超长联现浇箱梁体外预应力加固施工技术研究

赖德金 熊子多

摘要 随着城市发展，已建的各式桥梁在车辆等各种外部因素共同影响下，将先后引发各类病害问题。其中，桥梁病害的出现和发展对预应力混凝土连续梁桥的影响尤为严重，为有效减轻桥梁病害，提高桥梁的承载能力，文章以厦门大桥改造加固项目为例，详细分析了超长联混凝土连续梁桥体外预应力加固施工技术的特点、原理和流程。应用结果表明，所提工法可有效提高桥梁承载能力，具有广阔的推广价值和应用前景。

关键词 桥梁病害；体外预应力加固；混凝土连续梁桥

中图分类号 U445.72 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2023）23-0047-04

0 引言

近年来，体外预应力施工技术的快速发展为提升混凝土连续梁桥的承载能力提供了契机。体外预应力加固法通过设置体外预应力钢束^[1]，主动对桥梁结构施加外力，改善其应力状况，使裂缝封闭，抵消部分下挠，提高结构刚度^[2]。由于主动施加外力，体外预应力加固法没有效应滞后的缺陷，是一种积极有效的主动加固方法。厦门大桥是一座典型跨海施工的超长联预应力混凝土连续梁桥，其改造加固项目采用了体外预应力技术进行加固施工，所用的体外预应力加固施工技术具有很强的参考价值。因此，该文以厦门大桥为例，在现有体外预应力技术的基础上^[3]，结合现场实际，提出了一套适用于跨海大桥改造加固的预应力加固施工方法。该方法在保证桥梁结构施工效率的前提下，可以显著提高既有超长联混凝土连续梁桥的承载能力。

1 工程概况

厦门大桥于1991年通车，该桥左右两幅共设双向四车道，桥梁全长为6 695 m，其中主桥长度为2 070 m。厦门大桥桥面设19 m宽车道和两侧1.5 m宽人行道，其结构为46 m×45 m的五联预应力箱形连续梁结构体系。

随着城市化进程加快和人口增加，原有的通行能力已无法满足不断增长的交通需求。同時，长期且繁重的交通压力导致厦门大桥主桥箱梁梁底、腹板和翼缘等部位均出现了裂缝、钢筋锈蚀、混凝土龟裂等损害。因此，为提升其通行能力和安全性能，缓解进出岛交通压力，厦门市启动了对大桥的改造加固工程。

2003—2018年，厦门大桥已进行14次养护维修工作，其中2018年的检修维护工作尤为突出，其检测结果为厦门大桥改造加固项目的制定提供重要参考。在其2018年的年度报告中，分别详细介绍了厦门大桥上部结构、下部结构和桥面检查情况。对于主桥箱梁，检查报告显示：

箱梁内表面共计裂缝4 433条，总长8 661.3 m。其中顶板裂缝4 045条，总长8 226.8 m；底板横向裂缝3条，总长10.2 m；腹板裂缝385条，总长424.3 m。全桥的箱梁内表面中共存在9处网状裂缝，总面积3.67 m²；3处蜂窝、麻面，总面积0.78 m²；4处剥落掉角，总面积0.24 m²；3处空洞、孔洞，总体积0.4 m³；6处锈胀、露筋，总面积0.21 m²；4处泛碱，总面积1.015 m²；1处混凝土破损，总面积0.037 5 m²。箱梁外表面共计裂缝337条，总长269.3 m。其中翼缘板纵向裂缝8条，总长6.7 m；底板裂缝289条，总长228.7 m；腹板裂缝40条，总长34 m。全桥的箱梁外表面中共存在11处网状裂缝，总面积4.6 m²；7处蜂窝、麻面，总面积2.59 m²；39处剥落掉角，总面积2.66 m²；55处空洞、孔洞，总体积0.034 2 m³；16处锈胀、露筋，0.324 5 m²；1处泛碱，1处混凝土破损，总面积0.09 m²。

