后張預應力技術在T梁翼緣板斷裂加固工程中的應用與研究

田國昌

(新疆公路橋梁試驗檢測中心有限責任公司,新疆 烏魯木齊 848000)

1 工程背景

1.1 工程概況

成都第二繞城高速公路東段A3合同段ZK47+780.27張家院大橋位于兩河口互通內,為左幅上跨陡斜坡而設立,上部結構采用L=10～25 m預應力混凝土預制T梁;下部結構橋墩采用鋼筋混凝土樁柱式圓墩,橋臺采用重力式橋臺;墩臺均采用挖孔樁基礎。張家院大橋因交通事故汽車碰撞護欄,在劇烈沖擊下導致3-7#T梁板翼緣板斷裂,根據檢測結果顯示:3-7#翼緣板出現嚴重的功能性病害,翼緣板斷裂,且有繼續擴張的趨勢,裂縫寬度超限,滲水嚴重,鋼筋已經出現銹蝕現象,其他梁板完好無損,性能良好。

1.2 病害分析

該橋因交通事故汽車碰撞護欄,在劇烈沖擊下導致外邊梁梁板翼緣板出現裂縫。

T梁翼緣板在防撞護欄處的截面形式為變截面點,汽車的撞擊直接作用在護欄上,由于護欄與T梁翼緣板是現澆連接,在外力的瞬時沖擊作用下,護欄的移位造成了翼緣板斷裂的部分處于T梁的端部,長度5.5 m,且斷裂的位置在T梁翼緣板截面變化處,此處翼緣板的斷裂對T梁的承載力和完整性產生影響,屬于結構性損傷。在車輛的強大撞擊力作用下,此位置處的翼緣板折斷,這是本橋病害產生的直接原因,張家院大橋T梁翼緣板斷裂,且有繼續擴張的趨勢,圖中可以看出,防撞護欄裂縫呈45°角向翼緣板深處發展,原因在于,車輛撞擊過程中,荷載呈一定角度傾斜撞擊防撞護欄,防撞護欄承受荷載后,將荷載傳遞至下部梁體,作用方向呈傾斜狀態,由此可以看出,防撞護欄的設置在一定程度上分解了撞擊荷載對梁體的破壞作用,裂縫寬度遠遠超限,經現場測量,撞擊產生的裂縫寬度最大達25 mm,裂縫深入梁體內部,梁體表面混凝土剝落,深部裂縫已遠遠超過規范0.2 mm限制,受西南地區降雨影響,雨水深入梁體內部,架立鋼筋出現嚴重銹蝕現象,表觀上即可觀測到鋼筋銹蝕情況,梁底變截面處滲水泛白,出現嚴重的功能性病害。由于T梁翼緣板的斷裂,造成護欄外傾嚴重,瀝青鋪裝開裂及錯位。翼緣板折斷后,折斷部分的翼緣板退出工作,降低了T梁的承載能力和工作性能,因此必須對翼緣板進行加固。

1.3 加固方案比選

本橋T梁翼緣板局部斷裂等病害,其加固方案設計本著安全、使用、經濟的原則,可以考慮以下方案。

方案一:對已破壞的梁體進行鑿除處理,從翼緣板變截面處鑿除外傾防撞護欄及斷裂的T梁翼緣板,對已經銹蝕的鋼筋進行清除處理,通過植筋方式重新制作T梁翼緣板,并將新的防撞護欄現澆于翼緣板上部,恢復防撞護欄使用功能,普通鋼筋混凝土現澆養護完成后,為加強重作部分混凝土結構的承載能力,在重作部分采用后張法設置預應力筋,施加部分預應力,采用高強螺紋鋼作為預應力筋,橫向穿插新老混凝土部分,保證結構完整性,提高T梁翼緣板的強度儲備。

方案二:更換受損T梁,重做護欄,由于本橋T梁翼緣板斷裂的部分處于T梁的端部,長度5.5 m,且斷裂的位置在T梁翼緣板截面變化處,此處翼緣板的斷裂雖然對T梁的承載力和完整性產生影響。

表1為兩種方案經濟技術指標對比,采用方案一造價約為7.13萬元,僅為方案二的46%,同時施工周期較短,不需要大型架橋機,施工過程中的交通組織可采用半封閉交通,對通行影響較小。方案二整體拆除T梁存在造價高、工期長、需要大型機械輔助施工等缺點,施工過程中需封閉交通,臨時開放其他通道。經方案比選,采用方案一部分重做的方法進行加固處理,拆除破損梁體后,通過設置預應力筋加強重作部分,可達到或甚至超過原T梁翼緣板的設計承載力。翼緣板位于車行道外側,汽車荷載在此處作用較小,結構上T梁功能性仍然能夠發揮得到較大程度發揮。

