橋梁的施工技術
2010-12-28
一、工程概況
某大橋是某某東繞城高速公路的重要組成部分，上部結構為五跨連續(xù)箱梁，等截面預應力混凝土結構，下部為樁柱式結構?？鐝浇M成25.5m＋40m＋63m＋40m＋40m，全長208.5m.橋梁為雙幅六車道分離式橋梁。設計荷載標準為汽車－超20級，掛車－120.該橋箱梁采用單箱雙室斷面，頂寬12.5m，底寬8.0m，兩側懸臂長2.75m.梁高2.7m，邊腹板厚70厘米，中腹板厚30厘米，頂?shù)装搴?0厘米。預應力箱梁采用50號混凝土。腹板縱向預應力鋼束采用12－7Φ5高強鋼絞線，頂?shù)装蹇v向預應力鋼束采用15－7Φ5高強鋼絞線，Ryb＝1860Mpa，錨具為VLM15－12、15錨固體系。箱梁采用整體現(xiàn)澆進行施工，先施工澆筑63米中跨部分，張拉預應力鋼束，采用兩端張拉方式；然后施工澆筑次中跨部分，張拉預應力鋼束，采用單端張拉方式；最后施工澆筑邊跨部分，張拉預應力鋼束，采用單端張拉方式。主墩墩身采用鋼筋混凝土變截面方柱式墩，基礎采用群樁基礎。
二、設計依據(jù)
2.1《某橋設計施工圖》。
2.2 某大橋施工監(jiān)理單位《某大橋施工情況》。
2.3 設計規(guī)范與標準交通部部頒《公路工程技術標準》（JTJ001－97）；交通部部頒《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ021－89）；交通部部頒《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ023－85）；交通部部頒《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTJ024－85）；交通部部頒《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ041－2000）；交通部部頒《公路工程抗震設計規(guī)范》（JTJ004－89）；交通部部頒《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》（JTJ073－96）；中國工程建設標準化協(xié)會標準《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》（送審稿）2001年3月。
三、施工現(xiàn)狀
某大橋由某路橋總公司某高速一標項目經(jīng)理部橋梁分部施工。在右－2段箱梁（9－9截面）施工中，內側腹板R4鋼束的鋼束引伸量僅達到設計值的50％，且已進行灌漿處理。施工未達到設計要求。為此，必須進行必要的補強設計與施工。
四、驗標結果
依據(jù)原設計文件及施工現(xiàn)狀：分別采用QJX程序和Super Sap程序進行平面桿系以及空間結構分析。分析驗算結果表明，在最不利荷載組合下，次中跨（1、2號墩之間）跨中部位下緣和1號墩墩頂部位上緣未出現(xiàn)拉應力，但幾乎已沒有應力儲備。與原設計思想比較，該橋在最不利荷載下應有一定的應力儲備，由于施工張拉不到位，此兩處截面與全橋的應力儲備、安全度不協(xié)調，應力儲備已喪失殆盡，與全橋其它部位相比屬薄弱截面，對橋梁的耐久性、安全度會有一定的影響。
五、補強設計基本思路
根據(jù)對該橋所作的結構復核計算情況，結合現(xiàn)場施工狀況（除右－2段箱梁，內側腹板R4鋼束施工不正常外，該橋施工均能滿足設計及有關規(guī)范、規(guī)程的要求為基礎），需對本橋局部（第二跨）進行補強，以確保結構滿足設計要求。經(jīng)分析比較，根據(jù)現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范的規(guī)定，考慮本橋的實際受力狀況，本次補強設計共提出體外預應力與粘貼鋼板及碳纖維兩種補強方案。體外預應力方案為主動加力方案，但施工難度較大，營運期間需對體外束定期進行檢查與維護；粘貼鋼板及碳纖維方案為被動加力方案，但施工方便，營運期間無需進行維護。
方案一：體外預應力方案。本方案為主動加力方案，就是在預應力鋼束R4張拉未滿足設計要求的部位新增體外預應力，使本橋現(xiàn)有的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)提高到設計要求的水平。
方案二：粘貼鋼板和碳纖維方案本方案為被動加力方案，一是在1號墩截面上緣粘貼鋼板，二是在第二跨箱梁底面沿橋軸線方向粘貼碳纖維布，使本橋現(xiàn)有的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)提高到設計要求的水平。
六、補強主要材料
方案一
1、混凝土所有齒板均采用50號混凝土，其質量要求符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》JTJ041－2000的要求。
2、普通鋼筋設計采用Ⅰ級和Ⅱ級兩種，必須符合國家標準（GB1499－84）的有關規(guī)定。
3、預應力鋼材設計采用環(huán)氧全涂裝無粘鋼絞線，成品束型號OVM－SⅢ，（符合ASTM A416－90A標準，單根絞線公稱直徑15.24mm，截面積140mm2，標準強度Ryb＝1860Mpa，彈性模量1.95×105MPa），涂裝后19Ф15.24成品束外徑125mm.
