桥梁体外预应力施工技术.docx

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桥梁体外预应力施工技术

桥梁体外预应力加固技术

1体外预应力技术介绍

1.1概述

随着我国路网及交通运输业的快速发展，发现大量的桥梁经过一段时间的营运后，梁体出现裂缝、下扰等不同程度的病害，造成桥梁承载力明显下降，必须进行桥梁加固，提高桥梁承载力才能满足日益增大的交通量的需要。

旧桥加固成为一项迫在眉睫的新时期建设任务。

体外预应力体系是后预应力体系的重要的分支之一,是指将布置于承载结构主体之外的预应力筋施加预应力所形成的预应力结构体系。

桥梁体外预应力加固技术是一种主动的加固技术，通过预应力材料对桥梁结构受拉区施加预应力，消除部分荷载产生的不利力，提供结构的承载力。

体外预应力成为桥梁加固中最有效的加固技术之一，具有良好广泛的应用前景。

1.2体外预应力的特点

1.2.1体外预应力的优点

1、锚固构件尺寸小，自重增加少，但可有效的大幅提高承载能力。

2、简化预应力筋曲线，预应力筋仅在锚固处和转向处与结构相连，减小摩阻损失，提高预应力使用效率。

3、对原结构损伤小，不影响桥下净空。

4、预应力布置灵活，可以根据桥梁病害进行全桥加固也可以进行局部加固。

5、与混凝土无粘结，由荷载产生的应力变化分散在预应力筋全长上，应力变化值小，对结构受力有利。

6、索力根据情况可以进行调整，预应力索可以更换，便于使用期间进行维护。

1.2.2体外预应力的缺点

1、体外索布置在截面外，防腐、保护相对较困难，易受外界影响。

2、锚固及转向区域容易产生应力集中，局部应力大，锚固施工要求高。

3、体外索拉力较小，不能充分发挥体外索强度高的优点，对锚具及夹片的要求很高。

4、体外预应力筋的变形和混凝土的变形不一致，容易造成预应力损失。

1.3体外预应力的组成

体外预应力系统由锚固块、转向块、体外索、锚具、减振装置等主要5部分组成。

1.3.1锚具

体外预应力体系仅靠锚固端传力，因此体外预应力锚固体系的可靠性和安全性比一般体预应力锚固体系要高，需使用专用的体外索锚具和夹片。

体外预应力的锚具的外观尺寸较普通锚具更大，且还增加了一些辅助配件，如密封装置、防松装置、防护装置等。

1.3.2体外索

体外索主要有光面钢绞线、无粘结钢绞线、平行钢丝、成品索等类型。

体外索较多采用无粘结钢绞线，环氧喷涂带PE的单根钢绞线具有良好的耐腐蚀性能，不需要再进行防护，具有很好的适用性。

1.3.3锚固块及转向块

体外预应力体系仅靠锚固块及转向块传力，锚固块和转向块必须和原结构有效连接，传递应力，锚固块及转向块一般采用钢筋混凝土结构和钢结构。

钢筋混凝土结构锚固块采用在原桥结构上钻、种植钢筋、浇筑混凝土成型。

钢筋混凝土锚固块的外形及尺寸可以作的足够大，保证和原结构能够有效的连接，均匀的将应力传递到原结构，但是对混凝土浇筑质量要求格，在部分位置混凝土浇筑困难。

拉力大的锚固块均采用钢筋混凝土形式。

钢结构锚固块采用种植锚栓和灌注结构胶的式将钢锚箱固定在原结构上。

钢结构锚固块具有施工快捷的优点，锚固块能够工厂化加工。

但钢锚固块安装受原结构施工空间及自身重量的影响，在很多位置不能采用；钢锚固块仅靠锚栓和胶粘剂连接，传力较为集中，结合面容易产生裂缝，且安装很困难。

钢锚固块比较适合施工空间开阔且应力较小的小型锚固块。

1.3.4施工机具

体外索的拉机具根据拉的要求分单千斤顶和整体千斤顶。

单千斤顶用于施工空间狭小或分丝单拉的体外索，整体千斤顶用于整体拉的体外索。

简单介绍FASTEN环氧喷涂带PE钢绞线整体拉的拉体系：

FASTEN环氧喷涂带PE钢绞线为新产品，钢绞线的环氧涂层很厚，为避免工作夹片重复多次咬合钢绞线，造成夹片堵塞，引起滑丝现象，采用了拉期间工作夹片不受力的漂浮拉体系。