为充分调查厦门大桥材质的具体情况，2018年分别检测了主桥钢筋、钢筋保护层、混凝土及其裂缝。经检测，厦门大桥跨海主桥钢筋部位部分区域存在锈蚀开裂区域。同时还观测到，主桥大部分桥墩存在锈胀开裂，造成部分区域出现混凝土剥落和钢筋外露等现象。另一方面，各测区不同深度混凝土氯离子含量均在0.4～0.7之间，桥墩混凝土中氯离子含量有可能诱发钢筋锈蚀。厦门大桥主梁所测裂缝深度均大于钢筋保护层设计值40 mm，裂缝处混凝土内钢筋暴露于空气的可能性较大，对混凝土钢筋耐久性有较大不利影响。同时，箱外所测底板横向裂缝最大深度为96 mm，小于底板厚度160 mm，并未贯穿底板。所测腹板竖向裂缝最大深度96 mm，同样小于腹板厚度420 mm，未贯穿腹板。

由于厦门大桥箱梁结构已出现较为严重的损害，为对大桥进行修复，项目计划采用体外预应力加固技术。

2 工法原理及特点

该工法设置了多组钢拉杆预应力束，并对其施加预应力，从而达到箱梁结构的加固效果。如图1所示，给出了厦门大桥主桥箱梁截面及其体外预应力束的布置示意，图1可知每幅箱梁均按跨布置设6束15-7型体外索，其中墩顶附近弯起的4束体外索张拉控制应力为1 116 MPa；底板直通束布设2束，其张拉控制应力为600 MPa。为稳定提升主梁的承载力，6束体外索均采用混凝土锚块与原结构进行连接锚固。需要注意的是，为保障结构整体统一，混凝土块内部均通过植筋与原结构连接。

同时，为加快整体结构的施工生产，箱梁跨中区域的预应力体外索转向块采用钢结构形式，而墩顶横隔板部位为混凝土预应力转向块。

另一方面，厦门大桥改造加固项目采用了移动模架技术，将预应力加固的模架与其他项加固项目相结合，形成了一种新型施工方式。这种采用移动模架和预应力施工相结合的桥梁加固工程，具有明显的特点和优势。所提施工方法可以显著提高施工效率、缩短工期、降低成本、提高加固效果。同时，移动模架技术可以在施工过程中快速调整，以满足不同桥梁的加固需求。并且，预应力施工技术可以提高桥梁的承载能力，延长桥梁的使用寿命。

3 体外预应力加固施工工艺流程

对于超长联预应力混凝土连续梁桥，厦门大桥体外预应力加固施工包括有钢结构施工、混凝土结构施工和预应力张拉施工三个部分。

按照施工顺序，钢结构施工分为：测量放样、找平打磨、预应力筋扫描、锚栓锚固、钢板下料、钢板钻孔及安装、钢板焊接、轴线定位、转向器安装和灌钢共10个步骤。混凝土结构施工包含：混凝土凿毛、取孔、植筋、模板安装和自密实混凝土浇筑5个步骤。最后一项预应力张拉施工工序则有：体外束穿束、剥除PE、锚具及附件安装、体外束张拉、减隔震支座安装和封锚6个步骤。因此，对于超长联预应力混凝土连续梁桥，所提工法的加固施工共有21项技术较为复杂的工序，其分步工序的施工质量直接关系到整体体外预应力加固施工工艺的施工质量。其中，核心施工工序有钢板钻孔及安装、灌钢、自密实混凝土浇筑和体外束张拉4项。

3.1 钢板钻孔作业

对于钢板钻孔作业，在施工前，應仔细核对相应施工图纸上的规定尺寸。同时，箱梁加固过程中的制孔均需采用钻孔工艺，并在钻床上对划线部位进行机械钻孔。为保证施工质量，其所钻圆孔应为圆柱形，同时钻孔部位需与结构表面保持垂直，孔位周边的部位需清洁毛边并检查有无破损开裂部位，若孔缘存在破裂或凹凸的痕迹，则应另选部件重新进行钻孔。

