后张预应力技术在T梁翼缘板断裂加固工程中的应用与研究

田国昌

(新疆公路桥梁试验检测中心有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 848000)

1 工程背景

1.1 工程概况

成都第二绕城高速公路东段A3合同段ZK47+780.27张家院大桥位于两河口互通内,为左幅上跨陡斜坡而设立,上部结构采用L=10～25 m预应力混凝土预制T梁;下部结构桥墩采用钢筋混凝土桩柱式圆墩,桥台采用重力式桥台;墩台均采用挖孔桩基础。张家院大桥因交通事故汽车碰撞护栏,在剧烈冲击下导致3-7#T梁板翼缘板断裂,根据检测结果显示:3-7#翼缘板出现严重的功能性病害,翼缘板断裂,且有继续扩张的趋势,裂缝宽度超限,渗水严重,钢筋已经出现锈蚀现象,其他梁板完好无损,性能良好。

1.2 病害分析

该桥因交通事故汽车碰撞护栏,在剧烈冲击下导致外边梁梁板翼缘板出现裂缝。

T梁翼缘板在防撞护栏处的截面形式为变截面点,汽车的撞击直接作用在护栏上,由于护栏与T梁翼缘板是现浇连接,在外力的瞬时冲击作用下,护栏的移位造成了翼缘板断裂的部分处于T梁的端部,长度5.5 m,且断裂的位置在T梁翼缘板截面变化处,此处翼缘板的断裂对T梁的承载力和完整性产生影响,属于结构性损伤。在车辆的强大撞击力作用下,此位置处的翼缘板折断,这是本桥病害产生的直接原因,张家院大桥T梁翼缘板断裂,且有继续扩张的趋势,图中可以看出,防撞护栏裂缝呈45°角向翼缘板深处发展,原因在于,车辆撞击过程中,荷载呈一定角度倾斜撞击防撞护栏,防撞护栏承受荷载后,将荷载传递至下部梁体,作用方向呈倾斜状态,由此可以看出,防撞护栏的设置在一定程度上分解了撞击荷载对梁体的破坏作用,裂缝宽度远远超限,经现场测量,撞击产生的裂缝宽度最大达25 mm,裂缝深入梁体内部,梁体表面混凝土剥落,深部裂缝已远远超过规范0.2 mm限制,受西南地区降雨影响,雨水深入梁体内部,架立钢筋出现严重锈蚀现象,表观上即可观测到钢筋锈蚀情况,梁底变截面处渗水泛白,出现严重的功能性病害。由于T梁翼缘板的断裂,造成护栏外倾严重,沥青铺装开裂及错位。翼缘板折断后,折断部分的翼缘板退出工作,降低了T梁的承载能力和工作性能,因此必须对翼缘板进行加固。

1.3 加固方案比选

本桥T梁翼缘板局部断裂等病害,其加固方案设计本着安全、使用、经济的原则,可以考虑以下方案。

方案一:对已破坏的梁体进行凿除处理,从翼缘板变截面处凿除外倾防撞护栏及断裂的T梁翼缘板,对已经锈蚀的钢筋进行清除处理,通过植筋方式重新制作T梁翼缘板,并将新的防撞护栏现浇于翼缘板上部,恢复防撞护栏使用功能,普通钢筋混凝土现浇养护完成后,为加强重作部分混凝土结构的承载能力,在重作部分采用后张法设置预应力筋,施加部分预应力,采用高强螺纹钢作为预应力筋,横向穿插新老混凝土部分,保证结构完整性,提高T梁翼缘板的强度储备。

方案二:更换受损T梁,重做护栏,由于本桥T梁翼缘板断裂的部分处于T梁的端部,长度5.5 m,且断裂的位置在T梁翼缘板截面变化处,此处翼缘板的断裂虽然对T梁的承载力和完整性产生影响。

表1为两种方案经济技术指标对比,采用方案一造价约为7.13万元,仅为方案二的46%,同时施工周期较短,不需要大型架桥机,施工过程中的交通组织可采用半封闭交通,对通行影响较小。方案二整体拆除T梁存在造价高、工期长、需要大型机械辅助施工等缺点,施工过程中需封闭交通,临时开放其他通道。经方案比选,采用方案一部分重做的方法进行加固处理,拆除破损梁体后,通过设置预应力筋加强重作部分,可达到或甚至超过原T梁翼缘板的设计承载力。翼缘板位于车行道外侧,汽车荷载在此处作用较小,结构上T梁功能性仍然能够发挥得到较大程度发挥。