表1 方案對比經濟技術標表

為提高重作部分的T梁翼緣板的承載能力,提高其安全性及可靠性,經優化后的翼緣板的加固的技術關鍵有三點。

(1)采用施加橫向預應力的方法,加強折斷的翼緣板與母結構(原T梁)的連接,通過高強螺桿施加預壓力將重作部分的翼緣板緊緊地壓在母體結構上。

(2)將原橋面鋪裝(10 cm混凝土+10 cm瀝青),改為15 cm預應力混凝土+5 cm瀝青鋪裝,所用混凝土比原設計混凝土提高一個等級,加厚翼緣板采用雙層鋼筋網混凝土鋪裝。通過加大翼緣板的厚度,加強鋼筋設置,提高混凝土等級等能夠大幅度地恢復或提高翼緣板的強度與剛度,這樣處理能保持原橋梁的的整體外觀上。

(3)為保證新舊混凝土的結合,在新舊混凝土的結合面上采用植筋連結技術。

2 施工工藝

2.1 工藝流程

(1)搭設滿堂支架,并預壓支架

T梁護欄因汽車撞擊造成翼緣板折斷,經分析,翼緣板鋼筋已近屈服狀態,因此應拆除斷裂翼緣板,重新澆筑翼緣板。考慮到現場施工及翼緣板斷裂位置,本方案采用搭設滿堂支架的方式;為了防止澆筑的混凝土使支架變形,進而造成新澆筑翼緣板變形,故在支模板前應用新澆筑混凝土的2倍重量對支架預壓,測量其變形,腳手架布置。

(2)拆除防撞護欄、橋面鋪裝及斷裂翼緣板

防撞護欄及翼緣板采用一次鑿除的方法。采用風鎬鑿眼,大錘敲碎的方法,禁止使用液壓沖擊式拆除,清除部分橋面瀝青混凝土層鋪裝和橋面鋪裝,實施鑿除作業時,應避免對T梁造成損害。橋面鋪裝拆除時,為了防止橋面板被破壞,作業隊伍用采取手工鑿除20 cm厚混凝土及瀝青橋面鋪裝,暴露原有橫橋向鋼筋,但不可損傷原有鋼筋。

(3)澆筑翼緣板及橋面混凝土

根據設計要求澆筑橋面鋪裝及翼緣板混凝土,按照規范要求進行養護,拆除的翼緣板及橋面鋪裝,重新澆筑時采用C50商品混凝土(原設計T梁混凝土為C40,相比原設計重建部分混凝土高一個等級,且就高不就低的原則),防撞欄桿仍采用C30商品混凝土。C50商品混凝土所用砂、石料、水的技術質量必須符合《公路橋涵施工技術規范》有關條文規定。混凝土粗骨料應采用級配良好的堅硬碎石,普通混凝土最大粒徑不宜超過2 cm;混凝土細骨料宜采用中粗砂。混凝土的抗壓、抗拉強度及彈性模量等指標必須滿足相應強度等級混凝土的要求。施工前應進行混凝土最佳配合比設計和試驗,并嚴格控制混凝土水灰比和坍落度,拌合混凝土的骨料的品質、粒徑等必須嚴格篩選,綜合考慮施工順序、工期安排、環保影響等各種因素,通過試驗,保證混凝土強度。

(4)后張法高強螺桿施加預應力

重新澆筑的翼緣板與原T梁混凝土之間僅靠普通鋼筋進行連接,在長期荷載作用下(或意外撞擊)很容易再次出現裂縫,再經過雨水及空氣的侵蝕,橋梁就會出現安全隱患[4,5]。因此為了提高修復后的翼緣板的抗折能力,限制裂縫的發展,采用后張法施加預應力的方案,對T梁翼緣板進行結構補強,確保其設計承載力高于加固前的水平,保證結構的安全。現場先選取不參與受力、非重要位置或將來鑿除的混凝土進行植筋,達到強度要求后,進行抗拔試驗,檢驗標準以設計抗拔力不被拔出為準,此時混凝土完好即為合格,然后才可以批量操作。

