客運(yùn)專線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁底板崩裂加固設(shè)計(jì)

陳 舉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

客運(yùn)專線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁底板崩裂加固設(shè)計(jì)

陳 舉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

某客運(yùn)專線(30.15+48+56+48+30.15)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿完畢后中孔56 m梁底發(fā)生了較大面積的崩裂。綜合分析崩裂原因，通過對各種“傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)”方案在加固設(shè)計(jì)中的利弊分析、對比，結(jié)合預(yù)應(yīng)力管道已壓漿完畢的現(xiàn)實(shí)狀況，提出一種新的加固設(shè)計(jì)方案——梁體施加預(yù)壓荷載方案。該方案從連續(xù)梁的受力特征出發(fā)，突破了傳統(tǒng)方案只在通過“補(bǔ)強(qiáng)”方面作文章的思路，有效避免了傳統(tǒng)方案的弊病，取得了較好的補(bǔ)強(qiáng)效果。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋;連續(xù)梁;底板崩裂;加固設(shè)計(jì);預(yù)壓

1 概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

某客運(yùn)專線橋設(shè)計(jì)為(30.15+48+56+48+30.15)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，主墩墩頂梁高4.35 m，跨中合龍段、邊跨現(xiàn)澆段梁高3.35 m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁頂寬12.0 m，底寬6.7 m，單側(cè)懸臂長2.65 m，懸臂端厚25.6 cm，懸臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚度由80 cm變化至48 cm，底板厚度由80 cm變化至40 cm主梁，頂板厚度由65 cm變化至40 cm。梁體采用C50混凝土，采用全預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計(jì);其中箱梁縱向頂板T構(gòu)靜定束、頂板合龍束、底板合龍束均采用15φs15.2 mm鋼絞線;T構(gòu)腹板束采用12φs15.2 mm鋼絞線;所有箱梁縱向鋼束均采用雙端張拉，張拉控制應(yīng)力σcon=0.68fpk=1 265 MPa。

箱梁采用懸臂灌注法施工，其中56 m跨度有6個(gè)懸臂施工段，48 m和30.15 m跨度有5個(gè)懸臂施工段。主橋合龍順序:先合龍次邊跨，再超打7號梁段，然后合龍中跨，最后合龍邊跨。

箱梁中跨底板合龍后共張拉24束15φs15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼束，底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用雙端張拉，伸長量及張拉力雙控，控制張拉力2 656 kN。

1.2 底板崩裂概況

施工中連續(xù)箱梁中跨56 m合龍段鋼束張拉壓漿完成后，時(shí)隔1 d，發(fā)現(xiàn)底板出現(xiàn)崩裂。56 m跨度4號、5號梁段底板開裂、脫落，并有多處裂縫，裂縫寬度1～2 mm，混凝土脫落處縫寬50 mm左右;底板崩裂分層，底板鋼筋網(wǎng)下沉最大約14.7 cm;底板頂面保護(hù)層下多處脫空，鋼筋網(wǎng)片下沉，從箱內(nèi)觀察，底板從縱向預(yù)應(yīng)力波紋管處崩裂分層。如圖1～圖3所示。

圖1 梁體縱向開裂梁段位置示意

圖2 底板開裂

圖3 底板底混凝土破碎，波紋管外漏

2 底板崩裂的原因分析

箱梁底板實(shí)際上是兩側(cè)彈性嵌固于兩腹板的彈性板，板內(nèi)鋼束的曲率引起徑向力荷載，這是因?yàn)楫?dāng)張拉預(yù)應(yīng)力束時(shí)，鋼束張拉繃緊后將力圖保持直線狀態(tài)，于是對阻止預(yù)應(yīng)力筋保持直線狀態(tài)的凸出混凝土部分產(chǎn)生局部作用力，當(dāng)徑向力很大時(shí)，底板內(nèi)會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生很大的橫向拉應(yīng)力(產(chǎn)生縱向裂縫)和豎向拉應(yīng)力(上下層鋼筋網(wǎng)間混凝土崩裂)，導(dǎo)致底板局部開裂并擴(kuò)展以致剝落損壞。預(yù)應(yīng)力筋對底板作用的徑向力見圖4。