拉过程中，始终是工具锚1和工具锚2受力，工作锚始终不受力，不咬合钢绞线，直至拉完成后，使用整体顶压器顶压工作夹片，卸压回油后工作锚及工作夹片才锚固钢绞线。

1.4体外预应力的布置形式

根据原桥的结构形式、施工空间、桥梁病害情况以及采取的加固措施合理选用体外预应力的布置形势。

以体外索布置在结构上的位置分，有顶板体外索、腹板体外索、底板体外索等多种形式。

以体外索锚固的形式分，有钢结构锚固的体外索和混凝土结构锚固的体外索。

2体外预应力施工实例

2.1青弋江大桥

青弋江大桥其主桥为32.5米+2×50米+32.5米预应力混凝土变截面连续箱梁，桥面宽11.5米，箱梁在主墩处截面梁高2.8米，跨中截面梁高1.7米。

加固采用新增箱外腹板体外束，体外索线型和箱梁线型一致，为下弯连续式，通长设置，长度为165m，每侧腹板设置2对，钢束全部采用19Φj15.2mm规格的钢绞线束。

钢束的拉控制应力采用标准强度的70％，每束19Φj15.2mm规格钢束的拉力为3477kN。

检测发现桥的承载力明显不足，必须用主动的式提高承载力，而桥梁箱的空间有限，设计采用箱梁外腹板加厚20cm然后拉预应力的式进行加固，新增体外预应力的式比较特别。

体外索布置及拉端示意图

本桥的新增体外索为在箱梁外腹板新增截面增加预应力，新增腹板通过种植钢筋、浇筑新增混凝土的式将预应力传递原桥箱梁。

体外索的施工工艺和桥梁新建的后预应力法一致，故钢绞线的拉强度达到了材料强度的70％，在体外索施工中很少采用。

具体施工工艺为：

管道放样种植钢筋绑扎钢筋安装预应力管道

穿布钢绞线固定、封闭预应力管道安装模板浇筑混凝土

预紧钢绞线安装锚具拉预应力管道压浆封锚砼

2.2松花江大桥

市松花江特大桥全长1389米，共分38，分跨径为（南侧48.2+2×49m）+（30×32.67m）+（北侧4×49+48.2m），南、北两侧的主跨为预应力混凝土变截面连续梁，其余为预应力混凝土简支T梁，加固部位为变截面连续梁部分。

本桥为连续箱梁挂T梁的形式，体外索直接加在T梁的两侧，实际上就是T梁加固。

采用OVM.TSK型体外预应力锚具可以进行换索，可以调整索力，属于可换可调型，能够适应以后桥梁的维护；OVM-SIII型体外索为成品索，具有良好的抗侵蚀能力，能够适应具有重侵蚀性的恶劣环境。

边跨采用OVM-SIII7-15.24钢索，配合OVM.TSK15-7锚具；中跨则采用OVM-SIII12-15.24钢索，配合OVM.TSK15-12锚具。

在每个预制T梁的两侧各布设1根，每跨各10根。

体外束在T梁的梁端腹板加厚段拉，采用一端对称拉的式。

利用T梁的中横隔梁作为体外束的转向装置，体外束到截面底边的距离为40cm。

每个边跨设置两道转向装置，每个中跨设置四道转向装置。

拉端采用钢锚箱的结构形式。

利用K-801结构胶及8.8级高强螺杆螺栓固定在T梁腹板上。

转向装置采用在中横隔梁上设置转向钢管的形式。

先在横隔梁上留出道，将符合设计要求的A3钢管直接焊接在横隔梁两侧的加强钢板上。

对于无横隔梁的边T梁外侧，则采用钢结构的形式设置转向装置。

本桥的拉施工比较简单，由于锚固块及转向块全部为钢结构，拉过程中注意观察钢锚固块及转向块的受力即可，预应力施工比较简单，注意穿索过程中成品索的保护，成品索的拉强度为钢绞线标准强度的50％，索力较小。