4、錨具采用OVM.TS15－19型錨具。
5、鋼材采用A3鋼。
6、其它植筋：采用K801膠或Hilti HiT－HY150膠。錨栓、錨卡：采用Hilti HAD－T－M16專用錨栓、錨卡。防腐材料：采用弗力維系列專用鋼結構防腐材料。
方案二
1、碳纖維：采用C－30型碳纖維布，厚度0.167mm，抗拉強度標準值≥3400MPa；彈性模量≥2.0×105 MPa；延伸率≥1.4%.
2、粘貼碳纖維材料：采用配套的專用底層樹脂、找平材料及浸漬樹脂。
3、鋼板：采用M16鋼材。
4、螺栓：采用M16高強螺栓。
5、粘貼鋼板材料：采用環(huán)氧膠泥。
七、補強施工主要步驟方案
方案一：體外預應力方案
1、補強方法針對該橋的設計、施工現(xiàn)狀，并結合對橋梁的結構復核計算的情況，本方案采取箱內增加體外預應力的方法，使箱梁應力達到原設計要求。
2、修復補強順序本橋修復補強分階段進行。第一階段：1號墩支點截面橫隔梁鉆孔（用于通過鋼絞線）；第二階段：新增箱內混凝土齒板、鋼轉向塊；第三階段：張拉預應力鋼束；第四階段：防腐處理及清理施工垃圾。其具體施工順序如下：前期準備 → 搭設施工平臺 →箱梁橫隔梁鉆孔→種植齒板鋼筋及安放鋼轉向塊 → 澆注混凝土 → 穿束→ 張拉體外束 → 防腐處理 → 清除施工垃圾。
方案二：粘貼鋼板和碳纖維方案
1、補強方法針對該橋的設計、施工現(xiàn)狀，并結合對橋梁的結構復核計算的情況，本方案采取在1號墩支點截面上緣粘貼鋼板和在第二跨（次中跨）箱梁底面粘貼碳纖維的方法，使箱梁的極限承載力狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)得以較大改善。
2、修復補強順序本橋修復補強分階段進行。第一階段：搭設施工支架、平臺；第二階段：第二跨（次中跨）底板粘貼碳纖維布；第三階段：1號墩支點截面上緣粘貼鋼板條；第四階段：箱梁表面涂裝；第五階段：拆除施工支架、平臺，清除施工垃圾。其具體施工順序如下：前期準備 → 搭設施工平臺 →底板粘貼碳纖維布→支點頂面粘貼鋼板條→ 緊固鋼板條錨固螺栓 → 箱梁表面涂裝 → 拆除施工支架、平臺，清除施工垃圾。
八、補強施工工藝
方案一：體外預應力方案
1、種植鋼筋，澆筑齒板
1.1、放樣，按補強施工圖紙所給出齒板的位置及尺寸進行平面放樣，具體位置標明。
1.2、鉆孔及孔內處理，依據(jù)施工圖布置，在做新增齒板的位置鉆深度16厘米，直徑約為18～20毫米的盲孔，用壓縮空氣清除孔內浮塵；
1.3、鑿毛接觸面混凝土；
