胡先朋，吳 翔，雷 坦，盧孟陽

(中交二航局建筑科技有限公司，湖北 武漢 430048)

0 引言

承重結(jié)構(gòu)由配筋混凝土的上翼緣和梁肋結(jié)合而成的梁式橋稱為T形梁橋，簡稱T梁。因其既能節(jié)約混凝土，又減輕構(gòu)件自重、提高跨越能力，在我國橋梁建設(shè)初期物資匱乏的時代得到了較快的發(fā)展[1-5]。為節(jié)約資源，T梁更具大跨度、薄腹板特點(diǎn),但隨著社會的快速發(fā)展，建橋時期的理論荷載、周圍環(huán)境、交通流量等均發(fā)生了變化，加上運(yùn)營過程中的養(yǎng)護(hù)管理水平和技術(shù)水平受限，T梁尤其是大跨徑T梁普遍存在跨中下?lián)稀⒏拱辶芽p、承載力降低等病害，亟需進(jìn)行處治[6-10]。現(xiàn)有的橋梁維修加固方法中，增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力屬于較有效且重要的主動加固措施之一，能有效提高橋梁承載力[11-13]。實(shí)際的加固效果則與施工工序?qū)?yīng)的方法、關(guān)鍵技術(shù)有密切關(guān)系。本文以某跨大橋?yàn)楸尘?，分析T梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程中的關(guān)鍵工序相關(guān)施工技術(shù)，提出關(guān)鍵工序二次檢驗(yàn)技術(shù)，并通過工程案例驗(yàn)證關(guān)鍵工序二次檢驗(yàn)技術(shù)下體外預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量及加固效果的可靠性。

1 工程概況

某公路跨黃河特大橋于1989年建成通車，主橋上部構(gòu)造為20，50m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，橋面總寬18.5m，雙向4車道，每跨共7片梁，梁間距為2.5m。其中，50m T梁高2.6m，腹板厚18cm，縱向設(shè)6道中橫隔板和2道端橫隔板。因該橋長期處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài)，歷次維修加固使現(xiàn)狀梁體的恒荷載、活荷載的荷載效應(yīng)增大，導(dǎo)致梁體出現(xiàn)了大量的腹板豎向裂縫，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)了馬蹄混凝土碎裂病害。經(jīng)檢測單位評定，加固前該橋50m T梁評定得分為57.5分，且50m T梁存在影響結(jié)構(gòu)安全的受力裂縫，總體技術(shù)狀況評定為4類橋。T梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 T梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

針對50m T梁因承載能力不足而出現(xiàn)的腹板受力裂縫病害，采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，以提高50m T梁的抗彎和抗剪承載力，改善梁體的應(yīng)力狀況；體外預(yù)應(yīng)力布置于T梁腹板上，腹板兩側(cè)各設(shè)1束體外預(yù)應(yīng)力，單束采用6根φ15.2環(huán)氧涂覆無粘結(jié)鋼絞線成品索，錨下控制張拉應(yīng)力σcon=930MPa。鋼束布置如圖2所示。

圖2 T梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置

2 總體施工工藝及核心工序

2.1 總體施工工藝

本項(xiàng)目體外預(yù)應(yīng)力施工結(jié)構(gòu)部分主要包括錨固塊、轉(zhuǎn)向塊、減震器、環(huán)氧涂覆無粘結(jié)鋼絞線成品索及配套附屬結(jié)構(gòu)。其中，錨固塊由高強(qiáng)耐候鋼加工而成，在工廠內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)后，通過對穿植筋錨栓+灌鋼膠粘接的方式與T梁腹板固定；轉(zhuǎn)向塊主體結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)耐候鋼加工而成，通過鉆孔植筋+灌鋼膠粘接+填充C50混凝土的方式與T梁馬蹄固定；環(huán)氧涂層無粘結(jié)鋼絞線成品索及配套附屬結(jié)構(gòu)主要包括鋼絞線成品索、錨具、錨頭防護(hù)罩等，鋼絞線成品索按設(shè)計(jì)的線型位置穿束后，通過兩端的錨固塊進(jìn)行錨固，張拉力由錨固塊傳遞至梁體，實(shí)現(xiàn)對梁體的加固。加固工藝流程如圖3所示。

