巴拿马三桥(也称巴拿马大西洋桥)横跨巴拿马运河大西洋入海口,连接北部科隆省首府科隆市与城市西郊,桥梁部分总长3 159m,由跨越运河大西洋入海口的斜拉桥主桥和东、西两侧引桥组成。

　　 该桥主桥为双塔双索面混凝土箱形梁斜拉桥,斜拉桥主跨530m,两侧边跨对称布置,跨径组合均为181m+79m。东、西两侧引桥部分,总包方对部分跨径做了调整,调整后的跨径组成(如图1所示,两侧引桥尺寸线下面括号中的数字为原设计跨径组合)为:通往玻利瓦尔路(东侧)引桥跨径组成为12×45m+(74m+125m+74m)+(74m+2×78m+74m),通往加通路(西侧)引桥跨径组成为(74m+5×82m+62m)+78m+8×45m。其中,两侧引桥为预应力混凝土箱梁,采用体内索与体外索相结合的后张预应力体系。

　　 预应力体外索是巴拿马三桥引桥结构中的关键构件,其分布在引桥箱梁内部,引桥两桥墩之间单跨箱梁内体外索布置如图2所示。

　　 该桥施工总包方为法国万喜(Vinci)集团,体外索体系采用欧洲某国际知名品牌产品(体外索锚具结构如图3所示),索体为有黏结结构,采用直径为15.7mm、抗拉强度为1 860MPa的光面钢绞线,体外索锚具有19孔、22孔和27孔3种规格,索体外为HDPE护套管,管道内灌注水泥浆对钢绞线进行防护,锚固区锚垫板与HDPE喇叭管之间采用O形密封圈进行密封。

　　 对灌浆防腐的索体来说,孔道灌浆质量将直接决定体外索的耐久性,继而决定桥梁安全。该桥后张预应力依据AASHTO设计及施工规范设计,孔道灌浆应遵照PTI后张结构灌浆规范要求,曲线索需在每个转向最高点设置排气孔,以便灌浆时管道内空气能顺利排出,保证孔道灌浆密实。

　　 受限于该桥体外索结构,从箱梁顶部转向钢管内通过的HDPE管在转向最高点无法设置排气管,采用普通压力灌浆,索体在箱梁顶部转向最高点易产生空气聚集形成空洞,因此,在产品供应商/施工方(以下只称施工方)提交后张体系灌浆程序给业主审批时,笔者所在的技术组建议体外索体系采用真空辅助灌浆工艺,得到业主认可,施工方按要求增加了体外索真空辅助灌浆程序。

　　 为了保证整个体系的防腐质量,根据巴拿马大西洋桥施工设计要求,在后张预应力索钢绞线穿束及灌浆之前,均应对管道进行压力测试,压力测试时向管道注入压缩空气,压力达到50psi(0.345MPa)后锁闭进气阀,记录1min后的管道压力,管道密封性能应满足:管道长度≤150ft(45.72m),压力降低≤25psi(0.172MPa);管道长度>150ft(45.72m),压力降低≤15psi(0.103MPa)。如果测试压力降低超过设计要求,应检查管道连接部位,并对漏气部位进行修补。

　　 虽然在设计、施工规范中对管道安装和灌浆前提出明确的压力测试要求,但在对体外索灌浆过程中,锚固区还是出现了严重的漏浆现象(见图4)。

　　 由该桥采用的体外索锚具结构图(见图2)可看出,锚固区只有一个设置在锚垫板与预应力管道连接的HDPE喇叭管之间的O形密封圈作为密封,该设计只有在两者安装同心,并且在索体张拉时,O形密封圈环向均匀受力的情况下才能形成良好的密封,然而,在实际设计中,锚固区与锚垫板直接相连的是转向钢管,索体张拉时钢绞线只能偏向转向弯曲钢管的内侧,O形密封圈只是一侧受力,很明显,体外索体系锚固区的密封设计可靠性不足。

　　 该桥施工过程中,施工方申请加大了管道安装位置允许偏差,将位置坐标(y,z)允许偏差由设计要求的±6.35mm更改为±20mm。表1列出西侧引桥P33,P34号桥墩之间,TSD34.1位置箱梁南边(以箱梁顺桥向中心轴线为基准)体外索转向钢管顺桥向东侧出口位置中心坐标及偏差情况。由表中数据对比可见,施工中测量得到的预应力管道安装位置偏差比施工方申请更改后的偏差还要大,这也导致在体外索张拉时O形密封圈某一侧侧向受力增加和锚具密封失效。

　　 根据该桥设计、施工要求及施工方提交的灌浆程序要求,在体外索管道灌浆前有2次压力测试,第1次测试是在向体外索管道内穿钢绞线之前,因O形密封圈无侧向偏载,有可能检测不出锚固区的密封缺陷;第2次测试是在对体外索管道实施灌浆前,在施工方提交的体外索真空辅助灌浆程序中,除了按设计、施工要求进行压力测试外,在灌浆前,还须对管道抽真空,压力稳定在0.1～0.2bar(1bar=0.1MPa)后方可灌浆,若严格按灌浆程序施工,锚固区密封存在缺陷的问题很容易测出,然而,第1批体外索灌浆时在锚固区均出现严重的漏浆现象。

