体外预应力在平罗黄河特大桥加固工程的应用

体外预应力在平罗黄河特大桥加固工程的应用

王维强

宁夏交通建设股份有限公司宁夏自治区银川市750004

摘要：在现代桥梁工程建设领域，体外预应力施工技术因其施工操作简单，截面尺寸小以及体外索可根据具体情况随时补张、灵活更换等优势，在工程建设领域应用比较广泛。目前，体外预应力施工技术主要应用于旧桥加固中，部分新建桥梁中也有小范围的应用。本文结合工程加固实例介绍体外预应力技术在加固钢筋混凝土箱梁中的应用。

关键词：桥梁；体外预应力；加固；混凝土箱梁

1前言

随着经济的发展，公路桥梁荷载不断增加。持续运行多年的预应力混凝土桥梁，出现了梁体裂缝、跨中下挠，腹板底板开裂等病害。很大程度上影响了桥梁的正常运行，部分桥梁由于被关注程度不够，或采取的加固措施不得当，导致因桥梁垮塌等不安全事故时有发生，为国民经济及人民的生命财产造成很大损失。通过对主桥施加体外预应力等措施，以提高主桥的刚度及承载能力，改善桥梁裂缝，达到桥梁继续运行的目的。

2工程概况

S301线平罗黄河特大桥总跨径组成为（（35×30）+（60+5×90+60）+（5×30））m，主桥为7跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥，跨径组成为（60+6×90+60）m，横截面为单箱单室箱型，箱梁根部梁高5.0m，高跨比为1/18，跨中梁高比为1/40.9，箱梁高度从0号块根部到10号块按二次抛物线变化。主桥底板、顶板、横隔板出现多条裂缝，引桥裂缝、大面积渗水、砼破损漏筋等病害，为保证大桥安全对平罗黄河特大桥采用体外预应力等措施进行加固。

3体外预应力施工特点

3.1内外共同作用，提供良好的应力补充。体外预应力与原桥体内预应力相比，除主要的受力点与原结构物有接触外，多数位置暴露在结构外。以连续箱梁为例，除在梁体的端部及中部极少部位设置必要的锚固块及转向块外，多数预应力钢绞线暴露在箱室内。由于附加于预应力的砼体较少，因此体外预应力在提供相同的应力效果时，最大限度的降低了由于增加混凝土结构体而增加的梁体自重。同时由于钢绞线与砼体接触较少，很大程度上减少了钢绞线与管道、砼体之间的摩檫力。体外预应力属于主动加固措施，与体内预应力共同作用，抵御桥梁动静荷载，极大的补充了全桥预应力作用效果。

3.2大幅度提高梁体强度及刚度。体外预应力较大幅度的提高梁体的抗弯刚度。在正常使用极限状态下，可减少梁体由于自重等原因产生的下挠，减小甚至闭合梁体横向、竖向裂缝，增加梁体的整体刚度，提高梁体耐久性及使用寿命。

3.3操作简单，效果明显。体外预应力施工简单，在不破环原结构的前提下对梁体施加预应力作用。钢绞线无需束编，每根相互独立存在，共同作用，施工时便于操作，部分钢绞线如需更换，可在不封闭交通、不扰动其余钢绞线的前提下自行更换，效果明显。

4适用范围

体外预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于混凝土构件中体内钢绞线应力低下，松弛；梁体强度偏低；需要减小、闭合构件裂缝；部分需要提高荷载能力的桥梁。

5施工工艺流程及操作要点

5.1锚固块、转向块施工

1）放线定位。用红外线水平仪和钢尺进行准确的放样，以报检合格的轴线为基础，预先用墨线在箱室内顶板、底板、腹板按设计图纸的结构尺寸弹出转向块和锚固块的轮廓线，再分别根据钢筋间距弹出植筋孔位置，控制植筋和模板

2）植筋

①植筋用胶粘剂分为管装式和机械注入式。管装式主要应用顶板、腹板植筋；机械注入式主要用在底板植筋。在植筋施工前，将项目所用胶粘剂送至相关有资质的检测单位进行检测，检测合格的胶粘剂才能应用施工。

②植筋定位、钻孔：钻孔前项目技术人员用钢筋探测仪探测锚固块、转向块植筋部位与原结构是否有冲突，与原结构有冲突的部分植筋孔应该适当的调整位置。

③清洁孔壁、植筋：用硬毛刷和洁净无油的压缩空气反复清理几次，至孔壁干净后注入胶粘剂，胶粘剂的注入量大于等于植筋孔的2/3，将钢筋单向旋转插入钢筋，直至达到设计深度，并保证植入钢筋与孔壁间的间隙基本均匀。

