吳東升，任 才，張智然

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引言

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁架設(shè)過程中，為滿足節(jié)段吊裝、臨時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固及勁性骨架安裝，每榀節(jié)段梁上預(yù)留臨時(shí)吊裝孔、錨固孔等多種孔洞，如圖1所示。節(jié)段拼裝完畢后，再將這些臨時(shí)孔洞封堵。較常規(guī)橋梁而言，節(jié)段預(yù)制梁臨時(shí)孔洞的存在給結(jié)構(gòu)安全及耐久性帶來新的問題，孔洞封堵是否密實(shí)、黏結(jié)是否可靠直接影響運(yùn)營(yíng)期間橋梁的安全、耐久性能。

圖1 施工期間臨時(shí)孔示意

圍繞節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁受力性能、拼裝工藝及施工控制的研究較成熟[1-3]，形成完備的設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)，并在國內(nèi)多項(xiàng)大型工程中得以成功應(yīng)用[4-6]。然而國內(nèi)多座節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁出現(xiàn)不同程度滲水、鋼束銹蝕等耐久性病害，因此節(jié)段預(yù)制梁的耐久性能備受學(xué)者關(guān)注，對(duì)常規(guī)混凝土材料及結(jié)構(gòu)的耐久性研究十分全面，針對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁的特殊性，李國平等[7-8]對(duì)節(jié)段預(yù)制橋梁接縫耐久性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究，然而關(guān)于臨時(shí)開孔的耐久性細(xì)節(jié)國內(nèi)外未有研究，為此本文針對(duì)該問題進(jìn)行深入研究。

1 施工期間臨時(shí)孔封堵設(shè)計(jì)原則

節(jié)段梁架設(shè)完成后，需對(duì)臨時(shí)孔洞進(jìn)行封堵，因孔洞數(shù)量眾多，如孔洞出現(xiàn)掉落、滲水等問題，將嚴(yán)重影響橋梁使用性能，所以應(yīng)注重孔洞的封堵質(zhì)量，對(duì)孔洞封堵質(zhì)量提出明確要求。

臨時(shí)孔作為節(jié)段預(yù)制梁的一個(gè)細(xì)節(jié)構(gòu)造，其封堵設(shè)計(jì)的原則與橋梁結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)原則一致，應(yīng)符合“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和美觀”的原則。

1)安全 孔洞封堵首先要保證結(jié)構(gòu)的安全性能，封堵完成后的孔洞要和原結(jié)構(gòu)形成整體共同受力。一方面封堵材料和節(jié)段梁原混凝土間的黏結(jié)要可靠，避免封堵材料脫落而影響橋下行車和行人安全；另一方面，封堵材料本身的強(qiáng)度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)整體受力要求，保證封堵材料不致拉壞或壓潰。

2)耐久 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因主要是有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，進(jìn)而引發(fā)鋼筋腐蝕，保證結(jié)構(gòu)耐久性良好的關(guān)鍵就是保證結(jié)構(gòu)密實(shí)，阻斷有害物質(zhì)傳輸，孔洞作為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，其耐久性受到極大關(guān)注。首先，封堵材料本身的耐久性要良好，不低于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限；其次，要保證黏結(jié)的長(zhǎng)期可靠，避免在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下的黏結(jié)失效；再次，封堵材料的防滲及界面處的防滲性能要優(yōu)良，避免有害物質(zhì)侵入內(nèi)部。

3)適用 孔洞封堵的適用性主要體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)過程中孔洞的工作狀態(tài)完好，不出現(xiàn)開裂、滲水等狀況，從而影響正常使用階段的性能。

4)環(huán)保 要求封堵材料本身具有綠色環(huán)保特點(diǎn)，禁止使用一些性能雖優(yōu)異但對(duì)環(huán)境有害的產(chǎn)品。

5)經(jīng)濟(jì) 臨時(shí)孔洞具有數(shù)量多的特點(diǎn)，封堵方案也需綜合考慮封堵材料、施工工藝的經(jīng)濟(jì)性能，盡可能做到施工方便，降低成本。