1.4、種植門式錨筋及單根錨筋：用801膠或Hilti HiT-HY150膠種植門式錨筋及單根錨筋；將高強粘結劑置入注射器中，從盲孔底部開始，將藥劑注入孔中，以確保完全填充。除去錨筋銹斑及雜物，將錨筋緩緩插入盲孔底，其在盲孔內長度不小于15厘米。植筋應進行現(xiàn)場力學性能試驗，當鋼筋抗拉應力超過200MPa時，植筋錨固必須完好。
1.5、焊接鋼筋，形成骨架網(wǎng)；
1.6、澆筑齒板：骨架形成后，按照齒板的形狀立模，然后澆筑混凝土，形成齒板。注意澆筑時混凝土配合比，加強振搗使混凝土密實，避免空洞及蜂窩麻面的發(fā)生。
1.7、齒板養(yǎng)生：澆筑好新增齒板后應加強養(yǎng)生，使其立方體強度達到85％以上后，方可進行張拉工作。
2、安裝鋼轉向塊。
2.1、依據(jù)圖紙放樣；
2.2、用Hilti特制鉆頭鉆孔；
2.3、清孔；
2.4、用安裝工具安裝HAD－T－M16錨栓、錨卡；
2.5、安放鋼轉向塊，并用環(huán)氧樹脂將鋼轉向塊與混凝土粘貼；
2.6、緊固螺帽。
3、張拉、錨固鋼束、齒板封錨及防腐箱內體外預應力束鋼絞線采用標準強度1860MPa，直徑φj15.24高強低松弛的環(huán)氧涂層無粘結鋼絞線，型號OVM－SⅢ。其預應力布設方式見設計圖。穿布新增預應力束：預應力束選用環(huán)氧全涂裝無粘結筋，具體類型采用OVM-SⅢ型，即無粘結鋼絞線束置于PE管中，管內填充環(huán)氧樹脂被覆膜，高強鋼絲之間涂一層油脂層。錨具采用OVM.TS15-19型。因新增預應力束和箱梁頂板、底板或腹板相距很近，穿束時注意不要損壞鋼絞線外的PE護套。張拉預應力束：預應力束穿束就位后，混凝土強度達到設計值的85％后，可進行張拉。錨下控制應力為1116MPa.預應力束的張拉應嚴格按《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ041-2000）中的有關技術要求進行，張拉機具應到有資質的單位進行標定，張拉嚴格以噸位和引伸量雙控，張拉過程中應對新增齒板區(qū)域和轉向塊區(qū)域進行觀測，以防止意外發(fā)生并檢驗補強效果，如有異常情況發(fā)生，應立即停止張拉。封錨、鋼轉向塊防護及體外預應力束防護：體外預應力束張拉完成后，應給錨具套上凹形模套，按廠家要求封錨。鋼轉向塊首先進行除銹處理，然后均勻涂刷環(huán)氧樹脂，最后涂刷弗力維系列專用鋼結構防腐材料。還應定期檢查鋼轉向塊的銹蝕情況及鋼絞線的損壞情況。
方案二：粘貼鋼板和碳纖維方案
1、粘貼碳纖維布采用粘貼碳纖維布補強第二跨（次中跨）箱梁，使碳纖維布承受拉應力，與混凝土變形協(xié)調，共同受力。本次補強僅在第二跨跨中20.0米范圍內粘貼碳纖維布。
1.1 材料碳纖維布的主要性能指標應滿足以下要求：抗拉強度標準值≥3400MPa；彈性模量≥2.0×105 MPa；延伸率≥1.4%.