表1 方案对比经济技术标表

为提高重作部分的T梁翼缘板的承载能力,提高其安全性及可靠性,经优化后的翼缘板的加固的技术关键有三点。

(1)采用施加横向预应力的方法,加强折断的翼缘板与母结构(原T梁)的连接,通过高强螺杆施加预压力将重作部分的翼缘板紧紧地压在母体结构上。

(2)将原桥面铺装(10 cm混凝土+10 cm沥青),改为15 cm预应力混凝土+5 cm沥青铺装,所用混凝土比原设计混凝土提高一个等级,加厚翼缘板采用双层钢筋网混凝土铺装。通过加大翼缘板的厚度,加强钢筋设置,提高混凝土等级等能够大幅度地恢复或提高翼缘板的强度与刚度,这样处理能保持原桥梁的的整体外观上。

(3)为保证新旧混凝土的结合,在新旧混凝土的结合面上采用植筋连结技术。

2 施工工艺

2.1 工艺流程

(1)搭设满堂支架,并预压支架

T梁护栏因汽车撞击造成翼缘板折断,经分析,翼缘板钢筋已近屈服状态,因此应拆除断裂翼缘板,重新浇筑翼缘板。考虑到现场施工及翼缘板断裂位置,本方案采用搭设满堂支架的方式;为了防止浇筑的混凝土使支架变形,进而造成新浇筑翼缘板变形,故在支模板前应用新浇筑混凝土的2倍重量对支架预压,测量其变形,脚手架布置。

(2)拆除防撞护栏、桥面铺装及断裂翼缘板

防撞护栏及翼缘板采用一次凿除的方法。采用风镐凿眼,大锤敲碎的方法,禁止使用液压冲击式拆除,清除部分桥面沥青混凝土层铺装和桥面铺装,实施凿除作业时,应避免对T梁造成损害。桥面铺装拆除时,为了防止桥面板被破坏,作业队伍用采取手工凿除20 cm厚混凝土及沥青桥面铺装,暴露原有横桥向钢筋,但不可损伤原有钢筋。

(3)浇筑翼缘板及桥面混凝土

根据设计要求浇筑桥面铺装及翼缘板混凝土,按照规范要求进行养护,拆除的翼缘板及桥面铺装,重新浇筑时采用C50商品混凝土(原设计T梁混凝土为C40,相比原设计重建部分混凝土高一个等级,且就高不就低的原则),防撞栏杆仍采用C30商品混凝土。C50商品混凝土所用砂、石料、水的技术质量必须符合《公路桥涵施工技术规范》有关条文规定。混凝土粗骨料应采用级配良好的坚硬碎石,普通混凝土最大粒径不宜超过2 cm;混凝土细骨料宜采用中粗砂。混凝土的抗压、抗拉强度及弹性模量等指标必须满足相应强度等级混凝土的要求。施工前应进行混凝土最佳配合比设计和试验,并严格控制混凝土水灰比和坍落度,拌合混凝土的骨料的品质、粒径等必须严格筛选,综合考虑施工顺序、工期安排、环保影响等各种因素,通过试验,保证混凝土强度。

(4)后张法高强螺杆施加预应力

重新浇筑的翼缘板与原T梁混凝土之间仅靠普通钢筋进行连接,在长期荷载作用下(或意外撞击)很容易再次出现裂缝,再经过雨水及空气的侵蚀,桥梁就会出现安全隐患[4,5]。因此为了提高修复后的翼缘板的抗折能力,限制裂缝的发展,采用后张法施加预应力的方案,对T梁翼缘板进行结构补强,确保其设计承载力高于加固前的水平,保证结构的安全。现场先选取不参与受力、非重要位置或将来凿除的混凝土进行植筋,达到强度要求后,进行抗拔试验,检验标准以设计抗拔力不被拔出为准,此时混凝土完好即为合格,然后才可以批量操作。