6)美觀 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)城市景觀要求也日益提高。節(jié)段梁因采用預(yù)制工藝，外觀質(zhì)量更好且較穩(wěn)定。因大量孔洞的存在極大地影響了整體景觀，所以在對(duì)孔洞進(jìn)行封堵時(shí)，要求封堵材料與本體混凝土間的色差小，保證外觀統(tǒng)一，最大限度減少孔洞對(duì)橋梁整體景觀的影響。

2 臨時(shí)孔封堵設(shè)計(jì)

2.1 封堵材料

選擇封堵材料是封堵設(shè)計(jì)最基本的要素，也是保證封堵性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求最關(guān)鍵的要素。對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)而言，需對(duì)材料性能提出明確的量化指標(biāo)。南昌市洪都大道提出的材料指標(biāo)如表1所示。

表1 封堵材料性能指標(biāo)要求

為檢測(cè)封堵材料性能，需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試，主要包括3部分內(nèi)容，即材料特性試驗(yàn)、黏結(jié)性能試驗(yàn)和抗?jié)B性能試驗(yàn)。

1)材料特性試驗(yàn)用于測(cè)試封堵材料的強(qiáng)度、體積變化率、硬化速度等指標(biāo)。封堵材料本身的強(qiáng)度應(yīng)保證不低于本體混凝土材料的強(qiáng)度；封堵材料硬化過程中的體積變化率也是間接反映黏結(jié)防水性能的重要指標(biāo)，材料如具有微膨脹性能，硬化過程中產(chǎn)生的膨脹力使得2種材料交界處被壓密，黏結(jié)及防水性能較好，相反，材料如具有較大收縮率，硬化過程中2種材料交界處產(chǎn)生較大收縮拉力，超過黏結(jié)力時(shí)交界面被拉裂，從而出現(xiàn)收縮裂縫，黏結(jié)及防水性能較差；硬化速度主要反映工作性能的指標(biāo)。這些材料試驗(yàn)可按混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行即可。

2)黏結(jié)性能試驗(yàn)主要測(cè)試封堵材料與本體混凝土間黏結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)，該指標(biāo)的測(cè)試可通過直接測(cè)試法或間接測(cè)試法進(jìn)行。其中，直接測(cè)試法可參考JC/T 547—2017《陶瓷墻地磚膠粘劑》中相關(guān)方法進(jìn)行測(cè)試。間接測(cè)試法是通過拉拔試驗(yàn)來反映黏結(jié)強(qiáng)度，試件的制作嚴(yán)格按工程實(shí)際執(zhí)行，中間按實(shí)際孔洞大小留孔，按實(shí)際施工方法、封堵材料封堵孔洞，中間預(yù)留拉拔用鋼筋，待達(dá)到齡期后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

3)抗?jié)B性能試驗(yàn)是封堵材料最重要的試驗(yàn)，用于評(píng)定封堵材料的抗?jié)B等級(jí)。GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。臨時(shí)孔洞封堵的抗?jié)B有自身特點(diǎn)，其滲透的薄弱部位主要在封堵材料與本體材料的交界處，試驗(yàn)需針對(duì)交界面進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。試件的制作嚴(yán)格按工程實(shí)際執(zhí)行，中間按實(shí)際孔洞大小留孔，按實(shí)際施工方法、封堵材料封堵孔洞，待達(dá)到齡期后按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。

2.2 封堵構(gòu)造

封堵材料本身的性能是影響封堵效果最主要因素，但封堵構(gòu)造的合理處置也不容忽視，構(gòu)造是保證材料最大限度發(fā)揮其性能的前提條件。構(gòu)造的合理性不僅需考慮最終的黏結(jié)效果，還要考慮到施工的可能性及便利性。本文提出4種構(gòu)造措施，如圖2所示。