檢驗標準同樣采用設計抗拔力不被拔出為準,同規格的鋼筋每100根隨機抽樣一組,每組3根,進行試拉,如達到安全拉力鋼筋不被拉出,說明植筋施工質量合格。抽檢頻率應根據《混凝土結構加固設計規范》相關規定執行,按照不小于植筋總數的3%,且不少于5件進行隨機抽樣檢驗,在監理的監督下委托第三方進行抽檢,根據規范要求,非破壞性檢驗荷載取0.9Asfyk,其中As為植筋面積,m2,fyk為設計抗拔力,N[6,7]。

(5)支模,澆筑防撞護欄

梁板澆筑混混凝土達到設計強度后,可澆筑鋼筋混凝土防撞護欄。綁扎防撞欄桿鋼筋時注意將橋面鋪裝橫向鋼筋與護欄鋼筋一起綁扎,鋼筋的焊接滿足規范要求。澆筑防撞護欄時應注意預埋橋面鋪裝橋面橫向泄水管。

(6)瀝青路面修復(厚度4 cm)。

2.2 預應力構件擰緊力計算

螺桿結合面采用噴砂、砂輪打磨等方法進行處理,摩擦系數應符合設計要求。摩擦面不允許有殘留氧化鐵皮,處理后的摩擦面可生成赤銹面后安裝螺栓(一般露天存放10 d左右),用噴砂處理的摩擦面不必生銹即可安裝螺栓[8,9]。采用砂輪打磨時,打磨范圍不小于螺栓直徑的4倍,打磨方向與受力方向垂直,打磨后的摩擦面應無明顯不平。摩擦面防止被油或油漆等污染,如污染應徹底清理干凈

本預應力構件采用8.8級M20高強螺桿制作,其中一端固定在混凝土中,另一端自由,保留合適的施加扭矩的空間,且在自由端部分用套管進行抱箍,以滿足螺桿因施加扭矩伸長所需要的空間。

預應力構件預緊力矩Mt,N/m,計算公式為

Mt=K×P0×d×0.001

(1)

式中:K為擰緊力系數;d為螺紋公稱直徑,mm;P0為預緊力,N,其中擰緊力系數K通過表2獲取。

表2 錨桿擰緊力系數表

設計每根螺桿張拉力為P0=136 kN,公稱直徑為20 mm,擰緊力系數為0.1,代入公式(1)得到每根螺桿擰緊力矩為Mt=K×P0×d×0.001=0.1×136×103×20×0.01=272 N·m,預應力構件的預埋位置,施工過程中需檢查實際的接點板疊是否貼緊,墊圈的配置是否正確,擰緊螺栓的操作是否符合螺母轉角法的規定,螺栓和螺母上做的標記顯示是否達到了旋轉角度的要求。

2.3 施工注意事項

(1)施工期間應做好交通組織維護,確保交通期間施工安全。

(2)橋面鋪裝及護欄拆除過程中應采用人工加機械拆除相結合的方法,應循序漸進的鑿除舊結構物,避免拆除過程中對T梁造成二次傷害。

(3)安裝預應力構造措施時應嚴格按照設計要求施工,確保施工質量。

(4)施工期間由于設備的堆放、施工時各種構造物及施工場地對現有道路的占用,影響道路通行能力,并在施工處驟然形成瓶頸。在此情況下,需要設置完善的交通組織指引系統,引導車輛順利通過施工區域。并且需要提高設置疏導標志發布前置消息,盡量疏導車輛行駛其他路段,減輕施工區域的交通壓力[10]。

3 結 論

后張法預應力技術在橋梁加固工程中使用廣泛,以成都第二繞城高速張家院大橋橋梁翼緣板斷裂加固工程為背景,總結了該工程中橋梁病害的成因及危害,通過方案比選后決定采用后張預應力技術加固,加固后的主梁能夠保證該橋正常使用且具有足夠的強度儲備,通過介紹了該橋梁加固工程,得到了以下結論。

(1)成都第二繞城高速張家院大橋翼緣板折斷的直接原因為車輛撞擊荷載,折斷部分的翼緣板退出工作,T梁的承載能力和工作性能受損,須對翼緣板進行加固。

(2)后張預應力技術加固方案造價僅為整體更換梁體方案的46%,同時可節約43.9%的施工工期,具有造價低、施工難度小、工期短的優點,橋梁加固工程中應用廣泛。

(3)后張預應力技術加固方案每根螺桿擰緊力矩為272 N·m,施工過程不需要大型架橋設備,施工更為便捷,施工時需做好交通組織維護,確保交通期間施工安全。