在钻孔完成后，结构应按施工图纸的要求仔细核对构件的几何尺寸及连接关系，对齐钻孔部位并有序连接各个零部件。若结构出现弯曲、扭曲等变形现象，还应对其进行修正，待检查合格后方可进行后续施工步骤。

3.2 灌钢作业

灌钢主要施工顺序如下：表面处理→注浆孔设置和封边→配制黏结剂→灌注→钢板表面防腐处理。

（1）表面预处理：首先需要对钢构件表面的污垢和锈蚀进行处理，以确保黏结性能。实施除锈之前，首先需要用相应清洗剂进行清洁并保持结构表面干净清洁。对于磨损和腐蚀严重的钢构件，在局部除锈的同时，为保证结构强度，还需要更换锈蚀严重的薄弱部位，避免其影响钢构件的使用寿命。

（2）注浆孔设置和封边：根据钢板的黏贴面，在任意一面位置选择合适的点作为灌胶孔，同时确保其他周边每隔0.5 m左右插入软管作为排气管的使用。对于倾斜或垂直安装的钢板而言，则需要在最低点设置注胶孔，最高位置需要插入排气管。

（3）配制黏结剂：根据供应商提供的产品说明书要求，正确比例的配制黏钢灌注结构密封剂。使用低速搅拌器搅拌均匀，使黏合剂充分反应。需要注意的是，在混合搅拌时，应防止空气进入黏合剂，从而避免热固化期间黏合剂的起泡现象。如果有空气进入黏合剂，在黏贴前需要进行真空脱气。同时，冷储存的黏合剂在使用时必须进行加热至适当的温度，从而达到最佳性能。

（4）灌注：为保证黏钢结构密封剂充分地灌注进钢板和混凝土的空隙中，施工时应采用相应机械泵等设备将密封剂从下至上注入倾斜放置的钢板空隙中。同时施工人员需具备一定的技能和经验，确保涂抹密封剂时均匀、平整，不出现气泡和漏涂等现象。在灌注过程中，还需要对黏钢结构密封剂进行通气试压，其通气压力为0.2～4 MPa。

（5）防腐处理：待黏钢结构密封剂灌注完成后，还需对外露钢板表面进行防腐处理。需要注意的是，在防腐涂装前，所有的钢结构都要除去各种附着在钢表面的污物，处理后的钢结构表面必须及时喷涂防腐涂料并保证其表面无明显锈迹。在面漆涂装过程中，需要实时检查涂料有无渗漏，面漆涂抹需保证涂层厚度均匀，无针孔、剥落、起泡、错涂、漏涂等缺陷。

3.3 混凝土浇筑作业

为保证施工质量，对于超长联混凝土连续梁桥的预应力加固项目，所提工法采用C55补偿收缩自密实混凝土制作混凝土转向块，当采用硅酸盐水泥或普通水泥时，其强度等级应大于42.5，从而保证混凝土转向块的结构强度。混凝土中还需加入经审批合格的矿物掺和料以满足施工需求，同时不影响混凝土的收缩补偿和自密实性能。粗骨料则应选择质地坚硬、清洁且符合规范要求的材料。

在浇筑前需做好充分准备，确保辅助结构的一次成型效果并降低施工缝的出现概率；为使新混凝土与原结构混凝土紧密结合，浇注后期应对孔洞进行加压并保持一定压力。由于自密实混凝土难以泵送且需保证密实度，采用以下方式进行浇注：

（1）首先需要在辅助结构位置对应的桥面上开设直径为10 cm的混凝土孔洞，使用箱外拌和料从桥面往混凝土孔洞中向下注入混凝土。需要注意的是，由于箱梁环境的限制，在施工过程中，为保证施工质量，应采用自密实混凝土进行浇筑。

