某跨線剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力張拉施工病害補(bǔ)救措施研究

劉意中

(湖南天鷹建設(shè)有限公司， 湖南 常德　415000)

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某跨線剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力張拉施工病害補(bǔ)救措施研究

劉意中

(湖南天鷹建設(shè)有限公司， 湖南 常德415000)

摘要：針對(duì)某跨線剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力張拉施工時(shí)頂板混凝土崩裂病害，研究病害產(chǎn)生的原因，并提出了鑿除局部混凝土的鋼束糾偏方案和增加橫隔板的局部補(bǔ)強(qiáng)方案。對(duì)兩種方案進(jìn)行比選，主推增加隔板方案，并減少預(yù)應(yīng)力數(shù)量調(diào)整橋梁受力，加厚橋面鋪裝調(diào)整結(jié)構(gòu)線形，建模分析補(bǔ)救措施的效果。計(jì)算結(jié)果顯示：經(jīng)過(guò)補(bǔ)救可以滿(mǎn)足規(guī)范的受力要求，保證了橋梁施工和運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：剛構(gòu)橋； 預(yù)應(yīng)力張拉； 混凝土崩裂； 補(bǔ)救方案； 結(jié)構(gòu)受力

1工程背景

某跨線剛構(gòu)橋跨徑布置為(2×75)m，上部結(jié)構(gòu)采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)為C40鋼筋混凝土?？傮w布置見(jiàn)圖1。剛構(gòu)橋箱梁底部線形按二次拋物線變化，中支點(diǎn)梁高6.4 m，邊支點(diǎn)梁高3.0 m。該橋墩號(hào)為1～3號(hào)，其中2～3號(hào)墩為跨線橋跨，為滿(mǎn)足鐵路部門(mén)要求，大橋采用先平行于鐵路支架現(xiàn)澆再轉(zhuǎn)體施工的方案，轉(zhuǎn)體前現(xiàn)澆梁段長(zhǎng)度為69 m，待轉(zhuǎn)體完成后再邊跨現(xiàn)澆邊跨合龍段。轉(zhuǎn)體T構(gòu)在預(yù)應(yīng)力張拉施工過(guò)程中，墩頂橫隔板兩側(cè)的頂板下緣發(fā)生病害，出現(xiàn)大范圍崩裂和脫落現(xiàn)象，本文分析病害產(chǎn)生的原因并提出相關(guān)補(bǔ)救措施，計(jì)算分析補(bǔ)救措施的有效性。

圖1　跨線剛構(gòu)橋立面布置圖(單位： cm)

2病害原因及補(bǔ)救措施比選

2.1施工病害原因

為分析此次施工病害的起因，分別對(duì)混凝土強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力束定位兩個(gè)方面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，結(jié)果表明混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度僅為C45，小于原設(shè)計(jì)的C55；針對(duì)頂板崩裂區(qū)附近的預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行開(kāi)槽檢測(cè)，其實(shí)際線型如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)體梁段頂板預(yù)應(yīng)力縱向偏差(單位： cm)

圖2顯示頂板下緣崩裂病害區(qū)與預(yù)應(yīng)力管道彎曲位置相對(duì)應(yīng)，頂板鋼束豎向定位偏差引起的豎向分力是此次病害產(chǎn)生的主要原因。發(fā)現(xiàn)病害后立即停止了預(yù)應(yīng)力束張拉和灌漿，開(kāi)始研究病害的補(bǔ)救措施。此時(shí)仍有部分鋼束已經(jīng)張拉暫未灌漿，部分鋼束未張拉，出現(xiàn)病害截面處的預(yù)應(yīng)力布置如圖3所示，已張拉的鋼束用空心圓點(diǎn)表示，未張拉鋼束用實(shí)心圓點(diǎn)表示。參照國(guó)內(nèi)多座橋梁的施工病害補(bǔ)救經(jīng)驗(yàn)[1-6]，本文提出鑿除頂板局部混凝土的鋼束糾偏方案和增加橫隔板的頂板局部補(bǔ)強(qiáng)方案。

2.2鋼束糾偏方案

鋼束糾偏方案需鑿除鋼束產(chǎn)生偏差的頂板區(qū)域，將預(yù)應(yīng)力管道糾正回設(shè)計(jì)位置，然后再回澆混凝土以修復(fù)病害部位。需鑿除的頂板范圍縱橋向?yàn)槎枕斕?2 m，橫橋向位置則為圖3所示陰影部分。鋼束糾偏方案的具體工序如表1所示。