但锚固块的安装难度很高，受锚固块的重量及安装空间的限制。

2.3华南大桥

2.3.1概况

市华南大桥主桥上部结构为110+190+110m三跨预应力混凝土连续刚构，位于珠江主航道上，全长410m，桥宽36m。

本桥的新增体外预应力为箱梁的新增齿板间布置纵向底板预应力钢束。

钢绞线采用ASTMA416-92标准270级、公称直径15.24mm的低松弛光面钢绞线，公称面积140mm2，标准强度1860MPa，弹性模量1.95×105MPa。

体外索预应力管道采用高密度聚乙烯塑料外套管，外径分别为140mm（中跨）、110mm（边跨）。

拉端锚具采用VSLECR6-27型、VSLECR6-22型及VSLECR6-19型（附带有封锚不锈钢钢帽）锚具，固定端锚具采用VSLECR6-19型（附带有挤压套，锚板反置）锚具。

锚固块为种植钢筋后浇筑的混凝土锚固块，索的布置顺着底板纵向走向，无转向块，只有减振装置。

2.3.2体外索的施工顺序

安装预埋的预应力构件及加强钢套管齿板混凝土浇筑连接HDPE外套管管穿布钢绞线对称拉安装防振块管道压浆封锚砂浆

2.3.3、施工案

1、连接HDPE外套管

用热熔焊接机把HDPE外套管连接起来，为了便于穿束，每束HDPE外套管上均预留1～3个50cm左右的空档，待钢绞线穿布后且在压浆前用50cm左右的直径大1cm的HDPE外套管连接、密封。

在箱梁底板钻植筋，并将HDPE管按设计线型布置顺直。

2、钢绞线下料、编号、穿束

钢绞线在桥下下料后运至箱梁由人工逐根穿布。

钢绞线在穿束前每根进行编号，使钢绞线在两端锚具的同一对应位，避免相互缠绕。

格控制钢绞线的下料长度。

体外预应力布置图

3、预应力拉

混凝土养护龄期达7天及混凝土强度达到设计强度后，即可进行预应力拉。

体外索采用两端同步对称拉，拉力为钢绞线标准强度的65％。

为保证两束钢绞线4个千斤顶同步、对称拉，整个施工过程和监控单位保持紧密联系，使桥梁处于受控状态之中。

4、管道灌浆、封锚

每跨钢绞线拉后，切割外露多余钢绞线（按封锚钢帽深度确定），安装防震块及锚头钢帽后即可进行管道压浆、安装盖帽，管道压浆由低端向高端压浆移动。

压浆水泥浆水灰比0.35，掺入适量高效减水剂，水泥浆强度超过40MPa。

锚板压浆完毕后浇筑水泥砂浆进行封锚处理。

本桥的体外索为纵向底板索，没有转向装置，锚固块为钢筋混凝土结构，施工相对简单，质量容易得到保证，锚具及预应力管道全部压浆并进行封锚，体外索的力也较大，为钢绞线强度的65％。

本桥的预应力管道及锚具全部采用VSL体外索锚固体系产品，锚具在锚垫板有塑料喇叭管和HDPE管道连接成一个密封性很好的整体，可以采用真空吸浆的式进行压浆，是本桥体外预应力中很有特色的一个特点。