④静置固化：胶粘剂完全固化前，不得触动或振动已植钢筋，以免影响其黏结性能。

⑤拉拔实验：胶粘剂完全固化后，在业主、监理的见证下共同用锚杆拉拔仪对所植钢筋进行拉拔实验。实验合格后方可进行下道工序。

预埋分丝管式转向器、安装钢支撑。严格按照图纸尺寸在每个转向块和锚固块上预埋分丝管式转向器，分丝管式转向器主要起到改变预应力管道线形的作用，锚固块和转向块是钢材混凝土结构，钢支撑是连接转向块上下板，应严格按照图纸所标示位置放置钢支撑。

4）模板安装

①施工现场实际尺寸定制钢模板，模板厚度不小6mm，模板应具有足够的强度、刚度、稳定性，以保证混凝土的外观质量。

②模板安装前拼装成整体，拼装时接缝错台要求不超过2mm，接缝间夹双面海绵条，防止漏浆。拼装好后严格检查接缝错台，确保拆模后外露面色泽美观，线条流畅。

③在立模前涂脱模剂，脱模剂选用方便脱模，且能保证混凝土色泽一致，不污染混凝土本色的材料。一般使用脱模剂为新机油，杜绝使用废机油。

④浇注前，模板与砼的接触面必须清理干净，脱模剂有脱落或不匀的情况时要补刷均匀并不得污染钢筋。

5）C55自密实混凝土浇筑。

锚固块、转向块钢筋密集，普通混凝土浇筑无法振捣，容易导致空洞使混凝土不密实，所以设计采用C55自密实混凝土。C55自密实混凝土对扩展度要求很高，施工过程中控制在650mm-750mm。在浇筑过程中无需振捣自行密实。

5.2体外预应力施工

1）千斤顶的确定。体外预应力采用OVM-S4环氧涂覆无粘结钢绞线（19ФS15.2mm），根据加固设计图纸合理配置千斤顶。

2）钢束理论伸长量的计算

钢束理论伸长量

钢束的理论伸长值△L（mm）可按下式计算：

△L=PPL/APEP

式中：PP——钢束的平均张拉力（N）；

L——钢束的长度（mm）；

AP——钢束的截面面积（mm2）；

EP——钢束的弹性模量（N/mm2）。

3）环氧涂覆无粘结钢绞线下料、穿束

①环氧涂覆无粘结钢绞线在运输过程中要防止钢材之间相互碰撞而变形损坏。仓储保管时，仓库应干燥、防潮、通风良好、无腐蚀性气体和介质；室外保管时，时间不宜超过6个月，不得直接堆放在地面上，必须采取下面垫以枕木并在其上用防雨布覆盖等有效措施，避免受雨水、露水和各种腐蚀性气体、介质的影响。

②环氧涂覆无粘结钢绞线下料长度应严格按照图纸，下料过程中应采用切断机或砂轮锯切断，不得采用电弧切割。

③体外索进场后，应按有关规定对钢绞线的强度、弹性模量、截面积、延伸量和硬度进行检测，合格的材料才可以应用到工程中。

④环氧涂覆无无粘结钢绞线长束在穿束的过程中应该用电动葫芦，相应的可以节省人工、提高功效，穿束的过程中应该避免坚硬物体对PE护套的损坏。

4）体外预应力张拉

①混凝土养护龄期达到15天，且混凝土强度达到设计强度的95%后，方可张拉预应力束。

②体外索应对称逐级张拉，每级张拉设计值的20%，在每张拉完一级时，要仔细检查每个锚固块和转向块的受力情况，同时通知检测单位进行挠度变化、裂缝变化、拉压应力变化、纵向位移变化、索力变化进行检测，检测结束才能进行下一级的张拉，如发现不良情况，应立即停止张拉，查明原因采取相应补强措施后再进行张拉。张拉顺序为N1→N4→N7→N2→N5→N8，均为两端对称张拉，单根张拉。张拉时以应力控制为主，伸长量校核，理论伸长量和实际伸长量应控制在±6%范围之内。

