桥梁的施工技术
2010-12-28
一、工程概况
某大桥是某某东绕城高速公路的重要组成部分，上部结构为五跨连续箱梁，等截面预应力混凝土结构，下部为桩柱式结构。跨径组成25.5m＋40m＋63m＋40m＋40m，全长208.5m.桥梁为双幅六车道分离式桥梁。设计荷载标准为汽车－超20级，挂车－120.该桥箱梁采用单箱双室断面，顶宽12.5m，底宽8.0m，两侧悬臂长2.75m.梁高2.7m，边腹板厚70厘米，中腹板厚30厘米，顶底板厚20厘米。预应力箱梁采用50号混凝土。腹板纵向预应力钢束采用12－7Φ5高强钢绞线，顶底板纵向预应力钢束采用15－7Φ5高强钢绞线，Ryb＝1860Mpa，锚具为VLM15－12、15锚固体系。箱梁采用整体现浇进行施工，先施工浇筑63米中跨部分，张拉预应力钢束，采用两端张拉方式；然后施工浇筑次中跨部分，张拉预应力钢束，采用单端张拉方式；最后施工浇筑边跨部分，张拉预应力钢束，采用单端张拉方式。主墩墩身采用钢筋混凝土变截面方柱式墩，基础采用群桩基础。
二、设计依据
2.1《某桥设计施工图》。
2.2 某大桥施工监理单位《某大桥施工情况》。
2.3 设计规范与标准交通部部颁《公路工程技术标准》（JTJ001－97）；交通部部颁《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021－89）；交通部部颁《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023－85）；交通部部颁《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024－85）；交通部部颁《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041－2000）；交通部部颁《公路工程抗震设计规范》（JTJ004－89）；交通部部颁《公路养护技术规范》（JTJ073－96）；中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（送审稿）2001年3月。
三、施工现状
某大桥由某路桥总公司某高速一标项目经理部桥梁分部施工。在右－2段箱梁（9－9截面）施工中，内侧腹板R4钢束的钢束引伸量仅达到设计值的50％，且已进行灌浆处理。施工未达到设计要求。为此，必须进行必要的补强设计与施工。
四、验标结果
依据原设计文件及施工现状：分别采用QJX程序和Super Sap程序进行平面杆系以及空间结构分析。分析验算结果表明，在最不利荷载组合下，次中跨（1、2号墩之间）跨中部位下缘和1号墩墩顶部位上缘未出现拉应力，但几乎已没有应力储备。与原设计思想比较，该桥在最不利荷载下应有一定的应力储备，由于施工张拉不到位，此两处截面与全桥的应力储备、安全度不协调，应力储备已丧失殆尽，与全桥其它部位相比属薄弱截面，对桥梁的耐久性、安全度会有一定的影响。
五、补强设计基本思路
根据对该桥所作的结构复核计算情况，结合现场施工状况（除右－2段箱梁，内侧腹板R4钢束施工不正常外，该桥施工均能满足设计及有关规范、规程的要求为基础），需对本桥局部（第二跨）进行补强，以确保结构满足设计要求。经分析比较，根据现行桥梁设计规范的规定，考虑本桥的实际受力状况，本次补强设计共提出体外预应力与粘贴钢板及碳纤维两种补强方案。体外预应力方案为主动加力方案，但施工难度较大，营运期间需对体外束定期进行检查与维护；粘贴钢板及碳纤维方案为被动加力方案，但施工方便，营运期间无需进行维护。
方案一：体外预应力方案。本方案为主动加力方案，就是在预应力钢束R4张拉未满足设计要求的部位新增体外预应力，使本桥现有的承载力极限状态和正常使用极限状态提高到设计要求的水平。
方案二：粘贴钢板和碳纤维方案本方案为被动加力方案，一是在1号墩截面上缘粘贴钢板，二是在第二跨箱梁底面沿桥轴线方向粘贴碳纤维布，使本桥现有的承载力极限状态和正常使用极限状态提高到设计要求的水平。
六、补强主要材料
方案一
1、混凝土所有齿板均采用50号混凝土，其质量要求符合《公路桥涵施工技术规范》JTJ041－2000的要求。
2、普通钢筋设计采用Ⅰ级和Ⅱ级两种，必须符合国家标准（GB1499－84）的有关规定。
3、预应力钢材设计采用环氧全涂装无粘钢绞线，成品束型号OVM－SⅢ，（符合ASTM A416－90A标准，单根绞线公称直径15.24mm，截面积140mm2，标准强度Ryb＝1860Mpa，弹性模量1.95×105MPa），涂装后19Ф15.24成品束外径125mm.