1.2 施工步驟
1.2.1、施工準備；
1.2.2、混凝土表面處理；清除被補強范圍內箱梁表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層，并用修復材料將表面修復平整。按設計要求對裂縫進行灌縫或封閉處理。被粘貼混凝土表面應打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質，直至完全露出結構斷面。將混凝土表面清理干凈并保持干燥。
1.2.3、底層樹脂配制并涂刷；
1.2.4、找平材料配制并對不平整處修復處理； 混凝土表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有楞角。 轉角處應用找平材料修復為光滑的圓弧，半徑不小于20mm.
1.2.5、浸漬樹脂或粘貼樹脂的配制并涂刷；
1.2.6、粘貼碳纖維布；按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。配制浸漬樹脂并均勻涂抹于所要粘貼的部位。用特制的滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，并使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布。滾壓時不得損傷碳纖維布。第二層粘貼重復上述步驟，待纖維表面指觸干燥時即進行下一層的粘貼。在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
1.2.7、表面防護。
2、粘貼鋼板條貼鋼板法補強是在1號墩支點箱梁截面上緣用環(huán)氧樹脂膠泥粘貼鋼板條，用錨固螺桿將鋼板條與箱梁混凝土頂板固定來達到補強的目的。其中：鋼板采用M16鋼板，厚度為6毫米，寬度為8厘米；固定螺栓采用M16高強螺栓，粘結劑采用環(huán)氧漿液。
2.1 構件表面處理 為了得到良好的粘貼效果，首先必須對被粘貼區(qū)域混凝土表面進行處理，鏟除混凝土表面破碎部分，100％鑿平鑿毛，使骨料露出，局部凸凹處用鋼釬鑿平或用膠砂找平，再用鋼刷或壓縮空氣清除浮塵，或用噴砂技術處理表面。張貼前再用丙酮擦洗一遍。鋼板按所需尺寸切割成型，其粘貼面應刻痕，以增加粘結性能，鋼板表面先用汽油或丙酮洗去油污，再用噴砂法、砂輪打磨法或用鋼絲刷除銹，使表面露出光澤，用丙酮擦凈后，表面涂一層環(huán)氧樹脂薄漿保護起來。
2.2 環(huán)氧膠泥的配制 在環(huán)氧漿液配出后加入50克525＃水泥拌勻，用于粘貼鋼板條。環(huán)氧樹脂的拌制要嚴格把握配合比，按照樹脂生產(chǎn)廠的說明書規(guī)定的程序進行，要拌和均勻。一次拌和量不宜太多，隨拌隨用，最好在一小時內用完。添加水泥時，應邊攪拌邊加水泥，水泥應該用篩子篩過，以新生產(chǎn)的水泥為宜。配制時應邊配制邊使用，防止固化而影響粘結質量。若環(huán)氧水泥流動性大，可加入適量潔凈的干細砂，以增加環(huán)氧水泥的稠度，保證粘結質量。
2.3 粘貼鋼板條將環(huán)氧漿液均勻地抹在混凝土表面和鋼板條上，厚度為2毫米，使鋼板能粘貼牢固。隨后使鋼板密貼在混凝土面上。
2.4 檢查粘貼質量 鋼板粘貼成型后，用木槌輕敲鋼板檢查是否有空洞存在，若有則及時填充膠結劑，如果補救措施不能奏效則須將鋼板拆下，處理后重貼。
2.5 防腐處理 待環(huán)氧漿液凝固后清除鋼板表面油污，用鋼刷除銹，涂一層樹脂薄漿罩面，再涂防銹漆進行表面防護處理。