圖3 T梁體外預(yù)應(yīng)力加固工藝流程

2.2 核心工序

測量放樣主要根據(jù)設(shè)計(jì)的錨固塊和轉(zhuǎn)向塊位置在T梁腹板對應(yīng)位置上放樣，為后續(xù)的腹板鉆孔提供基準(zhǔn)點(diǎn)，從而決定錨固塊位置，進(jìn)而影響粘結(jié)鋼絞線成品索的下料長度、張拉理論伸長量校核。

本案例中錨固塊為鋼結(jié)構(gòu)形式，以對穿植筋錨栓+灌鋼膠粘結(jié)的方式將同一片T梁兩側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)錨固塊與T梁腹板固定。施工內(nèi)容包括腹板鉆孔、腹板打磨、清孔及清表、錨固塊吊裝定位、注膠植筋、封邊、壓力注膠。其中，單個錨固塊處鉆孔數(shù)量多，錨固塊底粘貼鋼板尺寸為2.6m×1.2m，鉆孔植筋數(shù)量多達(dá)58個，鉆孔精度要求高，精確對位安裝困難；大面積壓力注膠的飽滿度及注膠量是確保錨固塊與T梁腹板有效粘接的重要指標(biāo)之一，對項(xiàng)目體外預(yù)應(yīng)力的加固效果甚至施工安全有重要影響。因此錨固塊的安裝施工難度大，質(zhì)量要求高。

同步張拉是所有預(yù)應(yīng)力施工的重要內(nèi)容，本項(xiàng)目中單跨共7片T梁，共14個千斤頂同步張拉，除千斤頂標(biāo)定之外，張拉的同步性控制、張拉過程中環(huán)氧涂層鋼絞線的保護(hù)、張拉后伸長量的校核及錨固是張拉作業(yè)的控制重點(diǎn)。

3 核心工序關(guān)鍵技術(shù)

3.1 測量放樣

測量放樣用于定位錨固塊的位置關(guān)系，每跨梁體的理論長度為49.96m，兩端錨點(diǎn)的設(shè)計(jì)間距S0為43.96m，豎向尺寸為1.59m。

以T梁底部跨中為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，根據(jù)理論錨點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)、設(shè)計(jì)傾角α、錨固塊設(shè)計(jì)尺寸(a×b)可得到3個放樣點(diǎn)，如圖4所示。求得3個放樣點(diǎn)對應(yīng)坐標(biāo)值如下。

圖4 錨固塊放樣點(diǎn)

放樣點(diǎn)1：

x1=x0-Lcosα+b/2sinα

(1)

y1=y0-sinα-b/2cosα

(2)

放樣點(diǎn)2：

x2=x0-Lcosα-b/2sinα

(3)

y2=y0-sinα+b/2cosα

(4)

放樣點(diǎn)3：

x2=x0+(a-L)cosα+b/2sinα

(5)

y3=y0+(a-L)sinα-b/2cosα

(6)

測量放樣為現(xiàn)場施工的第1道工序，也可以端橫隔板為基準(zhǔn)建立第二坐標(biāo)系，利用第二坐標(biāo)系復(fù)核確認(rèn)錨固塊3個角點(diǎn)的坐標(biāo)位置。根據(jù)實(shí)測的2個端橫隔板中心間距Sd及兩端錨點(diǎn)的設(shè)計(jì)間距S0，可求得以端橫隔板底為坐標(biāo)原點(diǎn)條件下的理論錨點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)，結(jié)合設(shè)計(jì)傾角α、錨固塊設(shè)計(jì)尺寸(a×b)，得到3個放樣點(diǎn)的坐標(biāo)值，y1，y2，y3分別由式(2)，(4)，(6)計(jì)算得到。

