體外預應力技術在橋梁加固中的應用和施工要點

俞錫紅

（安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥　230051）

體外預應力技術在橋梁加固中的應用和施工要點

俞錫紅

（安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥230051）

隨著預應力技術的發展，體外預應力加固技術越來越被工程界所重視。結合合淮阜高速公路董鋪水庫大橋體外預應力加固技術實例，闡述了體外預應力技術在我國的應用、體外預應力施工控制要點及體外預應力加固的優點及發展方向。

橋梁工程；體外預應力技術；應用

0　引言

體外預應力是指對布置于承載結構主跨本體之外的鋼束張拉而產生的預應力，鋼束僅在錨固區域設置在結構本體內，轉向塊可設在結構體內或體外。體外預應力結構是后張預應力體系的重要分支之一，它與體內預應力結構最本質的區別就是體外預應力結構的預應力筋布置在主體結構之外。

1　體外預應力技術在我國的應用

近20年來，我國預應力技術發展迅速，體外預應力混凝土橋梁結構技術已經成熟。盡管體外預應力橋梁結構的鋼束用量比體內預應力橋梁結構要多，但由于體外預應力橋梁結構減輕了占恒載較大比重的箱梁腹板尺寸，節約了混凝土的用量。同時上部橋梁結構重量的減輕也導致了下部橋梁結構工程量的節省。更重要的是，施工方法及材料用量、施工速度、管理費用以及成橋后的維護費用能更加經濟。雖然預應力鋼束材料用量稍多一些，但其影響非常小。特別是對于建設、設計和施工為一體的總承包集團公司，施工方法的簡便，施工速度的加快，施工質量的容易控制可使施工費用降低不少。作為后張法預應力體系的重要分支之一的體外預應力結構因其施工方便、節省材料、減輕自重、降低造價、方便檢修維護更換等優點，已越來越受到工程界的重視［1-6］。

2　工程實例

2.1工程概況

董鋪水庫大橋屬于合淮阜高速公路上的一座大型橋梁，該橋主橋上部采用主跨100 m變截面預應力混凝土連續箱梁，引橋采用標準跨徑為30 m的裝配式部分預應力混凝土連續箱梁。設計荷載公路一級，設計車速120 km/h，橋面全寬34.5 m。主橋上部為60 m+100 m+60 m三跨PC截面連續箱梁。上部結構箱梁為單箱室結構，主橋采用掛籃懸臂澆筑法施工。主橋下部構造各墩采用矩形墩，墩身采用C40混凝土，基礎采用直徑1.8m鉆孔灌注多排樁，引橋下部結構采用樁柱式橋墩，墩身和蓋梁采用C30混凝土。

2.2歷次檢查及維修加固狀況

合淮阜高速公路于2008年通車，2011年10月安徽高速公路試驗檢測科研中心對該橋進行了外觀檢測，檢測結果表明該橋存在部分病害，于2012年4月完成維修處治設計，并于當年完成維修處治施工，2012年8月再次對該橋進行了常規檢測。2014年11月安徽省高速公路試驗檢測科研中心在對合淮阜高速公路三座橋梁進行巡察的過程中發現董鋪水庫大橋主橋腹板、底板及頂板出現新增裂縫或已封閉裂縫再次開裂的情況。2015年3月，安徽省高速公路試驗檢測科研中心對該橋進行了專項檢測，在巡檢及專項檢測結果的基礎上，結合原設計文件及2012年維修處治成果，作出對該橋進行體外預應力維修加固的決定。

