索更换接长安装及张拉步骤同(1)，完成外侧N3索张拉。

(4)N2索更换接长安装及张拉步骤同(1)，完成N2索张拉。

(5)外侧腹板加固混凝土浇注前，将体内预应力索F1～F8穿入波纹管中，穿入过程中防止钢绞线打绞，并做好波纹管密封防漏浆措施。

(6)待混凝土达到设计强度，根据上述张拉顺序，依次对称张拉各箱室体内预应力索F1～F8，待各箱室体内预应力索张拉完成，对波纹管进行灌注压浆。

(7)N1索更换接长安装及张拉步骤同(1)，完成N1索张拉。

(8)安装预应力索减振装置。

(9)体外预应力索锚固端、连接端防腐及保护罩安装。

2.2.3施工交通组织及施工监控

体外拉索更换期间进行限载(30t以下)，限速(40km/h)，限交通流量，确保加固施工过程结构安全。

体外索张拉过程采取对称分级张拉，需与施工监控单位紧密配合，按照监控指令每完成一级索力张拉，需与监控单位监控数据相互校核，在项目业主、设计单位、监控单位和施工单位各参与单位均达成一致意见认为结构在安全可控状态下，方可实施下一级张拉的监控指令，否则如有异常，需停止实施，检查分析原因，排除异常情况，方可实施下一步施工操作。

桥梁于2019年完成了桥梁的体外索加固，经荷载试验及运营至今的情况来看，梁体下挠未持续发展，裂缝未进一步开展，加固效果良好。