　　 针对西侧引桥箱梁内体外索灌浆过程中因锚固区密封不可靠而出现的漏浆现象,施工方提出以下补救措施。

　　 在锚固区转向钢管出口处,钢管与结构端面围绕HDPE护套管增加模板,模板孔与HDPE管间的间隙涂密封胶密封,灌浆时,整个钢管内灌满水泥浆。

　　 针对体外索体系在锚固区存在的密封缺陷,施工方对灌浆程序的相应章节按这一补救措施进行了修改,在灌浆前增加对锚固区转向钢管出口进行封闭密封工序。因该桥设计要求体外索具有可更换功能,产品供应商在更改灌浆工艺的同时,就这一措施对体外索可更换性的影响进行了说明,认为转向钢管长度小,钢管与HDPE管之间的水泥浆体和HDPE管的黏结力不大,不会影响体外索的可更换性。

　　 在审核施工方重新提交的灌浆程序时,笔者提出了利用引桥箱梁内体外索备用孔道(为了日后桥梁加固或体外索更换方便,每个跨段均设有2个备用索孔道),按更改后的灌浆程序进行真空灌浆及体外索更换模型试验的建议,施工方未采纳。

　　 在工程实际施工过程中,因部分体外索跨越2～3跨,索体长度达到>90m或135m,索体经过多次转向,考虑引桥设计坡度5%,箱梁内净空高度>2m,长度>135m的体外索索体最低点与最高点的高差>8m,因体外索HDPE管暴露于结构之外,周围没有混凝土结构支撑保护,低端位置的HDPE管承受的灌浆压力大,HDPE管存在膨胀变形的风险。另外,索体因转向位置的增加,虽然采用真空辅助灌浆工艺,位于箱梁顶端的转向器顶部位置仍有可能难以保证灌满。

　　 结合实际情况,对长度>90m或135m(跨越2跨或3跨)的体外索采用分段两步灌浆法(见图5)进行灌浆。

　　 具体步骤如下。

　　 1)在体外索自由段增加排气孔,同跨间两排气孔位置应等高。

　　 2)对跨间索体自由段采用常压灌浆((1)所示部分),灌浆口位于箱梁底部直线部分,同一根索不同跨间部分可分开独立灌浆,灌浆时从中间设置的排气管排出的浆体流动度达到9～20s的施工设计要求后方可停止灌浆。

　　 3)箱梁顶部转向部分((2)所示部分)采用真空辅助灌浆,常压灌浆段的出浆口作为真空辅助灌浆段的灌浆口和真空泵接口(同时也是出浆口),在出浆管流出的浆体流动度满足施工设计要求后关闭出浆口,继续灌浆,在灌浆压力达到0.3MPa后(体外索供应商规定最大0.45MPa)关闭进浆口阀门,然后关停灌浆泵。

　　 采用分段两步灌浆,可保证索体灌满,但常压灌浆部分因不是压力灌浆,从理论上来说,浆体搅拌时混入的空气无法完全排出,浆体的密实度会比压力灌浆小。为了验证分段两步灌浆工艺的可行性,施工现场进行了模型试验,分步灌浆接合面和常压灌浆段的解剖结果没有发现明显疏松和气泡。

　　 从巴拿马三桥体外索结构特点、换索方式及灌浆过程中漏浆等可看出,该桥体外索体系存在一定的缺陷。因该桥体外索索体为有黏结结构,不具备调索功能。在桥梁运营期间,当桥梁承载力因体外索索力松弛而降低时,如果安装并张拉备用索也不能满足桥梁加固要求时,便只能选择换索,换索时间将会提前,桥梁维修成本会随之增加。同时,体外索锚固区转向钢管内因灌注了水泥浆,在拆除旧索后,必须将转向钢管内的残留水泥浆体清除,然后才能安装新索,这也将耗费更多的人力、物力,换索难度增加的同时,维护成本也会增加。

　　 因此,根据实际应用经验与试验,对于一般桥梁的体外索应用,总结以下意见。

　　 1)对于索体采用光面钢绞线并灌注水泥浆作为防腐材料的体外预应力体系,在密封结构的细节方面应进行优化,确保密封结构安全可靠。

　　 2)在桥梁施工设计时,选用需灌浆的可换式体外索体系时,应对供应商推荐的体系的密封结构、体外索的灌浆程序、排气口及注浆口的设置等细节进行充分论证,特别是排气口的设置应严格遵照规范要求,确保索体及浆体内的空气能顺利排出,从而保证灌浆密实。

　　 3)大型桥梁应用需灌浆的可换式体外索体系时,在供应商推荐的产品应用前,应根据实际应用工况对体外索的安装、张拉、灌浆及换索等工序进行现场模型试验,试验后对试验索进行解剖检查,根据试验结果,供应商对产品或施工工艺进行调整或优化。

　　 4)在施工过程中,加强预埋件安装定位质量控制,保证其安装位置精度满足施工设计规定的误差要求。

　　 5)随着预应力技术的发展及防腐技术的提升,采用分丝管式转向器、索体自由段具有独立防腐的单根可换式体外索体系已在工程中得到广泛应用,在桥梁设计时,可优先考虑单根可换式体外索体系,这样不仅能避免灌浆体系的密封及索体灌浆不饱满等问题,还可简化施工工艺、降低维护成本。