预应力桥梁波纹管堵塞加固处理技术应用探讨
时间：2023-07-01 14:15:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张玉明秦元昊谭天乐
（1.山东建筑大学土木工程学院，济南 250101；
2.山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，济南 250013）
随着预应力技术被越来越广泛地应用于桥梁建设之中，施工中出现的一些普遍问题也更加受到重视。其中，波纹管堵塞就是最常出现的问题之一。所谓的波纹管堵塞，简单来说就是在浇筑完混凝土之后，波纹管出现了堵塞现象。波纹管堵塞现象的出现极易导致后期预应力钢绞线穿束无法穿过或无法张拉预应力筋，这不仅在很大程度上耗费了人力、物力，还极大地影响着施工的有序进行［1］。出现这种情况的原因是多方面的，首先，波纹管自身存在质量缺陷就极易导致堵塞问题的发生。其次，由于施工人员在施工过程中未严格按规范安装波纹管，造成套管接头松动或弯折从而造成堵塞现象。在混凝土浇筑过程中，施工人员操作不当造成波纹管破裂也会造成堵塞［2-5］。
应对波纹管堵塞问题，常见的做法是破坏混凝土构件疏通孔道［6］。根据穿钢绞线的长度或实际伸长值的大小，准确找出堵塞的具体位置。用火焊截去堵塞部分的波纹管，依据孔道堵塞长度进行扩孔。清理完残渣、张拉预应力束后用环氧树脂砂浆将开口部分补齐［7-9］。桥梁中预应力筋用量较大，施工过程中施工措施不当、波纹管质量不合格等都可能导致波纹管大面积范围内堵塞，此时凿开混凝土构件会对截面产生较严重的削弱，影响结构的安全性及使用性能。常用的预应力桥梁加固方法如粘贴钢板法、碳纤维加固、体外预应力加固等。这些方法虽然能对桥面板进行加固增强，但由于加固量大，施工周期长、桥梁外观有改变，不适于新建桥梁大范围波纹管堵塞的加固处理。目前国内外对出现大范围波纹管堵塞的大型桥梁进行加固的工程实践较少，本文以某高架主线桥横桥向波纹管堵塞后的加固处理为背景，应对加固中必须考虑的种种问题提出了完善的加固方案，保证了结构的抗裂性能和承载能力，可为出现大范围波纹管堵塞的桥梁的加固处理提供借鉴和参考。
某高架路主线桥PM27～PM30区间段为3×34 m连续箱型梁桥，荷载等级：城-A级；
地区抗震设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度0.2g；
抗震设防类别：乙类；
抗震设计方法：A类；
抗震设防措施等级：9级；
抗震重要性系数：桥梁E1作用下取0.61，E2作用下取2.0；
主线桥梁、匝道桥和辅道桥的结构，设计安全等级为一级；
桥梁设计基准期：100年。耐久性设计环境类别：Ⅱ类；
设计基准温度：15℃。
桥纵向为7个箱型梁形成的连续梁桥，故桥面板顶板为7跨连续板加两端悬臂板，桥面板宽度3690～4370 cm，桥面板两端悬臂宽度为175～385 cm（图1）。纵桥向箱梁内配置曲线形有粘结预应力筋，横桥向顶板内配置直线型有粘结预应力筋1-3Φs15.2@500，预应力筋距离板顶10 cm。现场施工情况：现纵桥向箱梁内预应力筋已张拉完毕，在张拉横桥向顶板内预应力筋时因浇筑的混凝土进入波纹管内不能张拉。施工单位将顶板横桥向预应力筋堵塞处的混凝土开槽，将包裹预应力筋的混凝土凿除，以便能够张拉预应力筋。槽宽平均宽度为15 cm，槽深13 cm。现场大面积范围内横桥向顶板内预应力筋在距端部一段距离后开始堵塞，几乎每处预应力筋处都开槽，槽间距同预应力筋间距，如图2所示。仅较小范围内预应力筋未堵塞，不开槽。
图1 桥面板横向截面图（单位：cm）Fig.1 Cross-sectional view of bridge deck（unit：cm）
图2 施工现场桥面板开槽状况Fig.2 Slotting condition of bridge deck at the construction site
2.1 加固处理思路
顶板横桥向预应力筋堵塞处混凝土开槽后，原配置预应力筋能够张拉。若张拉完预应力筋后仅将开槽处混凝土补浇，存在以下问题：