放樣點(diǎn)1：

x1=x0+Lcosα-b/2sinα

(7)

放樣點(diǎn)2：

x2=x0+Lcosα+b/2sinα

(8)

放樣點(diǎn)3：

x2=x0-(a-L)cosα-b/2sinα

(9)

其中，x0=(Sd-S0)/2。通過2種不同的放樣方式在T梁腹板放樣出錨固塊的3個角點(diǎn)坐標(biāo)，能有效復(fù)核校驗(yàn)腹板放樣位置的偏差情況，通過尋找差值原因，提高錨固塊測量放樣的進(jìn)度。

3.2 錨固塊安裝

錨固塊安裝施工項(xiàng)多，其中鋼筋探測、植筋和壓力注膠為重要施工項(xiàng)。腹板鉆孔在單處2.6m×1.2m范圍內(nèi)鉆58個φ25通孔。因同一個通孔內(nèi)兩側(cè)均需安裝錨固塊，58個通孔的相對位置、鉆孔垂直度需保持一定精度以確保與鋼結(jié)構(gòu)錨固塊工廠內(nèi)已鉆孔位的匹配度。

鋼筋探測目的是確保鉆孔過程中不損傷梁體內(nèi)原有的預(yù)應(yīng)力束，同時控制鋼筋損傷率在一定的比例范圍內(nèi)。根據(jù)原橋竣工資料及現(xiàn)有設(shè)計(jì)的腹板位置，58個孔位不損傷梁體內(nèi)原有的預(yù)應(yīng)力，錨固塊范圍內(nèi)腹板內(nèi)部鉆孔與豎向鋼筋干涉的有4根，與橫向鋼筋干涉的有6根，如圖5所示。

圖5 孔位與鋼筋干涉

針對58個鉆孔孔位相對位置的一致性，根據(jù)理論鉆孔位置，加工一套鉆孔模板，提前鉆好模板內(nèi)58個孔位，進(jìn)行逐點(diǎn)施工。針對每個點(diǎn)的鉆孔垂直度，在鉆機(jī)底座上增設(shè)一套水平梁，底座與水平梁緊密接觸，確保水平方向的垂直度；通過水平尺調(diào)整豎直方向的垂直度，從而確保每一個孔位的鉆孔垂直度。

當(dāng)兩側(cè)的錨固塊均安裝完成后，應(yīng)先將植筋螺栓插入腹板內(nèi)臨時錨固，再進(jìn)行錨固塊的固定和安裝，最后進(jìn)行壓力注膠。壓力注膠主要用于將錨固塊的粘貼鋼板和T梁腹板表面進(jìn)行可靠粘接，同時兼有填充作用，通過膠液將粘貼鋼板和腹板間完全填充空隙區(qū)域，排出空隙內(nèi)的空氣，因此，須確保注膠密實(shí)。可采用膠量控制+敲擊法+排氣孔出膠觀測等定量+定性多種方式組合互相校驗(yàn)。

3.3 同步張拉

同步張拉是體外預(yù)應(yīng)力施工的關(guān)鍵內(nèi)容之一，張拉的同步性是保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的重要措施，張拉的最終力值是檢驗(yàn)加固效果的有效保證。針對張拉同步性，研發(fā)一套同步智能張拉系統(tǒng)，同時控制多個千斤頂同步作業(yè)，并通過設(shè)置合理的壓力差，確保張拉過程中所有千斤頂?shù)膹埨瓑毫χ翟谠O(shè)置的幅度變化范圍內(nèi)，張拉到設(shè)定的壓力值后，系統(tǒng)自動持荷，在持荷期間如有壓力下降等情況，系統(tǒng)能自動補(bǔ)充張拉，確保最終張拉力值(壓力值)在設(shè)定的范圍內(nèi)。張拉到位后，通過測量伸長量+壓力傳感器的方式共同校核最終張拉力值，確保張拉力值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。同步張拉系統(tǒng)的工作原理如圖6所示，pi，pj為張拉過程壓力值(kN);t為持荷過程的累積時間(s)。