圖2 臨時(shí)孔封堵構(gòu)造

1)方案1 在洞口處采取表面打磨處理，孔洞封堵時(shí)高出表面3～5cm，該方案的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，封堵材料在自身破壞前基本無掉落風(fēng)險(xiǎn)，為了進(jìn)一步保證安全性，可在內(nèi)部增設(shè)加強(qiáng)鋼筋。該方案的缺點(diǎn)主要有2點(diǎn)：構(gòu)造上高出混凝土表面，對(duì)于箱梁頂面的孔洞，后期橋面系銑刨施工時(shí)會(huì)對(duì)加高構(gòu)造造成破壞；該方案封堵效果相對(duì)于直接灌注封孔有一定改善，但混凝土本體與封堵材料間的黏結(jié)仍較薄弱。

2)方案2 將洞口3～5cm進(jìn)行鑿除，孔洞封堵時(shí)與原結(jié)構(gòu)表面平齊。洞口擴(kuò)頭處理保證了封堵材料無掉落風(fēng)險(xiǎn)；頂面平齊設(shè)置增加了方案的適用范圍，橋面系等其他工序的施工對(duì)已封孔洞不會(huì)造成破壞；封堵材料與本體混凝土間的接觸面增大，黏結(jié)效果增強(qiáng)。該方案的主要缺點(diǎn)是洞口擴(kuò)頭較難處理，孔洞數(shù)量較多時(shí)質(zhì)量難以保證。

3)方案3 將方形擴(kuò)頭改為喇叭頭，施工上喇叭頭相對(duì)于方形頭更易實(shí)現(xiàn)，采用電動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)1周即可成型。但封堵材料與混凝土本體的接觸面積減小，黏結(jié)效果會(huì)減弱。

4)方案4 對(duì)方案3進(jìn)行改進(jìn)，通過在孔洞內(nèi)壁增設(shè)2～3個(gè)孔洞，增強(qiáng)了2種材料的黏結(jié)效果，同時(shí)也進(jìn)一步降低了封堵材料掉落風(fēng)險(xiǎn)。增設(shè)的孔洞深度不宜過大，避免打斷本體混凝土內(nèi)部鋼筋或鋼束。

2.3 封堵工藝

針對(duì)上述提出的方案4進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，對(duì)施工各環(huán)節(jié)的工藝流程進(jìn)行研究?？锥捶舛碌闹饕襟E為：孔洞預(yù)處理→模板安裝→澆筑與養(yǎng)護(hù)。

1)孔洞預(yù)處理 主要按封堵方案對(duì)孔洞進(jìn)行擴(kuò)頭、鉆孔、孔洞清理等工作，如圖3所示。對(duì)孔洞基面清理時(shí)應(yīng)剔除混凝土表面雜物及缺陷部位，如鉆孔周圍的松散混凝土應(yīng)全部清除。除此之外，孔洞成型用PVC管、混凝土表面浮漿、反堿、塵土、油污及表面涂層等雜物都應(yīng)清除干凈。

圖3 孔洞封堵前預(yù)處理

2)模板安裝 孔洞施工均為高空作業(yè)，模板選擇也要遵循方便施工原則。支模方案主要有兩大類：一種是自粘性模板，即直接將底模粘貼在混凝土表面，待封堵材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，直接拆除底模即可，該種方法主要缺點(diǎn)是常規(guī)的雙面膠黏結(jié)力較小，模板的承載力有限，如采用強(qiáng)力膠，拆除時(shí)較難清理干凈，黏結(jié)膠殘留于梁底對(duì)美觀有一定影響；另一種方法是頂撐吊模，該模板體系主要由底模和吊模支架組成。該模板系統(tǒng)的適用性較強(qiáng)，但此方法要特別注意底模與混凝土表面貼合，確保不漏漿、表面平整，否則成型的外觀質(zhì)量較差。模板方案如圖4所示。

圖4 模板方案

3)澆筑與養(yǎng)護(hù) 封堵材料施工由各廠家產(chǎn)品而定，如水泥基滲透結(jié)晶型防水材料施工，主要有以下幾個(gè)施工要點(diǎn)需注意：①材料灌注前應(yīng)用清水沖洗洞口周圍及內(nèi)部，保證混凝土接觸面處于濕潤(rùn)狀態(tài)；②封堵材料的配合比嚴(yán)格按產(chǎn)品說明設(shè)計(jì)，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)隨意拌制；③孔洞一般小而深，施工時(shí)應(yīng)分多次灌注，同時(shí)應(yīng)盡可能從一側(cè)澆入，便于排出洞孔間空氣，使灌漿充實(shí)；④孔洞內(nèi)灌漿完成應(yīng)在洞口局部增設(shè)防水層；⑤施工應(yīng)避免高溫、雨天等惡劣天氣，封堵完成后應(yīng)進(jìn)行霧狀水噴灑養(yǎng)護(hù)，每天派專人進(jìn)行多次灑水，必要時(shí)表面覆蓋養(yǎng)護(hù)。