检验标准同样采用设计抗拔力不被拔出为准,同规格的钢筋每100根随机抽样一组,每组3根,进行试拉,如达到安全拉力钢筋不被拉出,说明植筋施工质量合格。抽检频率应根据《混凝土结构加固设计规范》相关规定执行,按照不小于植筋总数的3%,且不少于5件进行随机抽样检验,在监理的监督下委托第三方进行抽检,根据规范要求,非破坏性检验荷载取0.9Asfyk,其中As为植筋面积,m2,fyk为设计抗拔力,N[6,7]。

(5)支模,浇筑防撞护栏

梁板浇筑混混凝土达到设计强度后,可浇筑钢筋混凝土防撞护栏。绑扎防撞栏杆钢筋时注意将桥面铺装横向钢筋与护栏钢筋一起绑扎,钢筋的焊接满足规范要求。浇筑防撞护栏时应注意预埋桥面铺装桥面横向泄水管。

(6)沥青路面修复(厚度4 cm)。

2.2 预应力构件拧紧力计算

螺杆结合面采用喷砂、砂轮打磨等方法进行处理,摩擦系数应符合设计要求。摩擦面不允许有残留氧化铁皮,处理后的摩擦面可生成赤锈面后安装螺栓(一般露天存放10 d左右),用喷砂处理的摩擦面不必生锈即可安装螺栓[8,9]。采用砂轮打磨时,打磨范围不小于螺栓直径的4倍,打磨方向与受力方向垂直,打磨后的摩擦面应无明显不平。摩擦面防止被油或油漆等污染,如污染应彻底清理干净

本预应力构件采用8.8级M20高强螺杆制作,其中一端固定在混凝土中,另一端自由,保留合适的施加扭矩的空间,且在自由端部分用套管进行抱箍,以满足螺杆因施加扭矩伸长所需要的空间。

预应力构件预紧力矩Mt,N/m,计算公式为

Mt=K×P0×d×0.001

(1)

式中:K为拧紧力系数;d为螺纹公称直径,mm;P0为预紧力,N,其中拧紧力系数K通过表2获取。

表2 锚杆拧紧力系数表

设计每根螺杆张拉力为P0=136 kN,公称直径为20 mm,拧紧力系数为0.1,代入公式(1)得到每根螺杆拧紧力矩为Mt=K×P0×d×0.001=0.1×136×103×20×0.01=272 N·m,预应力构件的预埋位置,施工过程中需检查实际的接点板叠是否贴紧,垫圈的配置是否正确,拧紧螺栓的操作是否符合螺母转角法的规定,螺栓和螺母上做的标记显示是否达到了旋转角度的要求。

2.3 施工注意事项

(1)施工期间应做好交通组织维护,确保交通期间施工安全。

(2)桥面铺装及护栏拆除过程中应采用人工加机械拆除相结合的方法,应循序渐进的凿除旧结构物,避免拆除过程中对T梁造成二次伤害。

(3)安装预应力构造措施时应严格按照设计要求施工,确保施工质量。

(4)施工期间由于设备的堆放、施工时各种构造物及施工场地对现有道路的占用,影响道路通行能力,并在施工处骤然形成瓶颈。在此情况下,需要设置完善的交通组织指引系统,引导车辆顺利通过施工区域。并且需要提高设置疏导标志发布前置消息,尽量疏导车辆行驶其他路段,减轻施工区域的交通压力[10]。

3 结 论

后张法预应力技术在桥梁加固工程中使用广泛,以成都第二绕城高速张家院大桥桥梁翼缘板断裂加固工程为背景,总结了该工程中桥梁病害的成因及危害,通过方案比选后决定采用后张预应力技术加固,加固后的主梁能够保证该桥正常使用且具有足够的强度储备,通过介绍了该桥梁加固工程,得到了以下结论。

(1)成都第二绕城高速张家院大桥翼缘板折断的直接原因为车辆撞击荷载,折断部分的翼缘板退出工作,T梁的承载能力和工作性能受损,须对翼缘板进行加固。

(2)后张预应力技术加固方案造价仅为整体更换梁体方案的46%,同时可节约43.9%的施工工期,具有造价低、施工难度小、工期短的优点,桥梁加固工程中应用广泛。

(3)后张预应力技术加固方案每根螺杆拧紧力矩为272 N·m,施工过程不需要大型架桥设备,施工更为便捷,施工时需做好交通组织维护,确保交通期间施工安全。