2.3體外預應力施工控制要點

2.3.1主材

本工程所選用的體外預應力材料見表1。

施工中所用材料必須有生產批號、產品質量保證書等，符合國家相關標準、規范。

2.3.2錨固系統

預應力筋的錨固系統宜選用STM體系的單孔錨具及擠壓錨具。

表1　體外預應力主要施工材料選用計劃

（1）張拉端

采用錨具凹進混凝土表面。當建筑上不允許有外包混凝上梁時，采用這種端部作法，該作法施工較繁。它由錨環、夾片、承壓板、塑料塞及固定件、螺旋筋組成，見圖1（a）。

圖1　凹入式夾片錨具張拉端構造

墊板連體式錨具凹進混凝土表面。由錨具、夾片、塑料塞及固定件、螺旋筋等組成，見圖1（b）。

（2）固定端

采用擠壓錨具。由擠壓錨具、承壓板和螺旋筋組成，見圖2。

圖2　固定端擠壓錨具構造

2.3.3混凝土

封錨混凝土采用的混凝土強度等級，不低于C45。為縮短工期及便于施工，可采用早強大流動性混凝土。

2.3.4錨固端、轉角器

錨固端和轉角器采用Q345鋼，在施工現場制作而成。除有施工圖標明外，本工程所有焊縫為單面角焊縫，焊角尺寸同鋼材厚度，焊縫尺寸按圖焊制。

所有焊接材料及焊接品質，須符合 GB5117-95，GB5118-95及GB1300-77的規定。鋼構件采用除銹時要求達到Sa2.5標準，除銹后的構件應及時涂刷二遍防銹底漆，厚度50 μm。

配套張拉設備有千斤頂及油泵。機具有頂壓器（液壓和彈簧兩種）、張拉桿、工具錨等。

（1）YCQ20型前卡千斤頂

體外預應力筋一般均采用單根張拉方法。張拉設備采用YCQ20型千斤頂，YCQ20型千斤頂為前卡穿心式構造，與錨具配合，可以采用不頂壓工藝張拉，施工效率很高。YCQ20型千斤頂外形見圖3。

圖3　YCQ20型前卡千斤頂的構造

（2）電動高壓油泵

體外預應力的張拉采用液壓設備提供動力，本工程采用ZB4/500型電動高壓油泵。

畜牧業是我國重要的經濟產業之一，與農業、林業共同支撐起我國的基礎經濟發展，畜牧業養殖中控制動物疫病是保證養殖生產利潤的重要的手段，預防、控制、疫苗是重要的防疫工作保證，我國農村基層動物防疫工作中還存在一定的缺陷，受限于當地經濟發展、工作人員專業水平和綜合素質，筆者將在本文中對當前我地農村基層動物防疫工作中存在的問題進行分析，探討優化我地農村基層動物防疫工作的對策，為我地畜牧養殖業發展提供借鑒思路。

（3）其他設備

a.放線盤架：在下料時用以放置成捆的預應力筋，它有可轉動的中心軸，放線時較輕便。

b.砂輪切割鋸：放線下料時切斷預應力筋的設備。

c.角相磨光機：手提式，配以小型切割砂輪片，在張拉后用以切割外露余筋之用。

d.液壓切筋器：張拉后用來切割穴模內鋼絞線的設備。

2.3.6工藝流程及施工要點

體外預應力施工的工藝流程如下：根據圖紙，確定體外預應力筋的布置線型→制作并安裝固定端、轉角器→鋪放預應力筋→張拉預應力筋→錨固→安放封端罩、端部封閉。

（1）錨固節點和轉向節點的設計與加工制作

先對結構進行加固設計與施工可行性分析，確定體外預應力束布置和節點施工的可操作性。確認在原結構上開洞、植筋及新增混凝土與鋼結構等施工對原結構的損傷在受力允許的程度之內。體外預應力束與被加固結構之間通過錨固節點和轉向節點相連接。錨固節點和轉向節點塊采用鋼結構。新增混凝土錨固節點和轉向節點塊結構在原結構相應部位施工。新增鋼結構錨固節點和轉向節點塊采用鋼板和圓鋼焊接而成，應保證焊縫質量和與原結構連接的可靠性。

（2）錨固節點和轉向節點的安裝

根據體外預應力束布置要求在原結構適當位置上開洞，以穿過體外預應力束。按設計位置植筋或植錨栓等，以安裝錨固鋼件、支座及跨中轉向節點鋼件，鋼件與混凝土連接的界面應打磨清掃干凈，然后用鋼結構膠粘結和錨栓固定，鋼件與混凝土之間的空隙用無收縮砂漿封堵密實。新增混凝土錨固節點和轉向節點施工，首先植筋和綁扎普通鋼筋，安裝錨固節點錨下組件和轉向節點外束導管等，支模板并澆注混凝土，混凝土必須充分振搗密實。