3 無孔洞設(shè)計(jì)方案

節(jié)段梁上預(yù)留臨時(shí)孔洞僅為了滿足橋梁架設(shè)需要，并非永久構(gòu)造，其根本目的是提供臨時(shí)錨固?；跓o孔洞設(shè)計(jì)理念提出新的臨時(shí)錨固方案及構(gòu)造措施，有效提高結(jié)構(gòu)耐久性。

3.1 鋼齒坎方案

常規(guī)鋼齒坎方案是節(jié)段梁中最常用的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固措施，該方案通過在節(jié)段梁上預(yù)留臨時(shí)孔洞，后裝鋼齒坎標(biāo)準(zhǔn)件作為錨固反力座，鋼齒坎與箱梁間通過螺栓有效連接，并將預(yù)應(yīng)力傳遞至箱梁斷面(見圖5)。

圖5 常規(guī)鋼齒坎方案

鋼齒坎方案在節(jié)段梁預(yù)制時(shí)只需預(yù)留臨時(shí)孔洞，不增加額外的外形構(gòu)造，因此施工十分便利，同時(shí)螺栓、鋼齒坎等構(gòu)件均可重復(fù)使用，成本較低。但預(yù)留孔洞施工應(yīng)注意精度控制，避免因位置偏差而導(dǎo)致后期螺栓安裝難度。該方案的主要缺點(diǎn)是主梁拼裝完成后存在大量孔洞，孔洞封堵工作量大，施工質(zhì)量難以控制，易引發(fā)漏水等耐久性病害。

鋼齒坎方案因具有施工方便、降低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)在工程中被廣泛采用，但其耐久性也一直是被關(guān)注的重點(diǎn)，因此本文對(duì)該方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出預(yù)埋螺母式鋼齒坎方案(見圖6)。

圖6 預(yù)埋螺母式鋼齒坎方案

該方案在節(jié)段箱梁預(yù)制時(shí)，在臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼齒坎螺栓對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋相應(yīng)規(guī)格的螺栓套管。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉前，將鋼齒坎螺栓擰入螺栓套管，實(shí)現(xiàn)鋼齒坎與混凝土連接。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力放張后，擰出鋼齒坎螺栓即可完成臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拆除。

預(yù)埋螺栓套管無須在混凝土上開洞，可免除后期孔洞封堵工作及完全避免孔洞漏水可能性，在保留常規(guī)鋼齒坎方案施工快速的優(yōu)點(diǎn)下，大大提升結(jié)構(gòu)耐久性。相對(duì)于常規(guī)鋼齒坎方案，預(yù)埋式方案的預(yù)埋螺栓套管為一次使用部件，不能重復(fù)使用，造價(jià)相對(duì)增加，但后期封堵難度大大減小，封堵的性能要求可降低，綜合造價(jià)基本相當(dāng)。

3.2 混凝土齒塊方案

臨時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固也可借鑒永久預(yù)應(yīng)力的錨固構(gòu)造方式，采用在主梁節(jié)段上增設(shè)混凝土錨固齒塊的無黏結(jié)體系(見圖7)。