预应力管道在锚固块中全部有预埋钢管，以后可以进行整体换索。

2.4丫髻沙副航道桥

2.4.1概述

丫髻沙大桥副航道桥为（86+160+86）m预应力混凝土连续刚构桥，采用体外预应力加固法，用于提高主梁结构的预应力度，补偿已损失的纵向预应力。

每幅桥共新增布置26束体外索，体外索分为三种类型：

通长索（单幅4束、单根工作长度约340m）、中跨索（单幅6束、单根工作长度约180m）和支点短索（单幅每支点各8束、单根工作长度约40m）。

体外索均为两端拉。

支点短索采用12-7φ5钢绞线，通长索和中跨索采用31-7φ5钢绞线。

体外预应力拉索采用法尔胜外加PE护套的FECS15.2SP型环氧涂层填充型钢绞线，锚下拉控制应力为0.55Ryb。

体外索布置在箱，拉完成后成空间曲线，经转向器（分丝/整体）和预埋钢管穿过转向架，达到转向和传力的目的，通过锚固块锚固。

为便与原结构的连接，所有锚固装置和转向装置均采用混凝土结构。

为防止桥面行车引起钢束过大震动，沿体外索纵向每隔8m左右设置一道防振限位装置。

体外索锚具采用FSM.TWC15-31型（带承压筒、防松装置、锚板、调节螺母、密封装置、密封筒组件）、FSM.TWB15-31型（带保护罩组件、防松装置、锚板、密封装置）、FSM.TWB15-12型（带保护罩组件、防松装置、锚板、密封装置）锚具，夹片为FSM-W15型。

其性能满足国际后预应力协会FIP《后预应力体系的验收和应用建议》、《体外预应力材料及体系》以及标准GB/T14370-2000《预应力用锚具、夹具和连接器》的规定，满足分级、补拉和放松拉力等拉工艺要求，同时可以整束调索、换索，并且具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用性能。

2.4.2施工工艺流程

索道清理及钢绞线保护准备

钢绞线下料

穿布钢绞线

安装锚具

钢绞线牵引（初拉）

对称拉钢绞线

多余钢绞线切除

安装防护装置

安装限位索夹

2.4.3施工步骤

1、施工准备

在转向架和锚固块施工完毕，开始预应力钢绞线施工准备。

（1）检查所有预应力管道及转向器是否通畅，清除杂物使其满足穿布钢绞线的要求；

（2）检查设计布索通道，对布索有阻碍的箱梁不规则混凝土等障碍物及时凿除，对妨碍布索的施工设施（模板、配电箱等）移开；

（3）在预应力钢绞线穿布通道上产生接触的地设置塑料垫层；

（4）将没有PVC套管的预埋钢管口打磨顺滑，并在钢绞线进口段设置橡胶垫层，以防止穿索及拉时刮伤钢绞线；

（5）在钢绞线自由段跨度较大及较高部位搭设支架，便于穿布钢绞线和拉；

（6）拉前校准好千斤顶与压力表，按线性程计算拉时每级拉力对应的压力表读数，粘贴于对应压力表上，并核对千斤顶与压力表是否对应；

2、钢绞线下料、编号、穿布

由于桥面交通压力大，桥下也没有钢绞线下料的场地，钢绞线在放索盘上进行放索，人工牵引至箱外支架，经滑轮转向后进入箱。

格控制钢绞线下料长度，钢绞线在箱下料，平铺在箱梁，即放索从2#墩到5#墩，准确量取尺寸后，再从5#墩穿回2#墩，保证每根索的在锚板的外漏长度基本一致，钢绞线的长度误差控制在20cm以，便于千斤顶预紧控制。

在箱转向架5～转向架4、转向架3～转向架2之间钢绞线跨度较大的位置采用每个8m增加一个PVC套管接合支架的式托起松弛的钢绞线，减少因松弛而造成的钢绞线下料损失。

钢绞线采用单根穿布，第一根穿布完毕由人工牵引顺直，锚固端外露长度必须满足拉工艺要求，量测整个索长，在配料长度围切割下料。

在穿索过程中要注意保护钢绞线，防止在施工中碰伤钢绞线上的环氧涂层和外包小PE，从而影响钢绞线的防腐蚀能力。

通长索钢绞线逐根穿布，每穿布完一根分别在两个锚固端贴好标签标明编号。

将所有的转向器及预埋钢管全部涂抹黄油，减少钢绞线之间的磨阻力。

钢绞线穿布完毕后，根据每根钢绞线的工作长度、松弛长度和伸长值剥除钢绞线表面的PE护套，保证钢绞线在拉围的长度PE全部剥除干净。

两端剥除PE长度均为（工作长度+松弛长度+伸长值+1.5m）/2，保证剥除PE的部分进入锚杯而不进入锚板。

3、锚具、夹片的安装

锚具安装应与道对中，各根预应力钢束应平顺，不得扭绞交叉。

锚具、夹片在安装前应擦拭干净，砂尘等杂物也会造成夹片跟进锚困难，影响锚固效果。

4、钢绞线预紧

由于钢绞线的长达340m且中间支点很少（间距最大约50m），钢绞线松弛长度很大，为保证整束钢绞线均匀受力，每根钢绞线都需进行预紧，使每束钢绞线均匀收紧，没有明显的松弛及不均匀情况即可。