（2）在模板附近预留振捣孔进行振捣，浇注过程中注意速度不宜过快以防止混凝土不均和气泡产生。为保证施工质量，振动器的移动间距应严格控制，最大移动距离不应超过振动器作用半径的1.5倍。同时振动器需作用于混凝土模板内5 cm处进行工作，工作期间的每个振动部位需保证振捣密实但不可超量。

（3）待混凝土浇筑完成后，需立即使用自密实混凝土填充辅助结构位置对应的桥面孔洞。同时需要严格把控混凝土拆模时间，待拆除非承重模板后，再拆除承重的模板及支撑。拆模过程中需一次连续拆除，并严禁模板位置下方有非施工人员进入。

（4）采用覆盖土工布并专人不间断浇水的方式进行混凝土养生，确保表面长期湿润。在满足强度和弹性模量试验的基础上，尽量减少水灰比并降低水泥用量；同时，使用符合规范的骨料级配。浇筑时需避免高温时段或采取措施以减少水化热及预防后期裂缝。

3.4 束张拉作业

在混凝土强度达到设计要求后，智能张拉设备就位并安装千斤顶。接下来进行钢绞线的张拉，采用整束整体张拉方式，采用两端对称的张拉伸长量校核。千斤顶在安装之前必须进行标定和油表配套校正，进场前须经有资质单位标定。在体外束进行张拉作业时，应遵循应力控制为主的原则，根据应变值作为参考辅助校核，即结合油压表读数和体外束张拉量进行控制，严格控制实际施工过程中的读数和理论计算的差值保持在±6%之内。

为了确保结构的安全并减小预应力不平衡张拉对结构的影响，主梁箱内和体外预应力张拉需遵循对称原则。横桥向每跨设置6根钢束，按对称原则进行张拉；纵桥向同一横隔板两侧的各2根弯起束交叉锚固。在箱内体外束张拉过程中，应对关键截面（如锚固端和转向处）进行实时监测。若发现混凝土表面出现新裂缝或有裂缝扩张趋势，应立即停止张拉并分析原因进行调整。主桥的每一联中跨部分每两跨度需进行单跨张拉，而边桥临近过渡墩的跨度则采用单程张拉。同时，在进行钢绞线的倒顶操作时，必须先用顶压器将夹片紧固，然后回油，以防止钢绞线过长导致滑丝现象的发生。此外，在张拉过程中，还要注意控制张拉的速度和应力，确保张拉过程的平稳和准确。同时，张拉设备应定期进行检查和维护，确保其工作状态良好。

4 体外预应力加固施工注意事项

张拉作业过程中，所设转向块和锚固块中抗剪螺栓的强度对施工的安全开展和结构整体质量有重要影响，因此施工前需严格检查预设抗剪螺栓的抗剪强度。另一方面，在对图1的6束体外索进行张拉的过程中，还需要实时监测混凝土锚固块的混凝土应力，防止张拉应力过大，导致混凝土块局部压裂。当混凝土实测应力超过允许范围应立时，应立即张拉作业，并对损毁部件进行补强替换等措施。对于主体箱梁结构，在张拉过程中也应实时监测裂缝的发展情况，并通过固定装置约束箱梁内部体外索在张拉过程中的横向移动，确保体外索张拉束与箱梁横隔板混凝土可以相对贴合并均匀传力。

张拉过程中，6支钢束锚固段均需要预留足够的夹片外露钢铰线长度，其至少为设计值150 cm。同时，在张拉端为施工人员配备6 mm厚、40 cm宽的钢挡板作为安全防护。为防止张拉端、锚后端的钢绞线松动穿出伤人，相应危险位置应避免站人。

