有粘结预应力加固设计及施工案例
文/薛善光

0 概 述
某高速公路特大桥上部结构采用6×30m+7×30m+6×30m预应力混凝土连续—刚构箱梁，为单箱双室截面，按部分预应力A类构件设计，其中梁高1.6m，底板宽8m。
2004年，养护部门在日常桥梁检查中发现该特大桥箱梁出现多条裂缝。经技术人员对该桥进行了详细的外观检测与桥梁技术状况评定，并根据检测的结果，对该桥箱梁裂缝进行了灌缝治理。
2005年，养护部门在桥梁检查中再次发现该桥箱梁出现新的裂缝，且部分旧的裂缝出现了延伸开裂（原灌缝良好）。根据历史观测数据和专家评审意见，为消除病害对特大桥的威胁，确保该桥持续健康运营，需要尽早采取有效的加固措施。
1 病害调查及成因分析
根据两次详细的外观检测结果，该特大桥病害主要是横桥向裂缝，并且以东、西两半幅第一联第六跨、第三联第一跨梁底裂缝最为严重，不仅裂缝较多且部分裂缝存在发展趋势，并同时产生了较多的新裂缝，其余各跨梁底及腹板均存在不同程度的裂缝，且大多产生在合拢段位置处（如图1）。
同时，根据对调查结果的进一步分析，判定箱梁底板及腹板裂缝为结构受力性裂缝，主要成因为：
（1）病害孔预应力损失较大。由于通长束采用一端张拉，较大的摩阻力导致预应力损失较大，且远离张拉端的东、西两半幅第一联第六跨、第三联第一跨表现得尤为明显。
（2）通过承载能力极限状态验算，东、西两半幅第一联第六跨、第三联第一跨受力远大于其它孔，虽然配筋进行了加强，但预应力储备比例仍小于其它孔。
（3）合拢段接头处位置裂缝较严重，除有效预应力不足外，新老混凝土结合不良也是其产生较严重病害的直接原因。新老混凝土结合处的混凝土抗拉、抗剪强度远低于混凝土的标准强度，且施工质量不容易保证，更容易产生裂缝。
（4）由于目前超载车辆较多，超载作用促进了病害的发展。

图1 裂缝分布情况示意图

加固设计方案及要点
根据该特大桥检测分析结果以及处治方案研讨会专家论证意见，本设计采用在箱梁底板增设小型预应力筋束，然后喷注高性能抗拉复合砂浆（HTCM）的有粘结预应力加固方案。其主要设计要点如下：
（1）裂缝处理。对已灌缝但又开裂或发展的旧裂缝以及新产生的裂缝，缝宽大于等于0.1mm，采用化学压力灌浆封堵处理；缝宽小于0.1mm，则采用表面涂刷环氧树脂浆液进行封闭处理。
（2）对东、西两半幅出现严重裂缝的第一联第六跨以及第三联第一跨采用施加有粘结体外预应力的方法进行加固，以增强梁的抗裂性和提高梁的抗弯承载能力。即在跨中19m范围的箱梁底板上增设预应力高绞线，靠近梁端区段，根据弯矩沿梁长方向的变化情况，确定预应力筋数。预应力筋按横桥向对称顺序张拉，以保证横桥向均匀受力，待预应力筋张拉后，在预应力筋和锚具范围内喷注3cm厚HTCM砂浆，使其成为有粘结预应力体系，同时保护钢筋免于锈蚀，提高结构的耐久性（如图2）。