采用相關(guān)計(jì)算結(jié)論:q=P/R(R為半徑)。

箱梁底板預(yù)應(yīng)力束施工時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確定位，線形圓順與設(shè)計(jì)保持一致，其定位鋼筋與普通鋼筋骨架應(yīng)可靠連接，確保澆筑混凝土?xí)r波紋管不上浮(實(shí)際上混凝土容重很大，若定位不牢固，波紋管很容易上浮)，加之振搗使波紋管實(shí)際位置嚴(yán)重偏移與設(shè)計(jì)不符，極易在底板局部產(chǎn)生小半徑曲線甚至折角段，徑向拉力很大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力遠(yuǎn)超出規(guī)范容許值。因此底板上下層鋼筋網(wǎng)間應(yīng)配置足夠數(shù)量拉筋，防止即使施工偏差產(chǎn)生徑向力也不至于使底板開裂。

從現(xiàn)場看到孔道被擠壓并偏離設(shè)計(jì)位置，底板鋼束最大上浮14.5 cm;另外箱梁底板頂?shù)讓愉摻罹W(wǎng)間的拉筋未按設(shè)計(jì)要求布置，因此可以判定:4號、5號梁段由于施工不當(dāng)，造成預(yù)應(yīng)力管道上浮是底板崩裂的根本原因。

3 預(yù)壓荷載加固方案設(shè)計(jì)

鑒于該梁預(yù)應(yīng)力鋼束管道已壓漿完畢，故無法通過重新在梁體內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的方式完成維修加固，故在研究加固處理方案時(shí)先后提出了箱梁底板粘貼鋼板、底板增加體外預(yù)應(yīng)力鋼束、梁體施加預(yù)壓荷載3種加固方案。

底板粘貼鋼板方案要使所貼鋼板發(fā)揮作用，必須保證鋼板與梁體混凝土共同受力，變形協(xié)調(diào)實(shí)施難度大，技術(shù)上難度很大，且修補(bǔ)后的混凝土在運(yùn)營荷載作用下將承受較大的拉應(yīng)力。底板頂增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束方案，會(huì)使底板預(yù)應(yīng)力度顯著增大，致使連續(xù)梁內(nèi)力分布發(fā)生較大變化，底板混凝土始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，梁體后期徐變很大;在錨固塊前后的局部拉應(yīng)力和局部壓應(yīng)力都較大，結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造設(shè)計(jì)與施工難度較大。

經(jīng)過對傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)方案優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，考慮現(xiàn)場觀測結(jié)果梁體未發(fā)生異常變形，除底板外也未發(fā)現(xiàn)其他部位有開裂情況，說明梁體整體施工質(zhì)量良好，底板開裂對預(yù)應(yīng)力的影響有限，設(shè)計(jì)采用了在跨中梁段施加預(yù)壓荷載的方案(圖5、圖6)。鑿除底板開裂混凝土，補(bǔ)充普通鋼筋重新定位鋼束后在底板崩裂的梁段所在跨堆載施加預(yù)壓荷載，使箱梁頂板受壓，底板受拉。重新澆筑開裂段混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后由兩側(cè)向中間對稱均勻卸載至零，梁體的彈性上拱使底板增壓，頂板減壓，相當(dāng)于施加了預(yù)應(yīng)力。在具體設(shè)計(jì)中通過對不同預(yù)壓堆載位置、不同噸位的預(yù)壓荷載以及箱梁橫向分析計(jì)算的基礎(chǔ)上確定了最終的實(shí)施方案。實(shí)施結(jié)果見表1。

圖5 梁體施加預(yù)壓荷載方案簡圖

圖6 梁體施加預(yù)壓荷載方案橫向堆載簡圖(單位:m)

表1 采取預(yù)壓措施后補(bǔ)部分混凝土應(yīng)力對比 MPa

從計(jì)算結(jié)果看，預(yù)壓措施有效降低了鑿除后補(bǔ)部分混凝土的受力狀況，底板下緣混凝土雖然受拉但不致開裂。該施工方法簡單、可靠，質(zhì)量容易保證，但混凝土仍存在一定的拉應(yīng)力，施工中將混凝土強(qiáng)度等級提高至C55，采用微膨脹混凝土并添加聚氨酯纖維，提高抗裂性以確保結(jié)構(gòu)安全。