（1）混凝土开槽后预应力筋张拉时因混凝土开槽截面削弱，截面上应力状态与原设计不同。
（2）预应力张拉完成后浇筑的开槽处混凝土无预压应力，截面上应力状态与原设计不同；
在桥梁后续荷载作用下不能保证桥面板的抗裂性能和承载力。
（3）开槽处补浇混凝土与原混凝土结合面较小，难与原结构形成一个整体，且在温度及收缩作用下容易出现开裂。
原设计桥面上有17 cm厚混凝土铺装层，包含10 cm厚沥青混凝土、防水层和7 cm厚混凝土垫层。此部分是作为荷载作用在结构上。加固设计的思路是板顶7 cm厚的混凝土垫层变为结构层。在原桥面板顶面新浇7 cm厚配筋混凝土叠合层代替原设计7 cm厚混凝土垫层，通过设置插筋，将后浇层和原桥面板连接成为整体。为保证使用阶段的抗裂性能，在每个开槽处补加部分预应力筋。通过此种加固方式，桥面板的总厚度和桥面荷载没有增加，开槽后张拉的原预应力筋和补加的预应力筋共同保证了结构在使用阶段的抗裂性能；
桥面板结构层厚度增大，后浇的叠合层内新增板顶钢筋保证并提高了结构施工阶段和使用阶段的承载能力。
2.2 加固方案
先对堵塞处横桥向波纹管处混凝土进行开槽处理，处理完成后张拉原顶板横向预应力筋。在原横向预应力筋上方原纵向钢筋位置处增加1-1Φs15.2@500无粘结预应力筋；
然后在原桥面板顶面浇筑7 cm厚混凝土配筋叠合层；
设置新旧混凝土结合面插筋12@45×50；
在叠合层顶面设置16@15的双向非预应力筋（图3—图5）。待浇筑的槽内和叠合层内混凝土达到设计强度后，张拉增设的预应力筋，完成加固施工。
图3 已开槽截面插筋及叠合层配筋（单位：cm）Fig.3 The steel dowels of slotted section and composite layer reinforcement（Unit：cm）
图4 未开槽截面插筋及叠合层配筋（单位：cm）Fig.4 The steel dowels of unslotted section and composite layer reinforcement（Unit：cm）
图5 横向板顶叠合层配筋及插筋做法（单位：cm）Fig.5 The practice of steel dowels and inserting bars in the composite layer on the top of the transverse slab（Unit：cm）
2.2.1 原顶板横向预应力筋的张拉
因桥面板沿横桥向多处开槽，预应力筋的张拉和原设计不同。桥面板截面削弱，预应力筋在顶板中产生的预压应力、拉应力和原设计不同，应进行计算确保在顶板横桥向截面削弱的情况下，受压区边缘混凝土不被压碎，受拉区混凝土不开裂，计算见下文。另从施工现场看到，多处两个槽间的混凝土因缺陷也多处凿洞（图6），施工时应首先对槽间混凝土的洞口及缺陷用C50混凝土修补，保证预应力筋张拉时混凝土截面足够，不至于产生因局部截面太小产生混凝土被压碎的现象。
图6 槽间混凝土凿洞Fig.6 Digging holes between the concrete grooves
2.2.2 顶板横桥向预应力筋的张拉顺序
因预应力筋堵塞混凝土开槽后张拉原顶板横桥向预应力筋时，顶板横桥向截面因开槽削弱，顶板刚度较原设计减少，会产生预应力筋的压缩损失。为减少此不利影响，施工时应采取分批张拉预应力筋的方法，张拉完一批预应力筋后就浇筑上面的叠合层混凝土，待叠合层混凝土达到设计强度后，再张拉第二批预应力筋。后张拉的预应力筋进行张拉时，先批张拉预应力筋所在区域因后浇叠合层混凝土刚度增大，有利于预应力的建立。从理论上讲，分多批，间隔张拉槽内预应力筋是最有利的，但此做法增加了施工工期，且多批浇筑叠合层混凝土会产生多道施工缝，增加施工难度且接缝处连接质量不易保证。基于施工工期要求以及桥面板施工阶段抗裂度要求，本工程分两批张拉预应力筋，分批顺序见图7。施工顺序如下：
图7 原顶板内横桥向板顶预应力筋张拉分批顺序（单位：cm）Fig.7 Batch sequence for tensioning of prestressed tendons at the top of the initial transverse slab（Unit：cm）