4、锚具采用OVM.TS15－19型锚具。
5、钢材采用A3钢。
6、其它植筋：采用K801胶或Hilti HiT－HY150胶。锚栓、锚卡：采用Hilti HAD－T－M16专用锚栓、锚卡。防腐材料：采用弗力维系列专用钢结构防腐材料。
方案二
1、碳纤维：采用C－30型碳纤维布，厚度0.167mm，抗拉强度标准值≥3400MPa；弹性模量≥2.0×105 MPa；延伸率≥1.4%.
2、粘贴碳纤维材料：采用配套的专用底层树脂、找平材料及浸渍树脂。
3、钢板：采用M16钢材。
4、螺栓：采用M16高强螺栓。
5、粘贴钢板材料：采用环氧胶泥。
七、补强施工主要步骤方案
方案一：体外预应力方案
1、补强方法针对该桥的设计、施工现状，并结合对桥梁的结构复核计算的情况，本方案采取箱内增加体外预应力的方法，使箱梁应力达到原设计要求。
2、修复补强顺序本桥修复补强分阶段进行。第一阶段：1号墩支点截面横隔梁钻孔（用于通过钢绞线）；第二阶段：新增箱内混凝土齿板、钢转向块；第三阶段：张拉预应力钢束；第四阶段：防腐处理及清理施工垃圾。其具体施工顺序如下：前期准备 → 搭设施工平台 →箱梁横隔梁钻孔→种植齿板钢筋及安放钢转向块 → 浇注混凝土 → 穿束→ 张拉体外束 → 防腐处理 → 清除施工垃圾。
方案二：粘贴钢板和碳纤维方案
1、补强方法针对该桥的设计、施工现状，并结合对桥梁的结构复核计算的情况，本方案采取在1号墩支点截面上缘粘贴钢板和在第二跨（次中跨）箱梁底面粘贴碳纤维的方法，使箱梁的极限承载力状态和正常使用极限状态得以较大改善。
2、修复补强顺序本桥修复补强分阶段进行。第一阶段：搭设施工支架、平台；第二阶段：第二跨（次中跨）底板粘贴碳纤维布；第三阶段：1号墩支点截面上缘粘贴钢板条；第四阶段：箱梁表面涂装；第五阶段：拆除施工支架、平台，清除施工垃圾。其具体施工顺序如下：前期准备 → 搭设施工平台 →底板粘贴碳纤维布→支点顶面粘贴钢板条→ 紧固钢板条锚固螺栓 → 箱梁表面涂装 → 拆除施工支架、平台，清除施工垃圾。
八、补强施工工艺
方案一：体外预应力方案
1、种植钢筋，浇筑齿板
1.1、放样，按补强施工图纸所给出齿板的位置及尺寸进行平面放样，具体位置标明。
1.2、钻孔及孔内处理，依据施工图布置，在做新增齿板的位置钻深度16厘米，直径约为18～20毫米的盲孔，用压缩空气清除孔内浮尘；
1.3、凿毛接触面混凝土；
1.4、种植门式锚筋及单根锚筋：用801胶或Hilti HiT-HY150胶种植门式锚筋及单根锚筋；将高强粘结剂置入注射器中，从盲孔底部开始，将药剂注入孔中，以确保完全填充。除去锚筋锈斑及杂物，将锚筋缓缓插入盲孔底，其在盲孔内长度不小于15厘米。植筋应进行现场力学性能试验，当钢筋抗拉应力超过200MPa时，植筋锚固必须完好。
1.5、焊接钢筋，形成骨架网；
1.6、浇筑齿板：骨架形成后，按照齿板的形状立模，然后浇筑混凝土，形成齿板。注意浇筑时混凝土配合比，加强振捣使混凝土密实，避免空洞及蜂窝麻面的发生。
1.7、齿板养生：浇筑好新增齿板后应加强养生，使其立方体强度达到85％以上后，方可进行张拉工作。
2、安装钢转向块。
2.1、依据图纸放样；
2.2、用Hilti特制钻头钻孔；
2.3、清孔；
2.4、用安装工具安装HAD－T－M16锚栓、锚卡；
2.5、安放钢转向块，并用环氧树脂将钢转向块与混凝土粘贴；
2.6、紧固螺帽。