4 預(yù)壓荷載方案具體實(shí)施

(1)在支架上澆筑邊跨⑨號合龍段完成邊跨合龍;按原設(shè)計(jì)完成尚未完成的邊跨合龍、預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿封錨等工作后，鑿除4號、5號梁段底板開裂混凝土。

(2)在梁體29～42號截面范圍內(nèi)由兩側(cè)向中間對稱均勻分層堆載至250 kN/m的荷載;施加預(yù)壓荷載后結(jié)構(gòu)32、33、34號截面下?lián)侠碚撚?jì)算值分別為1.58，2.11，2.78 cm;實(shí) 測 值 分 別 為 1.63，2.16，2.84 cm。

(3)鉆孔植入新增補(bǔ)強(qiáng)鋼筋并對原設(shè)計(jì)底板頂?shù)讓愉摻罹W(wǎng)片復(fù)位，綁扎固定，清除鋼筋表面浮漿。

(4)待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后由兩側(cè)向中間對稱均勻卸載至零;卸載后32、33、34號截面上拱理論計(jì)算值分別為 1.33，1.64，1.84 cm;實(shí)測值分別為 1.36，1.65，1.82 cm。以上結(jié)果說明該加固方案達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

(5)進(jìn)行橋面鋪設(shè)等后續(xù)工作。

5 結(jié)語

本次連續(xù)梁底板崩裂采用施加預(yù)壓荷載的方案，設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)加固方案只在通過“補(bǔ)強(qiáng)”作文章的思路束縛，利用連續(xù)梁受力的力學(xué)特性對崩裂段落施加預(yù)壓荷載，為其提供“天然的預(yù)應(yīng)力”，降低了加固施工難度，而且不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)補(bǔ)充張拉預(yù)應(yīng)力方案帶來的高應(yīng)力、高徐變的后遺癥，是一種較為理想的加固施工方案。目前該橋的加固施工已完成，并在客運(yùn)專線全線的簡支箱梁架設(shè)過程中經(jīng)歷了900 t架橋機(jī)運(yùn)梁通過的考驗(yàn)，在此過程中加固后的梁體未發(fā)生任何異常，加固效果明顯，值得在今后類似工程案例中推廣。

［1］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］ 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］ 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTG/T J22—2008 公路橋梁加固規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［5］ 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［6］ 中華人民共和國鐵道部.TB10005—2011 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］ 中華人民共和國鐵道部.TB10426—2005 鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［8］ 中華人民共和國鐵道部.TB10110—2011 鐵路混凝土梁支架現(xiàn)澆法施工技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［9］ 項(xiàng)貽強(qiáng)，唐國斌，朱漢華，晁春峰.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工過程中底板崩裂破壞機(jī)理分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2010(5):70-75.

［10］彭元誠.連續(xù)剛構(gòu)箱梁底板崩裂原因分析與對策［J］.橋梁建設(shè)，2008(3):69-70.

［11］孫曉燕，黃承逵，孫保沭.淺議預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)加固方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(8):64-66.

［12］梅思才.淺談碳纖維加固舊橋的方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(9):79-81.

Design for Strengthening Treatment of Bursting Cracks at Bottom Slab of Continuous Prestressed Concrete Girder of Railway Passenger Dedicated Line

CHEN Jv
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

After the processes of prestressing and grouting were both finished for a(30.15+48+56+48+30.15)-m continuous prestressed concrete girder of a railway passenger dedicated line，the phenomenon of large-area bursting cracks occurred at the bottom slab of its 56-m middle span.Therefore，the paper comprehensively analyzed the reason of bursting cracks，and conducted relevant investigation and comparison on the advantages and disadvantages of various traditional strengthening methods.Further，considering the actual situation that the duct grouting of steel tendons had been finished already，the paper put forward a new design scheme of strengthening treatment—preloading to this girder structure.This new design scheme，focusing on the stress state of continuous girder，and breaking through the idea of traditional methods which only lay emphasis on“strengthening”，has effectively avoided the disadvantages of traditional methods.Finally a good strengthening treatment effect has been achieved by using this new design scheme.

prestressed concrete bridge;continuous girder;bursting cracks at bottom slab;design for strengthening treatment;preloading

U445.7+2

A

1004-2954(2013)09-0062-03

2013-03-15;

2013-03-25

陳 舉(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，E-mail:chenju707@163.com。