近年来, 随着预应力技术的不断成熟、升级, 以及加固需求的快速增长和日益多元化, 预应力技术已大量应用于结构加固领域。从既有民用、工业建筑的抗震加固、结构改造, 到铁路、公路桥梁的大修维护;从钢筋混凝土结构到钢结构甚至砌体结构的加固都越来越多地应用到预应力技术。预应力技术应用于加固领域本身具有很多先天优势, 首先, 从结构受力来说, 消除了其他传统加固材料在被加固构件中应力之后的问题, 真正做到与原结构协同工作, 充分发挥加固材料本身性能;其次, 预应力在加固施工中还具有布置灵活、用途广泛、工艺简便、便于检查、传力明确、效果可靠等诸多优点。

桥梁大修加固中预应力加固技术应用尤其广泛, 但是大多应用于水平构件, 对桥墩等竖向构件的加固较为少见。本文结合三元桥大修工程, 对预应力技术在桥墩加固中的应用做初步探讨和研究。

三元桥修建于1984 年, 北三环路、机场路及京顺路3条道路在此立体交叉, 整座立交桥为机动车和非机动车混行苜蓿叶形互通式立交, 总占地面积26 万m², 是北京市东北部地区重要的交通节点。三元桥 (跨京顺路) 经过30多年的使用, 经鉴定发现桥体变形过大, 承载力已不能达到设计水平及目前使用要求。为彻底解决桥梁目前存在的问题, 进行此次桥梁大修工程。

三元桥大修采用主梁、桥面等水平构件整体更换, 加固并继续利用现有V形桥墩的总体加固方案。根据总体加固流程, 上部结构更换前, 首先完成下部竖向构件V形桥墩加固。现有V形桥墩采用对拉预应力钢筋, 结合外包钢板、加大截面等方式进行加固。

三元桥 (跨京顺路) 共有桥墩18个, 分别位于京顺路路面左、右两侧, 均为V形桥墩。为配合三元桥 (跨京顺路) 桥面整体更换, V形桥墩加固主要采取以下技术措施:①V形桥墩四周植筋, 加大截面, 外包钢板, 提高桥墩整体性和竖向承载力;②V形桥墩中间空腔部位填实, 新桥的支座设置在该位置, 附加钢筋网片解决局部承压问题;③V形桥墩两肢之间贯穿拉结预应力精轧螺纹钢筋。

预应力精轧螺纹钢筋沿桥墩高度方向分3排布置施加预应力:第1排布置在距离柱顶400mm位置, 水平方向均匀对称布置3根预应力精轧螺纹钢筋;第2排布置在第1排以下1 200mm位置, 水平布置2根预应力筋;第3排布置在距离柱底300mm位置, 水平布置2根预应力筋。V形桥墩打孔穿钢管, 中间空腔部分穿金属波纹管套在两边钢管上, 预应力精轧螺纹钢筋穿过钢管和波纹管, 精轧螺纹钢筋锚固在V形桥墩两侧。预应力钢筋布置形式如图1所示。

预应力钢筋采用930MPa, ϕ32精轧螺纹钢筋, 其抗拉强度标准值 f_ptk=930N/mm²。采用精轧螺纹钢筋螺母式锚具JLM-32 (平) , 如图2所示。预应力孔道在桥墩内部钻孔范围内采用外径为57mm、壁厚3.5mm无缝钢管, 空腔部分采用内径60mm金属波纹管。

第1和第2排预应力钢筋张拉控制应力σ_con=0.7f_ptk=651MPa, 第3排张拉控制应力σ_con=0.2 f_ptk=186MPa。预应力钢筋张拉时混凝土立方体抗压强度不得低于设计强度的100%。张拉完成后预应力孔道内注浆, 水泥浆28d强度≥40MPa。

预应力加固的施工工艺有其自身特点。本工程中成孔工艺特殊, 预应力钢筋铺放和张拉 (锚固) 节点安装顺序也有较大不同。具体工艺流程为:V形桥墩成孔→混凝土孔道内穿钢管, 钢管和混凝土之间灌注结构胶→安装波纹管, 并与钢管固定牢固→预应力筋及其他配件加工并运至现场→孔道内穿入预应力钢筋→安装预应力钢筋张拉 (锚固) 节点→V形桥墩空腔部位浇筑混凝土→预应力钢筋张拉→孔道灌浆→切除多余预应力钢筋→进入加固下一道工序。

预应力孔道位置既要满足设计要求, 保证施工图中预应力钢筋的位置准确, 同时应特别注意避开既有V形桥墩的钢筋、管线等, 杜绝对原结构的二次破坏。工程中采用雷达钢筋探测仪, 结合原结构竣工图对既有结构内钢筋、管线进行初步定位。为避免既有结构中钢筋位置偏差的影响, 每根钢筋各选取上、下2个点位进行定位, 放出钢筋位置。在准备钻孔位置表面剔凿混凝土保护层, 直至露出钢筋, 在确定位置没有冲突后方可钻孔。钻孔可采用水钻等设备, 应选用经验丰富的工人实施, 过程中遇到钢筋应采取避让措施。