3、张拉、锚固钢束、齿板封锚及防腐箱内体外预应力束钢绞线采用标准强度1860MPa，直径φj15.24高强低松弛的环氧涂层无粘结钢绞线，型号OVM－SⅢ。其预应力布设方式见设计图。穿布新增预应力束：预应力束选用环氧全涂装无粘结筋，具体类型采用OVM-SⅢ型，即无粘结钢绞线束置于PE管中，管内填充环氧树脂被覆膜，高强钢丝之间涂一层油脂层。锚具采用OVM.TS15-19型。因新增预应力束和箱梁顶板、底板或腹板相距很近，穿束时注意不要损坏钢绞线外的PE护套。张拉预应力束：预应力束穿束就位后，混凝土强度达到设计值的85％后，可进行张拉。锚下控制应力为1116MPa.预应力束的张拉应严格按《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）中的有关技术要求进行，张拉机具应到有资质的单位进行标定，张拉严格以吨位和引伸量双控，张拉过程中应对新增齿板区域和转向块区域进行观测，以防止意外发生并检验补强效果，如有异常情况发生，应立即停止张拉。封锚、钢转向块防护及体外预应力束防护：体外预应力束张拉完成后，应给锚具套上凹形模套，按厂家要求封锚。钢转向块首先进行除锈处理，然后均匀涂刷环氧树脂，最后涂刷弗力维系列专用钢结构防腐材料。还应定期检查钢转向块的锈蚀情况及钢绞线的损坏情况。
方案二：粘贴钢板和碳纤维方案
1、粘贴碳纤维布采用粘贴碳纤维布补强第二跨（次中跨）箱梁，使碳纤维布承受拉应力，与混凝土变形协调，共同受力。本次补强仅在第二跨跨中20.0米范围内粘贴碳纤维布。
1.1 材料碳纤维布的主要性能指标应满足以下要求：抗拉强度标准值≥3400MPa；弹性模量≥2.0×105 MPa；延伸率≥1.4%.
1.2 施工步骤
1.2.1、施工准备；
1.2.2、混凝土表面处理；清除被补强范围内箱梁表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出结构断面。将混凝土表面清理干净并保持干燥。
1.2.3、底层树脂配制并涂刷；
1.2.4、找平材料配制并对不平整处修复处理； 混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有楞角。 转角处应用找平材料修复为光滑的圆弧，半径不小于20mm.
1.2.5、浸渍树脂或粘贴树脂的配制并涂刷；
1.2.6、粘贴碳纤维布；按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位。用特制的滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，并使浸渍树脂充分浸透碳纤维布。滚压时不得损伤碳纤维布。第二层粘贴重复上述步骤，待纤维表面指触干燥时即进行下一层的粘贴。在最后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。
1.2.7、表面防护。
2、粘贴钢板条贴钢板法补强是在1号墩支点箱梁截面上缘用环氧树脂胶泥粘贴钢板条，用锚固螺杆将钢板条与箱梁混凝土顶板固定来达到补强的目的。其中：钢板采用M16钢板，厚度为6毫米，宽度为8厘米；固定螺栓采用M16高强螺栓，粘结剂采用环氧浆液。
2.1 构件表面处理 为了得到良好的粘贴效果，首先必须对被粘贴区域混凝土表面进行处理，铲除混凝土表面破碎部分，100％凿平凿毛，使骨料露出，局部凸凹处用钢钎凿平或用胶砂找平，再用钢刷或压缩空气清除浮尘，或用喷砂技术处理表面。张贴前再用丙酮擦洗一遍。钢板按所需尺寸切割成型，其粘贴面应刻痕，以增加粘结性能，钢板表面先用汽油或丙酮洗去油污，再用喷砂法、砂轮打磨法或用钢丝刷除锈，使表面露出光泽，用丙酮擦净后，表面涂一层环氧树脂薄浆保护起来。
2.2 环氧胶泥的配制 在环氧浆液配出后加入50克525＃水泥拌匀，用于粘贴钢板条。环氧树脂的拌制要严格把握配合比，按照树脂生产厂的说明书规定的程序进行，要拌和均匀。一次拌和量不宜太多，随拌随用，最好在一小时内用完。添加水泥时，应边搅拌边加水泥，水泥应该用筛子筛过，以新生产的水泥为宜。配制时应边配制边使用，防止固化而影响粘结质量。若环氧水泥流动性大，可加入适量洁净的干细砂，以增加环氧水泥的稠度，保证粘结质量。
