節段預制橋梁施工期間臨時孔耐久性設計*

吳東升，任 才，張智然

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引言

節段預制拼裝橋梁架設過程中，為滿足節段吊裝、臨時預應力錨固及勁性骨架安裝，每榀節段梁上預留臨時吊裝孔、錨固孔等多種孔洞，如圖1所示。節段拼裝完畢后，再將這些臨時孔洞封堵。較常規橋梁而言，節段預制梁臨時孔洞的存在給結構安全及耐久性帶來新的問題，孔洞封堵是否密實、黏結是否可靠直接影響運營期間橋梁的安全、耐久性能。

圖1 施工期間臨時孔示意

圍繞節段預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]，形成完備的設計理論與施工技術，并在國內多項大型工程中得以成功應用[4-6]。然而國內多座節段預制拼裝橋梁出現不同程度滲水、鋼束銹蝕等耐久性病害，因此節段預制梁的耐久性能備受學者關注，對常規混凝土材料及結構的耐久性研究十分全面，針對節段預制橋梁的特殊性，李國平等[7-8]對節段預制橋梁接縫耐久性進行了系統的理論與試驗研究，然而關于臨時開孔的耐久性細節國內外未有研究，為此本文針對該問題進行深入研究。

1 施工期間臨時孔封堵設計原則

節段梁架設完成后，需對臨時孔洞進行封堵，因孔洞數量眾多，如孔洞出現掉落、滲水等問題，將嚴重影響橋梁使用性能，所以應注重孔洞的封堵質量，對孔洞封堵質量提出明確要求。

臨時孔作為節段預制梁的一個細節構造，其封堵設計的原則與橋梁結構整體設計原則一致，應符合“安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀”的原則。

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

2)耐久 導致結構耐久性失效的原因主要是有害物質進入混凝土結構內部，進而引發鋼筋腐蝕，保證結構耐久性良好的關鍵就是保證結構密實，阻斷有害物質傳輸，孔洞作為結構的薄弱環節，其耐久性受到極大關注。首先，封堵材料本身的耐久性要良好，不低于橋梁結構的設計使用年限；其次，要保證黏結的長期可靠，避免在長期循環荷載作用下的黏結失效；再次，封堵材料的防滲及界面處的防滲性能要優良，避免有害物質侵入內部。

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

4)環保 要求封堵材料本身具有綠色環保特點，禁止使用一些性能雖優異但對環境有害的產品。

5)經濟 臨時孔洞具有數量多的特點，封堵方案也需綜合考慮封堵材料、施工工藝的經濟性能，盡可能做到施工方便，降低成本。

6)美觀 隨著社會經濟水平的提高，人們對城市景觀要求也日益提高。節段梁因采用預制工藝，外觀質量更好且較穩定。因大量孔洞的存在極大地影響了整體景觀，所以在對孔洞進行封堵時，要求封堵材料與本體混凝土間的色差小，保證外觀統一，最大限度減少孔洞對橋梁整體景觀的影響。

2 臨時孔封堵設計

2.1 封堵材料

選擇封堵材料是封堵設計最基本的要素，也是保證封堵性能達到設計要求最關鍵的要素。對于實際設計而言，需對材料性能提出明確的量化指標。南昌市洪都大道提出的材料指標如表1所示。

表1 封堵材料性能指標要求

為檢測封堵材料性能，需進行相應的試驗測試，主要包括3部分內容，即材料特性試驗、黏結性能試驗和抗滲性能試驗。

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

2)黏結性能試驗主要測試封堵材料與本體混凝土間黏結強度指標，該指標的測試可通過直接測試法或間接測試法進行。其中，直接測試法可參考JC/T 547—2017《陶瓷墻地磚膠粘劑》中相關方法進行測試。間接測試法是通過拉拔試驗來反映黏結強度，試件的制作嚴格按工程實際執行，中間按實際孔洞大小留孔，按實際施工方法、封堵材料封堵孔洞，中間預留拉拔用鋼筋，待達到齡期后進行拉拔試驗。