圖3　主墩位置截面的預(yù)應(yīng)力分布情況(單位： cm)

表1 鋼束糾偏方案施工工序工序編號(hào)施工工序內(nèi)容1病害區(qū)域頂板束放張,并鑿除對(duì)應(yīng)部位頂板①2預(yù)應(yīng)力管道糾偏,等強(qiáng)澆注鑿除部位混凝土3重新張拉鑿除部位預(yù)應(yīng)力束②4按原設(shè)計(jì)張拉剩余鋼束5按原設(shè)計(jì)完成剩余施工工序 注:①共需放張31根鋼束;②重新張拉31根鋼束。

基于MIDAS/Civil平臺(tái)，對(duì)鋼束糾偏方案的各個(gè)階段的箱梁上下緣應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(應(yīng)力符號(hào)按拉正壓負(fù)取用，下同)。在預(yù)壓應(yīng)力作用下，回澆混凝土在各個(gè)階段均受壓，故表中僅給出最小應(yīng)力值。

表2 鋼束糾偏方案上下緣最值應(yīng)力計(jì)算狀態(tài)頂板應(yīng)力/MPa未鑿除后恢復(fù)最大值最小值最小值底板應(yīng)力/MPa最大值最小值放張鋼束、鑿除截面0-8.5—0-6.97恢復(fù)截面、張拉鋼束0-11.8-3.30-8.92張拉剩余鋼束-4-15.2-6.8-1.5-11.5脫架、轉(zhuǎn)體-4-13.6-5.1-1.5-12.7合龍成橋-5.1-15.2-6.8-2.6-15.1收縮徐變完成0-13.5-8.00-13.6運(yùn)營(yíng)階段0-18.2-9.70-14.3

表中數(shù)據(jù)顯示，實(shí)施補(bǔ)救方案的各施工階段的頂、底板范圍內(nèi)均受壓，壓應(yīng)力最大值為15.2 MPa，在實(shí)測(cè)強(qiáng)度C45混凝土的施工階段應(yīng)力允許值20.72 MPa范圍內(nèi)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段，C45混凝土的壓應(yīng)力允許值為14.8 MPa，而鑿除部分以外的混凝土壓應(yīng)力達(dá)18.2 MPa?；貪不炷敛糠值膲簯?yīng)力則僅為9.7 MPa，表明回澆混凝土受壓性能未能充分利用，該補(bǔ)救方案存在一定的缺點(diǎn)。

2.3局部補(bǔ)強(qiáng)方案

局部補(bǔ)強(qiáng)方案采用新增和加厚橫隔板的方法，旨在對(duì)頂板崩裂處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)救方案的縱斷面示意圖見(jiàn)圖4。

圖4　補(bǔ)強(qiáng)方案主梁縱向斷面示意(單位： cm)

局部補(bǔ)強(qiáng)方案的具體施工工序如表3所示。

表3 局部補(bǔ)強(qiáng)方案施工工序工序編號(hào)施工工序內(nèi)容1繼續(xù)完成已張拉的鋼束的灌漿2清理病害部位混凝土3按照方案增加、加厚對(duì)應(yīng)箱室內(nèi)橫隔板4按原設(shè)計(jì)張拉剩余鋼束5按原設(shè)計(jì)完成剩余施工工序

基于MIDAS/Civil平臺(tái)，對(duì)局部補(bǔ)強(qiáng)方案各階段的箱梁上下緣應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 局部補(bǔ)強(qiáng)方案上下緣最值應(yīng)力計(jì)算狀態(tài)頂板應(yīng)力/MPa底板應(yīng)力/MPa最大值最小值最大值最小值現(xiàn)狀鋼束0-90-8.6全部鋼束完成張拉-4.2-11.6-1.5-11.2托架、轉(zhuǎn)體就位-4.1-10.2-1.6-12.5合龍成橋0-11.60-14.9收縮徐變完成0-10.60-13.4運(yùn)營(yíng)階段-1.1-15.6-0.2-13.8

表中數(shù)據(jù)顯示，該補(bǔ)救方案的各施工階段上下緣均受壓，最大壓應(yīng)力為15.6 MPa，在實(shí)測(cè)強(qiáng)度C45混凝土的施工階段應(yīng)力允許值20.72 MPa范圍內(nèi)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段，C45混凝土的壓應(yīng)力允許值為14.9 MPa，而頂板混凝土壓應(yīng)力達(dá)15.6 MPa，應(yīng)力水平略高于規(guī)范要求。