（1）张拉第一批横桥向板顶预应力筋，张拉完毕后浇筑预应力筋所在区域槽内及板顶上7 cm厚混凝土后浇层；
（2）待第一批后浇混凝土达到设计强度后张拉第二批横桥向板顶预应力筋；
（3）浇筑第二批横桥向板顶预应力筋所在区域槽内及顶板上后浇层混凝土7 cm厚；
（4）待第二批浇筑的后浇混凝土达到设计强度后张拉所有新增预应力筋。
2.2.3 后浇叠合层的处理措施
设计中后浇7 cm厚混凝土叠合层要成为结构层，和原混凝土共同工作，承担后续荷载。施工中应采取以下措施保证新老混凝土共同工作：
（1）清除所有槽洞内的碎石沙砾、浮渣和粉尘，并用压力水冲洗干净，保证新浇混凝土能密实填满已开的槽洞，浇筑混凝土前，槽洞内结合面应保持湿润，但不得有积水。
（2）对桥面顶板新老混凝土结合面进行处理：对混凝土进行修整露出骨料新面后，尚应采用花锤、砂轮机或高压水射流进行打毛或凿成沟槽，在完成打毛或沟槽后，应用钢丝刷等工具清除原构件混凝土表面松动的骨料、沙砾、浮渣和粉尘，并用清洁的压力水冲洗干净，并涂刷界面结合剂或素水泥浆一道（水泥浆用水泥应与后浇混凝土用水泥一致）。
（3）已开槽处增加插筋锚入新浇混凝土中，未开槽处增加插筋植入混凝土中，增加新老混凝土结合面抗剪能力，保证新老混凝土共同工作的实现。插筋的设置见图3—图5。
根据加固处理方案及施工过程，横桥向桥面顶板受力分两个阶段：
第一阶段：后浇的7 cm厚叠合层混凝土未达到强度设计值之前的阶段。此阶段的荷载由原桥面顶板承担。荷载包括开槽后桥面顶板自重、7 cm厚叠合层自重。此阶段内张拉原横桥向顶板内预应力筋。
第二阶段：叠合层混凝土达到强度设计值之后的阶段。此阶段的荷载由叠合后的顶板承担。荷载包括桥面板顶面面层等自重、施工阶段的活荷载或使用阶段的活荷载（车道荷载、车辆荷载）。此阶段张拉增加的顶板内预应力筋。
将原桥面板上7 cm厚混凝土垫层改为结构层，桥面板结构层厚度增大，承受的荷载大小不变，承载力较原设计有所增强，能够满足结构承载力要求。但因预应力张拉施工过程发生改变且板面多处开槽，对横桥向桥面顶板抗裂会产生影响，故应通过计算保证施工阶段及使用阶段抗裂能够满足要求。
3.1 槽内预应力筋张拉完成后顶板应力计算
桥面板横桥向为两端带悬挑的7跨连续板，每跨跨度为370～420 cm，两端悬臂宽度最大为385 cm，悬臂部分根部承受内力最大，计算复核以悬臂部分根部截面（h=60 cm，图8）为例进行说明。
图8 桥面板横桥向两端悬挑部分计算简图（单位：cm）Fig.8 Calculation diagram of the cantilever part at both cantilever parts of the transverse slab（Unit：cm）
桥面板上沿横桥向开槽每个槽宽度约15 cm，开槽深度13 cm，按每束横向预应力筋都开槽间距50 cm最不利情况计算，开槽后悬臂根部截面如图9所示；
取100 cm板宽进行计算，简化计算截面如图10所示。简化后计算截面在顶板自重作用下及原预应力筋张拉完成后的应力见表1。
表1 槽内原预应力筋张拉完成时计算截面应力Table 1 The calculated section stress when original prestressed tendons in the groove are tensioned
图9 开槽后顶板计算截面（单位：cm）Fig.9 Calculated section of top slab after grooving（Unit：cm）
图10 开槽后顶板简化计算截面（单位：cm）Fig.10 Simplified calculation section of top slab after grooving（Unit：cm）
原桥面顶板横桥向悬臂根部计算截面在顶板自重、原预应力筋张拉完成时截面上边缘最大压应力：
式中，f"ck为施工阶段混凝土轴心抗压标准值。
保证原顶板槽内预应力筋张拉完成时混凝土不会被压坏。
截面下边缘最大拉应力：
保证原顶板槽内预应力筋张拉完成时受拉混凝土不会开裂，满足抗裂要求。