3)抗滲性能試驗是封堵材料最重要的試驗，用于評定封堵材料的抗滲等級。GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》中規定了標準的測試方法。臨時孔洞封堵的抗滲有自身特點，其滲透的薄弱部位主要在封堵材料與本體材料的交界處，試驗需針對交界面進行抗滲試驗。試件的制作嚴格按工程實際執行，中間按實際孔洞大小留孔，按實際施工方法、封堵材料封堵孔洞，待達到齡期后按標準試驗方法進行抗滲試驗。

2.2 封堵構造

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

圖2 臨時孔封堵構造

1)方案1 在洞口處采取表面打磨處理，孔洞封堵時高出表面3～5cm，該方案的優點是施工方便，封堵材料在自身破壞前基本無掉落風險，為了進一步保證安全性，可在內部增設加強鋼筋。該方案的缺點主要有2點：構造上高出混凝土表面，對于箱梁頂面的孔洞，后期橋面系銑刨施工時會對加高構造造成破壞；該方案封堵效果相對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仍較薄弱。

2)方案2 將洞口3～5cm進行鑿除，孔洞封堵時與原結構表面平齊。洞口擴頭處理保證了封堵材料無掉落風險；頂面平齊設置增加了方案的適用范圍，橋面系等其他工序的施工對已封孔洞不會造成破壞；封堵材料與本體混凝土間的接觸面增大，黏結效果增強。該方案的主要缺點是洞口擴頭較難處理，孔洞數量較多時質量難以保證。

3)方案3 將方形擴頭改為喇叭頭，施工上喇叭頭相對于方形頭更易實現，采用電動鉆頭旋轉1周即可成型。但封堵材料與混凝土本體的接觸面積減小，黏結效果會減弱。

4)方案4 對方案3進行改進，通過在孔洞內壁增設2～3個孔洞，增強了2種材料的黏結效果，同時也進一步降低了封堵材料掉落風險。增設的孔洞深度不宜過大，避免打斷本體混凝土內部鋼筋或鋼束。

2.3 封堵工藝

針對上述提出的方案4進行現場工藝試驗，對施工各環節的工藝流程進行研究。孔洞封堵的主要步驟為：孔洞預處理→模板安裝→澆筑與養護。

1)孔洞預處理 主要按封堵方案對孔洞進行擴頭、鉆孔、孔洞清理等工作，如圖3所示。對孔洞基面清理時應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清除干凈。

圖3 孔洞封堵前預處理

2)模板安裝 孔洞施工均為高空作業，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，待封堵材料達到設計強度時，直接拆除底模即可，該種方法主要缺點是常規的雙面膠黏結力較小，模板的承載力有限，如采用強力膠，拆除時較難清理干凈，黏結膠殘留于梁底對美觀有一定影響；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。該模板系統的適用性較強，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，否則成型的外觀質量較差。模板方案如圖4所示。

圖4 模板方案

3)澆筑與養護 封堵材料施工由各廠家產品而定，如水泥基滲透結晶型防水材料施工，主要有以下幾個施工要點需注意：①材料灌注前應用清水沖洗洞口周圍及內部，保證混凝土接觸面處于濕潤狀態；②封堵材料的配合比嚴格按產品說明設計，嚴禁現場隨意拌制；③孔洞一般小而深，施工時應分多次灌注，同時應盡可能從一側澆入，便于排出洞孔間空氣，使灌漿充實；④孔洞內灌漿完成應在洞口局部增設防水層；⑤施工應避免高溫、雨天等惡劣天氣，封堵完成后應進行霧狀水噴灑養護，每天派專人進行多次灑水，必要時表面覆蓋養護。

3 無孔洞設計方案

節段梁上預留臨時孔洞僅為了滿足橋梁架設需要，并非永久構造，其根本目的是提供臨時錨固。基于無孔洞設計理念提出新的臨時錨固方案及構造措施，有效提高結構耐久性。

3.1 鋼齒坎方案

常規鋼齒坎方案是節段梁中最常用的臨時預應力錨固措施，該方案通過在節段梁上預留臨時孔洞，后裝鋼齒坎標準件作為錨固反力座，鋼齒坎與箱梁間通過螺栓有效連接，并將預應力傳遞至箱梁斷面(見圖5)。