③预应力张拉过程中项目技术管理人员全程跟踪，每次张拉都有完整的记录。

④预应力张拉前应分别从两端进行预紧，确保环氧涂覆无粘结钢绞线在管道内平行、顺直、滑动自由。

⑤体外预应力张拉过程中应该封闭桥面交通。

5）安装防松板、保护罩

预应力张拉完成之后，应该及时安装TSK型可调可换锚具的防松板，防止在荷载的作用下钢绞线回缩，在外露的钢绞线上涂膜防腐油脂，安装保护罩。

5.3桥梁监控

1）监控目的。根据本桥的加固方案，确定本桥加固施工监控包括应力监控、线形监控、索力监控、裂缝监控，通过识别实桥与设计的误差并分析误差原因，为后续加固施工及动态设计提供依据。

2）监控内容。对于每一个预应力张拉施工阶段，为了改善施工过程中的混凝土主梁的受力，必须进行各指标计算分析和观测，对施工过程中各个工况进行相对应的计算调整，并用于指导下阶段施工：

①体外预应力索索力监控

在体外预应力钢束的单端锚下安装压力传感器，以便在施工及运营过程中实时监控索力变化。选取1道边跨长钢束和1道中跨钢束布置压力传感器，共2个传感器。

②主梁挠度变化监测

在各桥跨的支点、L/8、L/4、3L/8、L/2断面上各布置三个高程观测点，分别位于桥面上游侧、桥面中心线和桥面下游侧，监测张拉前、张拉过程中、张拉后的主梁挠度变化情况。

③纵向位移监测

在跨越伸缩缝处上、下游固定4个长度为100cm的标距，测量预应力束张拉前、后标距的变化，判断分析纵向位移的大小。量程选用150mm。

④裂缝变化监测

对跨中底板横向裂缝和腹板部位斜向裂缝进行定位，在预应力束张拉前后对裂缝进行观察，并选择典型的横向、纵向裂缝进行标记，在预应力束张拉过程中对裂缝宽度、长度进行监测。

⑤箱梁纵向应力的变化

在箱梁中跨跨中的顶、底板粘贴振弦应变计，观察体外束张拉前、张拉过程中和张拉后的中跨跨中顶、底板应力的变化情况。

6质量控制

6.1工程质量控制标准

依据《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/TJ23-2008）桥加固中要求，预应力材料必须保持清洁，在存放和搬运过程中避免机械损伤和锈蚀，做到上盖下垫。钢绞线在下料过程中采用切断机或砂轮锯切割。按设计要求增设转向块、锚固块，安装TSK型可调可换锚具。张拉方法按现行《公路桥涵施工技术规范》的相关规定执行，对称、均衡张拉至设计吨位。体外预应力张拉结束后应按设计要求进行防腐处理。

6.2质量保证措施

1）分丝管式转向器位置的定位准确。

2）预应力钢束在张拉开始之前应分别从两端采用千斤顶对钢束进行松动张拉，以确保钢绞线在管道内平行、顺直、滑动自由。

3）混凝土养护龄期达到15天，且混凝土强度达到设计强度的95%后，方可张拉预应力束。

4）张拉控制应力为1116.0MPa，张拉时应对称逐级张拉，每级张拉设计值的20%，张拉过程中的油表读数要准确，钢绞线的伸长量要做好记录。

5）张拉顺序为N1→N4→N7→N2→N5→N8，均为两端同时对称张拉，单根张拉，每级张拉均为N1→N4→N7→N2→N5→N8交替进行。张拉时以应力控制为主，伸长量为辅进行校核。

6）实测伸长量应与计算伸长量差值在±6%之内。

7安全措施

7.1加强体外预应力施工的安全管理工作，严格落实项目领导带班制度，遵守招标文件、合同和政府有关安全生产的规章制度。对违反安全规定冒险蛮干的要勒令停工，严格执行安全一票否决制度。

7.2做好体外预应力施工的危险源辨识工作，针对危险因素制定详细的预防和控制措施，编制切实可行的应急救援预案，并组织人员对预案进行演练。

7.3认真落实安全技术交底制度，做好安全技术交底工作。交底至一线施工人员，使施工人员了解危险因素，掌握防范措施。

8效益分析

体外预应力加固施工简单易行，结构受力合理，加固效果可靠。桥梁加固后，能快速达到提高承载力的目的。比采用拆除旧桥新建具有更大的经济效益，节约较多的材料和费用。在桥梁加固工程中应用较为广泛，同时在部分新建桥梁施工中也有所应用。

参考文献：

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［2］聂良鹏.陈顺超.付振涛等.预应力加固在桥梁施工中的应用［J］建筑技术开发2016（08）

［3］程小平.陈炳建.桥梁加固设计及其施工方案解析［J］交通节能与环保2016（05）