3.2 桥面板顶浇筑叠合层后顶板应力计算
桥面板顶浇筑7 cm厚混凝土后浇层，混凝土还没达到设计强度时，7 cm厚混凝土后浇层是作为荷载作用在原结构层上，此时原桥面顶板横桥向悬臂根部计算截面下边缘受拉区拉应力减少，上边缘原受压区压应力减少甚至受拉，计算结果见表2。
表2 板顶新浇7 cm混凝土叠合层时计算截面应力Table 2 The calculated section stress when 7 cm concrete composite layer is newly poured on top slab
由于预应力损失，预应力筋在截面上边缘产生的预压应力减少。原桥面顶板横桥向悬臂根部计算截面在顶板自重、原预应力张拉并产生预应力损失、叠合层自重作用下截面上边缘应力：
因此，板顶新浇7 cm厚叠合层后截面上边缘混凝土仍处于受压状态，不开裂，满足抗裂要求。
3.3 新增预应力筋张拉完成后顶板应力计算
在原预应力筋上方纵向钢筋位置增加无粘结1860级钢绞线1-1Φj15.2@50，100cm宽度范围内2根预应力筋，此阶段顶板计算截面如图11所示。新增预应力筋距离顶板4+1.6-3.2/2+70=11 cm（波纹管直径3.2 cm），预应力筋张拉至0.75fptk，计算新增预应力筋张拉完成（未锚固）时板顶上边缘混凝土最大压应力，计算结果见表3。
表3 新增预应力筋张拉完成时顶板计算截面应力Table 3 The calculated section stress of top slab when the newly added prestressed tendons are tensioned
图11 叠合后新增预应力筋张拉时顶板计算截面（单位：cm）Fig.11 The calculated section of the top slab when the prestressed tendons are added after composite（Unit：cm）
由于新增预应力筋张拉在叠合后顶板计算截面上边缘产生的压应力：
保证叠合后新桥面板顶板新增预应力筋张拉完成时混凝土不会被压坏。
3.4 加固完成后正常使用阶段顶板应力计算
加固完成后正常使用阶段增加的恒载为顶板上面层荷载为10 cm沥青混凝土面层、防撞护栏重；
活荷载为车辆荷载（比施工活荷载大，取大值）。该桥梁汽车荷载为城市A级，在悬臂板宽度范围内只能布置一列车辆，如图12所示。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2018）4.2.5计算悬臂部分根部计算截面弯矩。计算结果见表4。
表4 正常使用阶段顶板计算截面应力Table 4 The calculated section stress of top slab in the normal use phase
图12 桥面板悬臂部分车辆荷载横向布置（单位：cm）Fig.12 Lateral arrangement of vehicle load on cantilever part of bridge deck（Unit：cm）
在频遇组合作用及新增预应力筋作用下计算截面上边缘拉应力：
在准永久组合作用及新增预应力筋作用下截面下边缘应力：
因此，桥面顶板经加固处理后在结构自重、车辆荷载作用下的正常使用阶段抗裂能达到A类预应力混凝土构件要求，不开裂。
根据上述验算，加固处理方案能保证施工阶段及使用阶段抗裂度及承载力满足要求。
（1）桥梁横向预应力筋堵塞时，可采用在堵塞处对顶板进行开槽处理，重新张拉原预应力筋，后在板顶新增叠合层并补增预应力筋的方法进行加固。
（2）原预应力筋和后增加的预应力筋应能共同保证施工阶段和使用阶段的抗裂性能满足要求。
（3）原顶板横桥向预应力筋的张拉宜分多批次进行。分批次数基于施工工期要求以及桥面板施工阶段抗裂度要求确定。
（4）本加固方法用板顶新增叠合层替代原板顶混凝土垫层，荷载未变、桥面板结构层厚度增大，提高了构件承载力，是经济实用的加固方法。
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