钢绞线采用两端牵引预紧，以10%左右的拉力进行牵引，用伸出锚垫板的钢绞线长度和牵引力两面来控制预紧效果，保证每根钢绞线的受力基本均匀一致。

5、预应力拉

体外索采用对称整束、分级拉，每级不超过拉值的20%，在拉完一级时要仔细检查每个锚固点及转向点受力情况。

检查是否有新的裂缝及过大变位出现，如有不良病害出现立即停止拉，查明原因并采取相应的措施后才能继续拉。

以通长索为例说明拉过程具体操作步骤（根据索的伸长值及千斤顶的行程进行分级）：

初拉（拉力为0.1倍设计拉力P）→持荷5分钟→并检查是否有异常情况→拉并维持设计吨位0.2P→持荷5分钟→量测延伸量δ11并检查是否有异常情况→回油→拉并维持设计吨位0.35P→持荷5分钟→量测延伸量δ12并检查是否有异常情况→拉并维持设计吨位0.5P→持荷5分钟→量测延伸量δ13并检查是否有异常情况→回油→拉并维持设计吨位0.65P→持荷5分钟→量测延伸量δ14并检查是否有异常情况→回油→拉并维持设计吨位0.8P→持荷5分钟→量测延伸量δ15并检查是否有异常情况→回油→拉并维持设计吨位P→拉并维持设计吨位P→持荷5分钟→量测延伸量δ1→回油→量测延伸量δ2。

为保证两束钢绞线两端4个千斤顶同步、对称拉，拉过程中由一人统一指挥，在得到指挥员的命令后，油泵才能开始加压，拉过程中每增加5Mpa汇报一次，并且稳压，保证4个千斤顶同步均匀加压，每次油泵加压完成后向指挥员通报，便于指挥员协调各千斤顶的操作。

每束钢绞线每级拉完成及回油后通知监测人员进行观测。

整个拉过程和监控单位紧密联系，出现异常情况马上停止拉

6、安装防护装置、封锚

每跨钢绞线拉后，切割外露多余钢绞线（按封锚钢帽深度确定），安装防松装置，满涂防腐油脂密封，安装防护罩。

7、安装限位索夹

为避免预应力筋自由长度较长时产生振动，在梁安装钢结构防振限位装置。

本桥体外预应力的特点：

1、体外索为纵向顶板索，中间设有混凝土转向块，体外索的走向基本顺着

桥形，体外索为31钢绞线，索力巨大，采用钢结构锚固块及转向块很难满足锚固要求，全部采用混凝土结构，锚固块构造相当负责，浇筑困难。

2、体外索长度大，最大达340m，支点之间的距离最大到60多米，钢绞线的松弛长度较大，合理计算钢绞线的下料长度，避免浪费。

钢绞线安装后需用单千斤顶进行单根牵引，保证整体拉前每根钢绞线基本紧，受力均匀一致。

3、体外索采用的是可调可换锚固体系，体外索根据需要可以进行整体调索换索，也可以进行单根调索换索，为后期的维护提供很大的便利。

4、体外索为环氧喷涂钢绞线，环氧涂层很厚，不能采用常规的拉办法。

通长索采用漂浮拉体系进行拉，在分七级拉过程中，工作夹片始终不受力，对工作夹片起到了很好的保护作用。

中跨索采用日本进口单千斤顶进行拉。

3结语

体外预应力技术以其施工便、节省材料、降低造价、便检修且可以大幅有效的提高桥梁承载力等优点，在新时期的桥梁建设及加固过程中发挥了强大的作用，得到了广泛的应用，取得了良好的社会和经济效益。