图2 加固构造示意图（单位：cm）
（3）对腹板以及其它病害跨梁底板采用粘贴钢板的方法进行加固补强，以提高截面的抗弯承载能力。
（4）对于东、西半幅第一联第5跨及第三联第二跨，在梁底合拢段之间未粘贴钢板处，采用粘贴纵向碳纤维布方法进行加固，增强结构的抗裂性，提高结构的耐久性。
3 有粘结预应力加固计算简述
对于病害严重的梁段，箱梁底板出现的横向裂缝主要由于原预应力损失过大所造成的结构受力性裂缝，进行体外预应力加固，所需增加的预应力筋数量是根据正截面抗裂性要求确定的，按部分预应力混凝土A类构件控制设计。计算中参考有关实测资料，同时根据该桥的病害情况及专家论证意见，加固验算重新考虑了剪力束预应力管道摩阻系数（K和），均采用比《桥规JTGD62》规定更大的数值。其中摩阻系数K取0.45，摩阻影响系数取0.003，进行验算加固跨；并且考虑该桥车辆严重超载的实际情况，计算中将车辆荷载效应提高20%；按《公路桥涵设计通用规范》（JTG 060-2004）的规定，考虑了温度应力的影响。
根据以上原则，充分考虑影响因素后，进行计算可得需采用φs8.6钢绞线根数为120根，张拉控制应力为838Mpa。 加固后使用阶段验算病害跨底板最大拉应力由2.05 MPa降低到1.11 MPa，应力状态有了显著改善。同时，最大负弯矩处最大拉应力由1.87 MPa降低到1.75 MPa。另外，该加固体系未对全桥产生不利影响。
4 施工工序及要点
（1）裂缝的处理
①对于缝宽小于0.1mm的裂缝采用表面涂刷环氧树脂浆液进行封缝处理。清理裂缝处构件表面，用丙酮或二甲苯或酒精檫洗，待干燥后用排笔反复涂刷环氧树脂浆液，每隔3～5分钟涂刷一次，涂层厚度达1mm左右为止。
②对于缝宽大于等于0.1mm的裂缝采用化学压力灌浆补强处理，材料采用TK胶及配套产品。施工工艺流程为：裂缝处理→埋设灌浆咀→封缝→封缝检查→配制浆液→灌浆→封口处理→质量检查。
（2）粘贴钢板
粘贴钢板施工工艺为：构件表面处理→定位钻孔植筋→粘结剂的配制→粘贴钢板→加压拧紧锚固螺栓、紧固梁底钢板→检查粘贴质量→防护处理。
（3）粘贴碳纤维布
碳纤维布采用幅宽50cm的300g/m2高强度碳纤维布，碳纤维布沿纵向受力方向的搭接长度不应小于100mm，且各条碳纤维布的搭接位置须相互错开。
碳纤维布施工工序为：施工准备→混凝土表面处理→配制并涂刷底层树脂→配制找平材料并对不平整处进行找平处理→配制并涂刷浸渍树脂或粘贴树脂→粘贴碳纤维布→表面防护。
（4）加设体外预应力
本次体外预应力钢绞线纵向采用120根、横向采用16根直径均为φs8.6的1×3股钢绞线。锚具采用YM9－1型专用锚具，锚具垫板纵向采用10mm厚、横向采用10mm及20mm厚16Mn钢焊接制作。锚具垫板与箱梁体首先采用粘贴钢板的方式粘贴于梁底，再采用植筋锚栓进行固定。
施工工序为：安装锚具→安装预应力钢绞线→张拉→锚下喷射HTCM砂浆。
预应力钢绞线张拉结束后，在预应力钢绞线范围内喷射3cm厚HTCM砂浆，使其成为有粘结预应力，同时保护钢丝免于锈蚀，提高结构的耐久性；若梁体中间上拱，按实际厚度施工，要求钢绞线净保护层厚度不小于1.5cm。预应力钢绞线锚具区域内喷射二层共6cm厚HTCM砂浆。
5 施工监控及交通组织设计
⑴施工监控
因本次工程为维修加固工程，须在施工中进行监控。
①预应力加固跨固结墩顶应力监控；
②梁体线型监控；
③板底混凝土应力监控。
⑵交通组织设计
本次施工要求封闭半幅车道，过往车辆利用中央分隔带紧急开口绕行。因此，应严格按规范及设计要求和实际需要设置施工标志、路栏、锥形交通路标、隔离墩等安全设施，必要时应使用信号或派旗手管制交通。夜间应有反光或施工警告灯，在必要位置安装探照灯等照明设施，以满足夜间通车的照明要求，并适当增加交通安全设施（特别是施工警告灯）的数量。
施工期间应做好交通组织和疏导工作，严格限制车速，并及时处理车辆故障、交通事故等突发事件，保证道路畅通。

6 结 语
该实桥的加固设计针对不同梁段的病害情况，采用了不同的处治方法。尤其对病害严重的梁段采用了有粘结预应力加固体系，充分利用了其预应力筋锚固简单，张拉施工方便，以及HTCM砂浆材料具有较高抗拉强度、粘结强度和耐久性好的特点。该加固体系对正截面的加固补强，即可增加结构的抗裂性，又能提高结构的抗弯承载能力，达到了耐久性加固和承载力加固的双重目的。工程实践证明对于同类病害桥梁的加固工程，具有良好的推广应用前景。
作者单位：河北道桥工程检测有限公司