圖6 同步張拉系統(tǒng)工作原理

4 試驗(yàn)跨施工分析

為驗(yàn)證上述體外預(yù)應(yīng)力施工過程中核心工序關(guān)鍵技術(shù)的合理性，選取試驗(yàn)跨進(jìn)行施工。試驗(yàn)跨位于大橋第96跨，橋跨下方地面平整度較好，橋跨西側(cè)有已硬化的混凝土道路，梁底凈空高3.04～3.85m，橫隔板在前期加固施工時已粘貼了鋼板。

4.1 測量放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以T梁底部跨中為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系時，理論錨點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)=(21.98m，1.59m)，設(shè)計(jì)傾角α=5.28°，設(shè)計(jì)的錨固塊尺寸為2.6m×1.2m，長1.54m。得到3個放樣點(diǎn)坐標(biāo)值：(x1,y1)=(20.50m，0.85m)，(x2,y2)=(20.39m，2.05m)，(x3,y3)=(23.09m，1.09m)。

實(shí)測第96跨2個端橫隔板間距Sd=49.025m,兩端錨點(diǎn)設(shè)計(jì)間距S0=43.96m，則x0=(Sd-S0)/2=2.532 5m，理論錨點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0)=(2.532 5m，1.5900m)。結(jié)合設(shè)計(jì)傾角及錨固塊尺寸得到3個放樣點(diǎn)的坐標(biāo)值：(x1,y1)=(4.01m，0.85m)，(x2,y2)=(4.12m，2.05m)，(x3,y3)=(1.42m，1.09m)。

按2種方式在同一T梁腹板上進(jìn)行測量放樣，得到δxmax=0.4cm，δymax=0.2cm，在2種方式測量放樣互相校核的前提下，能滿足鉆孔精度要求。

4.2 錨固塊安裝

4.2.1鋼筋探測及鉆孔

錨固塊安裝位置位于T梁端頭，施工前利用地質(zhì)雷達(dá)鋼筋探測儀對鉆孔前區(qū)域內(nèi)鋼筋位置及走向進(jìn)行探測，根據(jù)探測結(jié)果在腹板表面進(jìn)行標(biāo)記，鉆孔后利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀測，將地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果與實(shí)際孔位鋼筋損傷情況進(jìn)行對比。隨機(jī)選取其中每片梁的一端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量，共計(jì)7個測點(diǎn)。結(jié)果顯示，地質(zhì)雷達(dá)探測鉆孔位置與豎向鋼筋干涉的有3～4根，與橫向鋼筋干涉的有4～6根。通過內(nèi)窺鏡對鉆孔后的實(shí)際干涉情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，豎線鋼筋干涉的有4～6根，橫向鋼筋干涉的有5～7根。地質(zhì)雷達(dá)的探測結(jié)果不大于理論數(shù)據(jù)，實(shí)際內(nèi)窺鏡觀測結(jié)果在理論數(shù)量范圍內(nèi)上下波動。

4.2.2壓力注膠

單個錨固塊平面注膠面積為2.6m×1.2m，現(xiàn)場利用工地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的土工試驗(yàn)儀器電子秤和量筒測量灌鋼膠密度，充分?jǐn)嚢枞诤螦，B組分膠液，測量3次，取平均值，實(shí)測平均密度ρ1為1.61g/cm3。灌膠前利用卡尺測量實(shí)際T梁腹板與鋼板的間隙，每間隔30cm測量1次，單點(diǎn)測量26次，得到平均間隙值為di，即膠液的理論用量值mv=ρ1V=ρ1abdi，實(shí)際使用量為ma。試驗(yàn)跨中選取7個錨固塊的測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，觀測每個注膠管(排氣管)，并用敲擊法逐點(diǎn)敲擊檢查，得到數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)跨壓力注膠統(tǒng)計(jì)