2.4方案比選

經(jīng)計(jì)算分析，鋼束糾偏方案和局部補(bǔ)強(qiáng)方案均能較為有效地解決這一病害，其中鋼束糾偏方案對(duì)橋梁的外形沒(méi)有影響，但施工難度較大，且運(yùn)營(yíng)階段回澆混凝土的壓應(yīng)力水平僅為9.7 MPa，而對(duì)應(yīng)該部位附近的舊混凝土壓應(yīng)力則達(dá)18.2 MPa，超限3.4 MPa；局部加強(qiáng)方案對(duì)橋梁外觀有一定的影響，但施工難度小，新增工程量較小，頂板混凝土最大壓應(yīng)力為15.6 MPa，超限0.8 MPa。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，綜合確定推薦采用局部補(bǔ)強(qiáng)方案。

3推薦方案優(yōu)化

3.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)化

鑒于原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力水平下局部補(bǔ)強(qiáng)方案中，主墩中心線附近梁頂在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最大壓應(yīng)力達(dá)15.6 MPa，需對(duì)頂板內(nèi)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行部分調(diào)整。計(jì)算表明原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力安全系數(shù)較高，建議減少部分預(yù)應(yīng)力鋼束以降低箱梁頂板應(yīng)力水平，預(yù)應(yīng)力束調(diào)整的具體方案如下。

轉(zhuǎn)體施工前的施工中需減少ZT06、BT05、BT10、BT11、BT12和BT12′鋼束各2束，以及4束ZT11鋼束，將原來(lái)的22根1束改為15根1束；減少2束ZT04鋼束，將原來(lái)的19根1束改為15根1束。對(duì)于上述鋼束中已經(jīng)張拉的鋼束，需對(duì)其進(jìn)行部分放張以滿(mǎn)足調(diào)整方案要求。轉(zhuǎn)體施工后合龍鋼束的張拉控制應(yīng)力從0.75fpk降低至0.68fpk，fpk表示鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行調(diào)整，原應(yīng)力超限位置處的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力降至規(guī)范允許范圍，最大壓應(yīng)力為14.75 MPa。

3.2主梁線形優(yōu)化

預(yù)應(yīng)力束優(yōu)化后，局部補(bǔ)強(qiáng)方案的主梁脫架后下?lián)献冃芜_(dá)7.1 cm，而原設(shè)計(jì)的梁端最大豎向撓度為4.2 cm，超出2.9 cm。為確保梁體線形連續(xù)，采用調(diào)整橋面鋪裝厚度的方法，在轉(zhuǎn)體部分的梁端鋪裝增厚2.9 cm，墩頂鋪裝厚度不變，而在墩頂和梁端之間進(jìn)行線性插值，并在結(jié)構(gòu)計(jì)算中計(jì)入鋪裝層厚度變化引起的荷載。

4結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

基于MIDAS/Civil軟件平臺(tái)，考慮實(shí)際預(yù)應(yīng)力施工偏差影響，對(duì)應(yīng)力和線形優(yōu)化后的局部補(bǔ)救方案進(jìn)行建模分析，并對(duì)病害發(fā)生區(qū)域的單元?jiǎng)澐诌M(jìn)行細(xì)化，橋梁整體有限元模型如圖5所示。

圖5　有限元計(jì)算模型

4.1施工階段結(jié)果分析

基于MIDAS/Civil平臺(tái)，對(duì)應(yīng)力和線形優(yōu)化后局部補(bǔ)強(qiáng)方案的各個(gè)階段的箱梁上下緣應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)化后局部補(bǔ)強(qiáng)方案上下緣最值應(yīng)力計(jì)算狀態(tài)頂板應(yīng)力/MPa底板應(yīng)力/MPa最大值最小值最大值最小值現(xiàn)狀鋼束0-9.00-8.6全部鋼束完成張拉-3.1-11.2-1.8-10.7托架、轉(zhuǎn)體就位-3.1-9.3-1.8-12.7合龍成橋0-10.30-13.6收縮徐變完成0-9.60-12.2

表5數(shù)據(jù)顯示，實(shí)施補(bǔ)救措施后，各施工階段的箱梁上下緣均受壓，最大壓應(yīng)力為13.7 MPa<20.72 MPa，在實(shí)測(cè)強(qiáng)度C45混凝土的施工階段應(yīng)力允許值范圍內(nèi)。