圖7 混凝土齒塊方案

采用混凝土齒塊方案可有效避免預(yù)留臨時(shí)孔洞，省去臨時(shí)孔洞封堵工作，極大地節(jié)省材料與人力，同時(shí)減少耐久性缺陷。但該方式也存在較多缺點(diǎn)：一方面，大量齒塊的設(shè)置增加了構(gòu)造復(fù)雜程度，降低了節(jié)段梁標(biāo)準(zhǔn)化程度，給模板設(shè)計(jì)、鋼筋綁扎、拆模等都帶來較大難度；另一方面，齒塊的布設(shè)還要考慮與轉(zhuǎn)向塊、永久齒塊及限位塊的相對(duì)位置關(guān)系，構(gòu)造處理復(fù)雜，如將齒塊設(shè)于箱梁外表面，構(gòu)造處理簡(jiǎn)單，但后期需鑿除，工作量較大，且鑿除施工對(duì)結(jié)構(gòu)有不同程度損傷。

3.3 體內(nèi)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力方案

體內(nèi)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力方案實(shí)施過程為：節(jié)段箱梁預(yù)制時(shí)，在預(yù)制節(jié)段的頂、底板或腹板內(nèi)預(yù)留直線管道，待節(jié)段拼接面涂膠完成后，穿入臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋并直接錨固于節(jié)段梁端面。拼裝下一節(jié)段時(shí)，需對(duì)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋接長(zhǎng)，重復(fù)以上步驟直至拼裝完成，最后對(duì)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋管道進(jìn)行灌漿(見圖8)。

圖8 體內(nèi)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力方案

臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋管道相對(duì)于永久預(yù)應(yīng)力鋼筋管道而言數(shù)量少得多，上述方式中，也可利用永久預(yù)應(yīng)力鋼筋管道，減少對(duì)箱梁截面的削弱。但此時(shí)需設(shè)計(jì)階段即進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，將該部分預(yù)應(yīng)力設(shè)置為直線束，且鋼束設(shè)計(jì)張拉時(shí)機(jī)為拼裝完成后。

3.4 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力方案對(duì)比

臨時(shí)預(yù)應(yīng)力體系的做法很多，每種做法都有各自優(yōu)缺點(diǎn)：①常規(guī)鋼齒坎方案適用性較強(qiáng)，施工簡(jiǎn)單，但封堵工作繁瑣，存在大量孔洞，耐久性較差，外表面有封堵痕跡，影響外觀，雖錨固材料可重復(fù)使用，但封堵費(fèi)用相對(duì)較高，綜合經(jīng)濟(jì)性能一般；②預(yù)埋式鋼齒坎方案無貫穿孔洞，耐久性較好，外表面無封堵痕跡，不影響外觀，但預(yù)埋螺母不可重復(fù)使用，雖封堵施工費(fèi)較低，綜合經(jīng)濟(jì)性一般；③混凝土齒塊方案無孔洞存在，耐久性能好，但設(shè)置大量錨固齒塊，構(gòu)造及施工復(fù)雜，綜合經(jīng)濟(jì)性低；④體內(nèi)預(yù)應(yīng)力方案不增設(shè)額外構(gòu)造，施工十分簡(jiǎn)便，耐久性及外觀質(zhì)量均較好，材料及施工費(fèi)用均較低，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，但適用性稍差。

從上述對(duì)比分析可看到，在適用條件允許時(shí)，體內(nèi)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力方案各方面性能較好，可優(yōu)先采用，但應(yīng)處理好構(gòu)造與可施工性的關(guān)系，預(yù)埋式鋼齒坎在造價(jià)增加不多情況下能達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)與使用性能，也是一種值得推薦的方案。

4 結(jié)語

1)施工期間臨時(shí)孔，作為節(jié)段預(yù)制橋梁重要的耐久性細(xì)節(jié)，應(yīng)引起足夠重視并進(jìn)行專門的封堵設(shè)計(jì)與耐久性考慮。

2)封堵材料與構(gòu)造措施是保證臨時(shí)孔耐久性的2個(gè)重要基礎(chǔ)，應(yīng)對(duì)材料性能指標(biāo)提出明確要求，構(gòu)造措施應(yīng)滿足施工便利性要求。

3)為提高節(jié)段預(yù)制橋梁耐久性能，應(yīng)優(yōu)先考慮無孔洞設(shè)計(jì)方案，體內(nèi)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力方案及預(yù)埋式鋼齒坎方案都可取得較好效果，應(yīng)因地制宜進(jìn)行選用。