对于张拉状态的张拉束，不得直接将其剪切，应放松预应力后再进行操作。当已张拉的体外索需要放松减轻预应力时，张拉端锚具应使用特制的放松装置进行施工作业。需要注意的是，体外预应力束的保护套需要进行防火操作，当在施工现场进行电、气焊作业时，相关人员需经培训考核合格并具备特种作业证等相关证件，并严禁无资质人员使用任何电、气焊设施。从事相关操作的工人必须严格遵循安全技术操作规程，正确佩戴安全防护用品（如绝缘鞋、保险垫和电焊手套）；高处作业及临边场所或可能发生悬空坠落的作业必须系好安全带。在特殊环境如水上焊接或气切割时，需先搭建固定竹筏及浮箱再铺设绝缘垫等防护措施方可进行作业，在施工过程中须将电焊线、氧气管和乙炔管用固定装置加以捆绑。氧气瓶和乙炔罐须按照规范摆放且周围不得堆放易燃危险物品，以防发生火灾。电焊机的安装接线须由专业电工负责操作；控制电器需做到机、闸和漏电保护器动作灵敏，确保接地接零牢固可靠。

5 体外预应力加固效果分析

厦门大桥应用所提的体外预应力加固技术后，需将试验监测结果和所设计的预应力进行对比，从而分析所提的体外预应力加固施工方法的实际效果。

对于预应力加固方法的结构应力提升设计值D_s，应依据《混凝土结构设计规范》规定进行计算。对于一段长度为x、曲线包角为θ的预应力筋埋设管道，有：

在厦门大桥G1和G2两个预应力筋管道的加固过程中，通过预设的压力传感器、应变计等设备进行监测，得到了对应的结构應力应变监测数据。如表1所示，为所测G1和G2两个管道的摩擦系数实测值和设计预测值。观察发现，管道对应的摩擦系数均能得到准确预测，表明所采用的监测设备及方法具有较高准确性和可靠性。这一结果有助于为后续管道加固工程提供有效的数据支持，从而提高工程的安全性和稳定性。

通过对G1和G2管道的摩擦系数进行测量，发现总体偏差较小，与设计值较为吻合。在此基础上，可以继续计算这两个管道的加固应力提升值。如表2所示，所测两个管道的结构强度均有明显提升，表明所提出的方法在提高管道强度方面具有显著效果。因此，所提出的方法具有较强应用价值，可以为类似管道加固项目提供有效的解决方案。

从经济效益角度进行分析，当采用箱内搭设支架取孔的一般方案时，厦门大桥左右幅共计92跨，需要8套支架，施工期间需将支架整体转移92次以满足现场生产需求。同时，每搭设一处支架需要2 h，一跨共需搭设4处，工人共需8人。完成92跨支架搭设共需要消耗人工8人，耗时92 d。一套支架的市场单价为2 000元/套/月，支架搭设工人市场单位为400元/d，总成本为84 800元。

而采用所提出的方法，每套支架需要操作人员1人，1跨内共需要操作人员4人，新型自测孔深顶板专用取孔装置4套，其中每套装置成本为800元/套。总成本为3 200元，成本仅为一般方法的3.8%，大大降低了施工成本。同时，所提出的方法还能提高施工效率，减少车流量对施工精度的干扰，具有更高的推广价值和应用前景。

6 总结

迫于与日俱增的交通压力，各式桥梁在长期工作下会出现不同程度的裂缝、钢筋锈蚀、混凝土龟裂等问题，为在保证施工效率前提下减轻桥梁病害，提高桥梁承载能力，该文以厦门大桥改造加固项目为研究背景，结合厦门大桥所用的移动模架和沿海施工环境，提出了一种适用于超长联预应力混凝土连续梁桥箱梁加固改造的体外预应力加固施工技术。同时，该文从体外预应力加固施工技术的工艺原理和流程角度详细介绍了所提工法的应用效果。厦门大桥改造项目的应用结果表明，所提工法可以大大减少车流量对施工精度的干扰，进而提高施工速度，同时该工法及其适用于连续梁桥的加固项目，可有效提高桥梁承载能力，延长桥梁的营运时间，具有广阔的推广价值和应用前景。

参考文献

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收稿日期：2023-10-10

作者简介：赖德金（1971—），男，本科，高级工程师，研究方向：工程建设项目。