2.3 粘贴钢板条将环氧浆液均匀地抹在混凝土表面和钢板条上，厚度为2毫米，使钢板能粘贴牢固。随后使钢板密贴在混凝土面上。
2.4 检查粘贴质量 钢板粘贴成型后，用木槌轻敲钢板检查是否有空洞存在，若有则及时填充胶结剂，如果补救措施不能奏效则须将钢板拆下，处理后重贴。
2.5 防腐处理 待环氧浆液凝固后清除钢板表面油污，用钢刷除锈，涂一层树脂薄浆罩面，再涂防锈漆进行表面防护处理。
2.6 钻孔用电锤在箱梁顶板指定位置上钻孔，位置要求准确。钻孔过程中钻孔与原结构中的普通钢筋和预应力管道不得相碰，施工中可按实际情况适当调整钻孔位置。最后用压缩空气清除孔内浮尘。
2.7 粘贴钢板压条将加工好的钢板压条按预定位置摆好，将环氧浆液均匀地抹在混凝土表面和钢板上，厚度为2毫米，随后将钢板压条密贴在混凝土面上。
2.8 锚固螺栓粘贴钢板条时，同时安装高强螺母，用扳手拧紧螺母进行锚固加压。在紧固螺母时，应及时检查钢板压条是否和混凝土贴紧，如发现缝隙及时调整。螺栓不截断，埋置与桥面调平层混凝土中。
3、箱梁表面装饰处理箱体外表面需考虑裂缝封闭后箱外梁体表面的美观。装饰处理时，采用混凝土色涂装涂料涂刷，要求色泽与箱梁原表面颜色相近，外观平整。
九、施工要点
施工时除严格按交通部部颁《公路桥梁施工技术规范》JTJ041－2000有关要求外，尚应注意：
方案一：体外预应力方案
1、混凝土
1.1、混凝土浇注前应进行配合比试验，以确保混凝土的各项指标满足设计要求；
1.2、混凝土的水泥用量不宜超过500kg/m3；
1.3、混凝土浇注时，应根据现场情况采用附着式或插入式振捣器进行振捣。对于齿板与底板、腹板的连接处及预应力锚固区应特别注意振捣密实；
1.4、混凝土浇注完成并初凝后，应立即开始养生。
2、预应力钢绞线
2.1、应按有关规定对每批钢绞线抽检强度、弹性模量、截面积、延伸量和硬度等；
2.2、无粘结钢绞线在施工及搬运过程中，应注意对PE层的保护，力求避免碰伤PE层。
3、锚具
3.1、应逐个检查垫板喇叭管内有无毛刺，对有毛刺者不准使用；
3.2、应抽样检查夹片硬度；
3.3、穿索前应清除喇叭管内杂物和漏浆。
4、预应力张拉质量控制
4.1、混凝土强度大于或等于85％的设计强度时才允许进行张拉；
4.2、预应力的张拉人员必须固定张拉，且应在有经验的预应力张拉工长的指导下进行，不允许临时工承担此项工作；
4.3、每次张拉应有完整的原始张拉记录，且应在监理在场的情况下进行；
4.4、预应力采用引伸量与张拉吨位双控，以引伸量为主，引伸量误差应在+10％～-5％范围，每一截面的断丝率不得大于该截面总钢丝数的1％，且不允许整根钢绞线拉断。
方案二：粘贴钢板和碳纤维方案
1、粘贴钢板在整个操作过程中，施工人员必须按每个步骤严格操作。在涂抹环氧胶泥以前，钢板必须清洗干净，并用丙酮将处理过的部位擦洗一遍，做到钢板和混凝土都绝对干净。环氧胶泥必须涂抹均匀，并且在环氧浆液初凝前完成，钢板粘上以后，不能使胶泥大量外流。
2、粘贴碳纤维2.1 碳纤维布为导电材料，使用碳纤维步时应尽量远离电气设备及电源。
2.2 使用过程中应避免碳纤维布的弯折。
2.3 碳纤维布的配套树脂的原料应密闭封存，远离火源，避免阳光直接照射。
2.4 树脂的配置和使用场所，应保持通风良好。
2.5 现场的施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。
2.6 碳纤维布和混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维布表面方法来判断，总有效粘结面积不应低于95％。当碳纤维布的空鼓面积小于100平方厘米时，可采用针管注胶的方式进行补救。空鼓面积大于100平方厘米时，宜将空鼓处的碳纤维布切除，重新搭接贴上等厚的碳纤维布。