圖5 常規鋼齒坎方案

鋼齒坎方案在節段梁預制時只需預留臨時孔洞，不增加額外的外形構造，因此施工十分便利，同時螺栓、鋼齒坎等構件均可重復使用，成本較低。但預留孔洞施工應注意精度控制，避免因位置偏差而導致后期螺栓安裝難度。該方案的主要缺點是主梁拼裝完成后存在大量孔洞，孔洞封堵工作量大，施工質量難以控制，易引發漏水等耐久性病害。

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

圖6 預埋螺母式鋼齒坎方案

該方案在節段箱梁預制時，在臨時預應力鋼齒坎螺栓對應位置預埋相應規格的螺栓套管。臨時預應力張拉前，將鋼齒坎螺栓擰入螺栓套管，實現鋼齒坎與混凝土連接。臨時預應力放張后，擰出鋼齒坎螺栓即可完成臨時預應力拆除。

預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，在保留常規鋼齒坎方案施工快速的優點下，大大提升結構耐久性。相對于常規鋼齒坎方案，預埋式方案的預埋螺栓套管為一次使用部件，不能重復使用，造價相對增加，但后期封堵難度大大減小，封堵的性能要求可降低，綜合造價基本相當。

3.2 混凝土齒塊方案

臨時預應力錨固也可借鑒永久預應力的錨固構造方式，采用在主梁節段上增設混凝土錨固齒塊的無黏結體系(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留臨時孔洞，省去臨時孔洞封堵工作，極大地節省材料與人力，同時減少耐久性缺陷。但該方式也存在較多缺點：一方面，大量齒塊的設置增加了構造復雜程度，降低了節段梁標準化程度，給模板設計、鋼筋綁扎、拆模等都帶來較大難度；另一方面，齒塊的布設還要考慮與轉向塊、永久齒塊及限位塊的相對位置關系，構造處理復雜，如將齒塊設于箱梁外表面，構造處理簡單，但后期需鑿除，工作量較大，且鑿除施工對結構有不同程度損傷。

3.3 體內臨時預應力方案

體內臨時預應力方案實施過程為：節段箱梁預制時，在預制節段的頂、底板或腹板內預留直線管道，待節段拼接面涂膠完成后，穿入臨時預應力鋼筋并直接錨固于節段梁端面。拼裝下一節段時，需對臨時預應力鋼筋接長，重復以上步驟直至拼裝完成，最后對臨時預應力鋼筋管道進行灌漿(見圖8)。

圖8 體內臨時預應力方案

臨時預應力鋼筋管道相對于永久預應力鋼筋管道而言數量少得多，上述方式中，也可利用永久預應力鋼筋管道，減少對箱梁截面的削弱。但此時需設計階段即進行統籌考慮，將該部分預應力設置為直線束，且鋼束設計張拉時機為拼裝完成后。

3.4 臨時預應力方案對比

臨時預應力體系的做法很多，每種做法都有各自優缺點：①常規鋼齒坎方案適用性較強，施工簡單，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，雖錨固材料可重復使用，但封堵費用相對較高，綜合經濟性能一般；②預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，但預埋螺母不可重復使用，雖封堵施工費較低，綜合經濟性一般；③混凝土齒塊方案無孔洞存在，耐久性能好，但設置大量錨固齒塊，構造及施工復雜，綜合經濟性低；④體內預應力方案不增設額外構造，施工十分簡便，耐久性及外觀質量均較好，材料及施工費用均較低，經濟性優異，但適用性稍差。

從上述對比分析可看到，在適用條件允許時，體內臨時預應力方案各方面性能較好，可優先采用，但應處理好構造與可施工性的關系，預埋式鋼齒坎在造價增加不多情況下能達到較好的經濟與使用性能，也是一種值得推薦的方案。

4 結語

1)施工期間臨時孔，作為節段預制橋梁重要的耐久性細節，應引起足夠重視并進行專門的封堵設計與耐久性考慮。

2)封堵材料與構造措施是保證臨時孔耐久性的2個重要基礎，應對材料性能指標提出明確要求，構造措施應滿足施工便利性要求。

3)為提高節段預制橋梁耐久性能，應優先考慮無孔洞設計方案，體內臨時預應力方案及預埋式鋼齒坎方案都可取得較好效果，應因地制宜進行選用。