（3）體外預應力束的下料與安裝

體外成品索在工廠內加工制作，成盤運輸到工地現場，根據實際需要拆除下料。預應力筋長度為平面直線長度基礎上增加曲線增量和每一張拉端不小于1 000 mm的張拉操作長度。體外束下料完成后，成品束可一次完成穿束。

制作固定端的擠壓錨，制作擠壓錨具時應遵守專項操作規定。在完成擠壓后，護套應正好與擠壓錨具頭貼緊靠攏。異形鋼絲襯套安裝后，各圈鋼絲應并攏擰緊且不得重疊。擠壓力不得低于規定值，擠壓后預應力筋外露1～5 mm，如不露頭，必須切掉重擠。錨墊板必須用螺絲擰緊。固定端擠壓式錨具的承壓板應與擠壓錨固頭貼緊并固定牢靠。

（4）體外預應力束的張拉

預應力張拉控制在應力為100 MPa，每根預應力筋的張拉控制力為140 kN。張拉時采用應力控制，應變校核的方法進行。張拉時要控制給油速度，給油時間不應低于半分鐘。實測伸長值與計算值的偏差在-6%～+6%范圍之內。施工中應做好現場施工預應力記錄，應逐根填寫張拉記錄，經整理簽署驗收存檔。

為減少預應力筋松弛、摩擦等損失，可采用超張拉法，但張拉應力不超過3%。預應力筋的張拉應按照對稱的原則進行張拉。不可單側張拉多根預應力筋，以避免梁水平受彎。

（5）體外預應力束與節點的防護

體外預應力束張拉完成后，根據體外預應力錨固體系更換或調索力對錨具保留鋼絞線長度的要求，用砂輪片除錨具外伸多余的鋼絞線，采用防護罩或設計體系提供的防護組件進行體外預應力束耐久性防護。將錨固端及其周圍清理干凈，在錨固端四周及以上覆以6@50的鋼筋網片后，用C45微膨脹細石混凝土灌入錨固端并振搗密實。

對外露的體外預應力束及節點進行防火處理原則為：外包20 mm以上厚度的砂漿或混凝土的、或外包油脂和套管的不需要進行防火處理，其余鋼材表面采用薄型防火涂料進行防火處理。

2.3.7質量控制措施

（1）施工前品質檢測

鋼絞線進場后，除應按產品出廠證明文件核對其性能類別、型號、規格及數量外，尚應符合國家標準《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204-2002）及《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）要求，合格后方可使用。

a.鋼絞線出場時應有質量保證書，每盤上應掛有標盤，進場時，應按現行國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224）等的規定抽取試件作力學性能檢驗，其質量必須符合有關標準的規定。

b.檢查數量：按進場的批次和產品的抽樣檢驗方案確定，檢查產品合格證、出廠檢驗報告和進場復驗報告。

c.外觀檢查：應在使用過程中逐盤進行，其鋼絞線表面不得有裂紋和4.機械損傷，允許有輕微的浮銹，但不得有明顯的麻坑。

d.力學性能試驗：從每批中任取三盤的鋼絞線各取一個試樣進行拉伸試驗，要求抗拉強度fptk≥1 860 N/mm2，δ≥3.5%。如有一項試驗結果不符合標準要求，則該盤鋼絞線為不合格品，應加倍取樣復檢，如仍有一項不合格，則該批鋼絞線判為不合格品。

e.預應力絞線截面特征及力學性能

本工程所用預應力鋼絞線截面尺寸及力學性能應滿足表2的要求。

錨具進場后，除應按產品出廠證明文件核對其錨固性能類別、型號、規格及數量外，尚應符合國家標準《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204-2002）及《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370-2000）要求，合格后方可使用。

外觀檢查應從每批中抽取10%的錨具且不少于10套，檢查其外觀和尺寸。如有一套表面有裂紋或超過產品標準及設計圖紙規定尺寸的允許偏差，則應另取雙倍數量的錨具重做檢查；如仍有一套不符合要求，則應逐套檢查，合格者方可使用；硬度檢驗由錨具生產廠提供有效的試驗報告。