2.6 鉆孔用電錘在箱梁頂板指定位置上鉆孔，位置要求準確。鉆孔過程中鉆孔與原結構中的普通鋼筋和預應力管道不得相碰，施工中可按實際情況適當調整鉆孔位置。最后用壓縮空氣清除孔內浮塵。
2.7 粘貼鋼板壓條將加工好的鋼板壓條按預定位置擺好，將環(huán)氧漿液均勻地抹在混凝土表面和鋼板上，厚度為2毫米，隨后將鋼板壓條密貼在混凝土面上。
2.8 錨固螺栓粘貼鋼板條時，同時安裝高強螺母，用扳手擰緊螺母進行錨固加壓。在緊固螺母時，應及時檢查鋼板壓條是否和混凝土貼緊，如發(fā)現(xiàn)縫隙及時調整。螺栓不截斷，埋置與橋面調平層混凝土中。
3、箱梁表面裝飾處理箱體外表面需考慮裂縫封閉后箱外梁體表面的美觀。裝飾處理時，采用混凝土色涂裝涂料涂刷，要求色澤與箱梁原表面顏色相近，外觀平整。
九、施工要點
施工時除嚴格按交通部部頒《公路橋梁施工技術規(guī)范》JTJ041－2000有關要求外，尚應注意：
方案一：體外預應力方案
1、混凝土
1.1、混凝土澆注前應進行配合比試驗，以確?；炷恋母黜椫笜藵M足設計要求；
1.2、混凝土的水泥用量不宜超過500kg/m3；
1.3、混凝土澆注時，應根據(jù)現(xiàn)場情況采用附著式或插入式振搗器進行振搗。對于齒板與底板、腹板的連接處及預應力錨固區(qū)應特別注意振搗密實；
1.4、混凝土澆注完成并初凝后，應立即開始養(yǎng)生。
2、預應力鋼絞線
2.1、應按有關規(guī)定對每批鋼絞線抽檢強度、彈性模量、截面積、延伸量和硬度等；
2.2、無粘結鋼絞線在施工及搬運過程中，應注意對PE層的保護，力求避免碰傷PE層。
3、錨具
3.1、應逐個檢查墊板喇叭管內有無毛刺，對有毛刺者不準使用；
3.2、應抽樣檢查夾片硬度；
3.3、穿索前應清除喇叭管內雜物和漏漿。
4、預應力張拉質量控制
4.1、混凝土強度大于或等于85％的設計強度時才允許進行張拉；
4.2、預應力的張拉人員必須固定張拉，且應在有經(jīng)驗的預應力張拉工長的指導下進行，不允許臨時工承擔此項工作；
4.3、每次張拉應有完整的原始張拉記錄，且應在監(jiān)理在場的情況下進行；
4.4、預應力采用引伸量與張拉噸位雙控，以引伸量為主，引伸量誤差應在+10％～-5％范圍，每一截面的斷絲率不得大于該截面總鋼絲數(shù)的1％，且不允許整根鋼絞線拉斷。
方案二：粘貼鋼板和碳纖維方案
1、粘貼鋼板在整個操作過程中，施工人員必須按每個步驟嚴格操作。在涂抹環(huán)氧膠泥以前，鋼板必須清洗干凈，并用丙酮將處理過的部位擦洗一遍，做到鋼板和混凝土都絕對干凈。環(huán)氧膠泥必須涂抹均勻，并且在環(huán)氧漿液初凝前完成，鋼板粘上以后，不能使膠泥大量外流。
2、粘貼碳纖維2.1 碳纖維布為導電材料，使用碳纖維步時應盡量遠離電氣設備及電源。
2.2 使用過程中應避免碳纖維布的彎折。
2.3 碳纖維布的配套樹脂的原料應密閉封存，遠離火源，避免陽光直接照射。
2.4 樹脂的配置和使用場所，應保持通風良好。
2.5 現(xiàn)場的施工人員應根據(jù)使用樹脂材料采取相應的勞動保護措施。
2.6 碳纖維布和混凝土之間的粘結質量可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維布表面方法來判斷，總有效粘結面積不應低于95％。當碳纖維布的空鼓面積小于100平方厘米時，可采用針管注膠的方式進行補救。空鼓面積大于100平方厘米時，宜將空鼓處的碳纖維布切除，重新搭接貼上等厚的碳纖維布。