由表1可知，實(shí)際用膠量為理論用膠量的1.11～1.54倍，主要原因包括施工過程中的工藝損耗(如膠液注入管、壓力罐內(nèi)存留的膠液)、注膠過程中注膠管內(nèi)溢出的膠液及T梁腹板打磨粗糙后表面微小凹坑內(nèi)填充的膠液。通過敲擊法檢查，除個別處小面積空鼓外，灌入的鋼板膠體填充均較密實(shí)，能滿足施工質(zhì)量要求。

表2 試驗(yàn)跨同步張拉結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

4.3 同步張拉

根據(jù)錨下控制的張拉力值，單根體外索的理論最終張拉力值為781.2kN，結(jié)合設(shè)備標(biāo)定證書對應(yīng)的標(biāo)定方程，得到試驗(yàn)跨1～14號體外索對應(yīng)的理論張拉應(yīng)力值為26.75～26.98MPa，最終張拉應(yīng)力值為0.24MPa。單跨共14根體外索，采用單端同步張拉方式。

當(dāng)準(zhǔn)備工作完成后，在同步張拉系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置同步張拉壓應(yīng)力極限差值0.5MPa，張拉到位后持荷時間900s。其中，極限差值為0.5MPa，除去系統(tǒng)自身的張拉差值(0.24MPa)外，實(shí)際張拉過程中的極限差值為0.26MPa，約為最終張拉應(yīng)力值的1%。為驗(yàn)證此同步張拉系統(tǒng)的可靠性，在第1，3，7，13個預(yù)應(yīng)力束張拉端安裝壓力環(huán)，以進(jìn)行校核。

試驗(yàn)跨先進(jìn)行單束預(yù)張拉，設(shè)定為最終張拉力值的20%，同步分級張拉共分3級。試驗(yàn)跨14根體外索的最終張拉力值及實(shí)際伸長量如表2所示。

由表2可知，基于此同步張拉系統(tǒng)進(jìn)行同步張拉時，系統(tǒng)張拉應(yīng)力值與設(shè)定的張拉應(yīng)力值非常接近，差值最大為0.18MPa，小于理論張拉應(yīng)力的1%，通過標(biāo)定方程推導(dǎo)的最終張拉力值與理論誤差范圍為-0.2%～0.8%。各預(yù)應(yīng)力束的實(shí)測伸長量均在規(guī)范規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。通過安裝4個壓力環(huán)進(jìn)行索力復(fù)核，結(jié)果顯示，最終拉索索力實(shí)測值與理論值誤差為-0.3%～0.3%，未出現(xiàn)超張拉及欠張拉現(xiàn)象，實(shí)際張拉效果較好。

5 結(jié)語

以某跨黃河大橋?yàn)槔?，分析了大跨度薄腹板T梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工的總體施工工藝，重點(diǎn)分析了施工過程中的測量放樣、錨固塊安裝、同步張拉3個核心工序的技術(shù)要點(diǎn)。其中測量放樣可通過建立2種不同參考點(diǎn)坐標(biāo)系互相校核以提高放樣精度，確保體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)錨固點(diǎn)的位置；錨固塊安裝過程中針對鋼筋探測和鉆孔通過理論分析確定鋼筋損傷率，在實(shí)現(xiàn)鉆孔的前提下盡量減小對原梁體內(nèi)鋼筋的損傷，避開原梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的位置，針對壓力注膠提出敲擊、觀測及用量控制相結(jié)合的定性+定量技術(shù)控制方法，有效粘結(jié)錨固塊與T梁腹板；張拉施工則利用同步張拉控制系統(tǒng)進(jìn)行同步性控制及張拉終端控制，實(shí)現(xiàn)張拉力值和伸長量雙控指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。通過試驗(yàn)段的施工驗(yàn)證了大跨度薄腹板T梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工核心工序控制技術(shù)的合理性。