表2　鋼絞線截面特性及力學性能

靜載錨固性能試驗對于本工程的錨具進場驗收，其靜載錨固性能由錨具生產廠提供有效的試驗報告。

預應力筋用錨具驗收批的劃分：在同種材料和同一生產工藝條件下，錨具以不超過1 000套為一個驗收批。

（2）施工中質量控制措施

在體外預應力施工中，預應力筋的鋪放及張拉操作宜由預應力專業施工隊伍承擔。張拉按施工方案確定的設備用量，安排專業組，一般每套設備配置2～3人。

施工過程中應注意以下方面的質量控制：

a.錨固端、轉角器的鋼結構制作；

b.錨固端、轉角器的安裝；

c.預應力筋固定端擠壓成形；

d.預應力筋的安裝就位；

e.預應力筋的張拉應力和應變控制；

f.錨固端的封錨質量。

（3）現場成品保護措施

a.張拉完畢后錨固端應及時驗收封錨；

b.體外預應力完成張拉后，應及時進行防火防腐處理。

（4）施工驗收

a.加固所用鋼絞線、錨具、轉角器、錨固端支座按設計要求和施工規范要求對商品供應廠方提供資料的進行驗收；

b.應嚴格執行各工序的隱蔽檢驗及驗收。

2.3.8安全技術要求

（1）預應力施工操作人員應有安全意識。進入工地必須戴安全帽、穿厚底鞋，高空作業必須有牢固的腳手板、安全護網。

（2）張拉時，操作人員及一切其他人員均不得站在預應力兩端，只許站在兩側，以防斷筋時傷人。

（3）張拉過程中，錨具和其它機具嚴防高空墜落傷人。油管接頭處、張拉油缸端部嚴禁站人，應站在油缸兩側。測量伸長值時，嚴禁用手扶摸缸體，避免油缸崩裂傷人。

（4）預應力筋張拉中，經標定的配套設備不允許隨意更換。操作人員應精神集中，給油回油應平穩。張拉應力包括超張拉不應超過預應力筋抗拉強度標準值的80%。

（5）嚴防高壓油管出現扭轉或死彎現象，發現后應立即卸除油壓，進行處理。

（6）用電時嚴禁將地線、火線搞混，應作明顯標記，避免與結構鋼筋連在一起，造成觸電事故。

（7）油箱油量不足時，要在沒有壓力下加油，機油一般為20#，冬季為10#。嚴禁使用酒精、甘油、水代替。

（8）張拉，擠壓、鐓頭、切割等設備，必須經過檢查，各項性能完好，儀表示值正確才可以使用。

3　體外預應力加固的優點及發展

對上部結構的加固，一般都不得不在原結構混凝土的外部進行，這就使體外預應力技術成為一種主要的也是最積極的加固方法。體外預應力索加固法就是應用體外預應力索通過后加在原結構上的錨固塊和轉向裝置，并張拉體外索使原結構產生后加預應力的方法。

3.1體外預應力體系的優點

（1）體外預應力筋布置在結構截面以外，力筋僅在轉向塊處與混凝土接觸，可大幅度減小預應力摩擦損失，提高了預應力作用效果。

（2）由荷載作用引起的應力變化分散在預應力筋全長上，應力變化幅度小，對于承受較大活載及由疲勞控制的結構相當有利。

（3）體外預應力筋外套聚乙烯管或鋼管，力筋設置容易，能夠控制和調校體外索的應力，便于灌漿且更可靠，使用期間容易檢查和更換。

（4）體外預應力技術能大大縮短大跨度裝配式預制橋梁的施工工期。

3.2未來的發展

（1）隨著應用領域的不斷拓寬和其他結構工程的大規模發展，體外預應力的應用范圍越來越廣，應用數量也迅速增長。

（2）預應力筋向高強度、低松弛、大直徑和耐腐蝕的方向發展。

（3）錨固體系將得到完善，在一定范圍內，預應力噸位可根據實際需要任意選用，使用方便，安全可靠。

（4）施工向工業化、專業化方向發展，實現施工工藝標準化、自動化控制與管理。

4　結語

體外預應力的設計、計算理論不斷完善。現在與未來，應用新技術、新施工方法，取得良好的經濟效益和社會效益，都是提高競爭力的重要因素。 因此，基于上述優點和未來技術的發展，體外預應力結構將是當前世界上重要的、有發展前途的結構之一。

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U445.7+2

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1009-7716（2016）07-0186-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.054

2016-03-17

俞錫紅（1975-），男，安徽銅陵人，高級工程師，從事交通工程建設管理工作。