预应力钢筋采用ϕ32精轧螺纹钢筋, 这种材料本身不具备弯曲能力, 只能在钢管和波纹管有限的内径范围内穿过, 可调整余地很小。再加上预应力孔道穿过V形桥墩的两肢, 这样便对桥墩两肢上孔道形心偏差要求较严格, 对钻孔选点和垂直度的保证提出较高要求。应先在桥墩其中一肢上钻孔, 成孔后用激光或其他手段将第1段孔道的形心投影到桥墩的第2肢上, 定位后再进行第2段钻孔。

预应力孔道在既有混凝土桥墩内部钻孔范围内采用外径为57mm、壁厚3.5mm无缝钢管, 空腔部分采用内径60mm金属波纹管。这样做的目的是保证空腔部分浇筑混凝土后, 混凝土可以和波纹管充分握裹, 无缝钢管与结构钻孔之间灌注结构胶后能使二者很好地结合。应将无缝钢管伸出空腔部分结构以外200～300mm, 将波纹管套装在钢管上, 其间的缝隙再用发泡材料填实, 方可确保连接密实。避免出现打灰时漏浆现象, 对后续的张拉及灌浆工艺造成影响。

承压钢板本身应具有足够刚度, 不会被压坏变形;而且钢板要保证一面与锚具贴合, 另一面与混凝土之间紧密贴合, 这样才能有效把预应力传递到结构上。被加固桥墩呈V形, 外表面有一定倾斜角度, 预应力精轧螺纹钢筋水平布置。根据实际情况, 采用50mm厚钢板, 现场实地测量桥墩的倾斜角度, 钢板的一侧按照桥墩角度加工出斜面。安装时斜面紧贴桥墩, 用结构胶填实钢板与混凝土结构面之间的缝隙, 这样便能确保张拉正常实施、预应力体系有效建立。

在桥墩的两张拉端位置分别设置2根与预应力孔道贯通的细管, 一根作为灌浆孔道, 另一根作为出气孔。安装张拉端节点前, 在混凝土桥墩表面, 紧贴承压钢板的位置剔凿1条与灌浆孔 (出气孔) 管道外径尺寸相仿的槽, 将灌浆孔 (出气孔) 埋置于此, 预应力孔道钢管开孔与之可靠连接。最后开槽与管道之间的缝隙用结构胶或聚合物砂浆填实。应特别注意的是, 灌浆孔 (出气孔) 应高出预应力孔道200～300mm, 确保孔道内浆体密实 (见图3) 。

预应力精轧螺纹钢筋的张拉是桥墩预应力加固的关键工序, 张拉操作的工艺顺序如下 (见图4) :①安装锚具, 用扳手拧紧锚具;②将穿心拉杆拧在精轧螺纹钢筋上, 确保固定牢固;③千斤顶就位, 套在精轧螺纹钢筋和穿心拉杆上, 其撑脚抵紧混凝土端表面的承压钢板;④在穿心拉杆上安装锚具, 贴紧千斤顶尾部, 用扳手拧紧;⑤由前油嘴向张拉缸进油, 使回程缸由后油嘴回油, 活塞后移带动穿心拉杆张拉精轧螺纹钢筋;⑥张拉达到控制应力后, 再次用扳手拧紧锚具。

预应力精轧螺纹钢筋的布置形式简单, 占用空 间小, 不与其他穿插作业工种冲突;布筋、张拉、灌浆等操作也较为便捷, 整个预应力施工没有过多地占用工期。虽然施工中有不少难点、关键控制点, 但是在工程技术人员的周密准备和精心实施下, 工程质量达到了理想水平。

本工程桥墩加固采用了加大截面、粘钢、空腔填筑混凝土等多种工艺。采用通长的预应力钢筋把原结构、加大截面部分和填充部分有机串联在一起, 并对柱墩本身施加约束, 有效提升了加固后整个柱墩的整体性;另外, 预应力钢筋张拉完成后第一时间参与工作, 避免了其他加固形式二次受力的不利影响, 充分发挥高强度精轧螺纹钢筋的作用。预应力加固体系从作用原理上解决了后加补强材料“应变滞后”所造成的材料利用效率不高问题。

三元桥加固工程中, 将预应力技术和V形桥墩加固巧妙地融合在一起, 充分发挥了预应力技术在加固工程中的优越性。从施工技术上分析, 预应力精轧螺纹钢筋加固桥墩有别于新建结构中的预应力混凝土技术, 也有别于更常见的预应力钢绞线施工。预应力孔道的成孔工艺、张拉端节点及灌浆孔、出气孔节点的制作安装, 预应力张拉工艺, 包括一些材料的选择都要与现场实际条件协调, 与既有结构相吻合, 这样才能有效对既有结构实施预应力加固。