4.2成橋階段結(jié)果分析

實(shí)施優(yōu)化的局部補(bǔ)強(qiáng)方案后，對(duì)主梁在各個(gè)荷載組合作用下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，主要結(jié)果如下：

主梁抗彎承載能力驗(yàn)算：主梁在基本組合作用下的最大正彎矩為166 413.7 kN·m，小于結(jié)構(gòu)抗力401 212.8 kN·m，最大負(fù)彎矩為-1 807 370 kN·m，小于結(jié)構(gòu)抗力-2 196 755.8 kN·m，最大正、負(fù)彎矩截面位置分別為距墩頂55.5 m處和距墩頂4.0 m處。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)內(nèi)力值均在抗力允許范圍內(nèi)，梁體承載能力滿(mǎn)足要求。

主梁抗裂驗(yàn)算：主梁在短期組合作用下，箱梁頂板在墩頂區(qū)域最大拉應(yīng)力為0.57 MPa，底板范圍內(nèi)均受壓，無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)。由于采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，墩頂區(qū)域頂板拉應(yīng)力是由計(jì)算失真引起的，且拉應(yīng)力水平較低，故可以認(rèn)為主梁的正截面抗裂滿(mǎn)足規(guī)范中關(guān)于全預(yù)應(yīng)力計(jì)算的要求。此時(shí)主梁截面的最大主拉應(yīng)力為0.92 MPa，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂附近區(qū)域且在混凝土主拉應(yīng)力允許范圍以?xún)?nèi)，斜截面抗裂滿(mǎn)足規(guī)范要求。

主梁壓應(yīng)力驗(yàn)算：主梁在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，箱梁頂板最大壓應(yīng)力值為14.71 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于距墩頂12 m處截面，且小于截面正應(yīng)力限值14.8 MPa；箱梁底板最大壓應(yīng)力值為12.66 MPa，位于合龍段附近區(qū)域，故主梁壓應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。箱梁頂板標(biāo)準(zhǔn)組合最大主壓應(yīng)力值為14.71 MPa，位于距墩頂12 m處截面，且小于截面主壓應(yīng)力限值17.76 MPa，斜截面主壓應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算：不計(jì)自重?fù)隙龋奢d短期效應(yīng)組合作用下的結(jié)構(gòu)撓度為22.4 mm，并計(jì)入撓度的長(zhǎng)期效應(yīng)系數(shù)，得到最終的撓度值為1.437 5×22.4 mm=32.2 mm，小于撓度限值L/600=75 000 mm/600=125 mm，結(jié)構(gòu)撓度值滿(mǎn)足規(guī)范要求。

綜上所述，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)受力和變形均滿(mǎn)足規(guī)范要求，表明優(yōu)化后的局部補(bǔ)強(qiáng)方案對(duì)于解決鋼束定位偏差引起的頂板下緣崩裂病害是有效、可靠的。

5結(jié)論

本文以某跨線剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力張拉施工時(shí)頂板混凝土崩裂病害為背景，參照國(guó)內(nèi)施工病害處治經(jīng)驗(yàn)，提出了鋼束糾偏方案和局部補(bǔ)強(qiáng)方案。通過(guò)新增和加厚隔板，優(yōu)化病害區(qū)域頂板受力的局部補(bǔ)強(qiáng)方案，具有梁體受力均勻，施工難度小等優(yōu)點(diǎn)，比選確定為病害補(bǔ)救推薦方案。針對(duì)推薦方案特點(diǎn)，采用調(diào)整預(yù)應(yīng)力數(shù)量?jī)?yōu)化橋梁受力，并調(diào)整橋面鋪裝厚度優(yōu)化結(jié)構(gòu)線形，優(yōu)化后橋梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)受力和變形均能通過(guò)控制在規(guī)范允許范圍以?xún)?nèi)。

鑒于橋梁原有設(shè)計(jì)的富余度較高，解決局部混凝土抗壓強(qiáng)度不足的問(wèn)題，切實(shí)可行的方法是通過(guò)適當(dāng)減少預(yù)應(yīng)力數(shù)量降低混凝土壓應(yīng)力水平。實(shí)際工程中采用了該補(bǔ)救措施，保證了橋梁結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)期間的安全可靠。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U 448.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0093-04