強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)PC箱梁調(diào)整張拉控制應(yīng)力處治方法★

李 秀 朱紅兵 許成祥 向 杰,3 李成玉

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065； 3.北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，北京 100044)

預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)箱梁具有截面抗扭能力強(qiáng)、承載力高等力學(xué)特性，且具有經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，是中小跨徑橋梁的常用結(jié)構(gòu)形式。由于施工過(guò)程中的混凝土原材料問(wèn)題或施工養(yǎng)護(hù)原因，有時(shí)箱梁的梁體混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，使得施工方陷于進(jìn)退兩難的境地：將梁廢棄會(huì)嚴(yán)重影響工期并增加項(xiàng)目成本，且廢棄梁會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的破壞；不予理會(huì)又因質(zhì)量缺陷通不過(guò)工程竣工驗(yàn)收。針對(duì)此種情況，采用粘貼鋼板等加固方法往往是一個(gè)較好的選擇，但也會(huì)有成本增大、工期延長(zhǎng)、后期養(yǎng)護(hù)難度增大等問(wèn)題。

本文針對(duì)某箱梁橋混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)但較接近設(shè)計(jì)值的情況，提出了粘貼鋼板加固[1,2]、適度調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力等兩種處治方案[3,4]，并進(jìn)行了驗(yàn)算。最終采納了適度調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力的處治措施，取得了較好的效果。

1 工程背景及質(zhì)量缺陷

1.1 工程概況

湖北地區(qū)某引水水利設(shè)施，主要建筑物為明渠。為滿足明渠段兩側(cè)道路通行要求，需根據(jù)實(shí)際情況在明渠段新建或還建跨越明渠的橋梁。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)為：道路等級(jí)為等外級(jí)公路；設(shè)計(jì)荷載采用公路—Ⅱ級(jí)；環(huán)境類別為Ⅰ類，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年；設(shè)計(jì)使用年限50年。

某新建跨明渠橋梁全長(zhǎng)61 m，橋面全寬為6.2 m(0.5 m護(hù)欄+5.2 m行車道+0.5 m護(hù)欄)。橋梁平面位于直線段，中線與渠道中線為90°交角。橋面設(shè)2.0%對(duì)稱縱坡、2.0%雙向橫坡。

橋跨布置為13 m+30 m+13 m，其中邊跨采用13 m簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(橫向布置2片中板及2片邊板)，中跨采用30 m簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(橫向布置2片邊梁)。采用8 cm厚C50混凝土現(xiàn)澆層+防水層+10 cm AC-25C瀝青混凝土橋面鋪裝。其中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁見(jiàn)圖1。

混凝土采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為C50，軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)cd=22.4 MPa，軸心抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)td=1.83 MPa，彈性模量Ec=3.45×104MPa。

預(yù)應(yīng)力筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa、公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線。設(shè)計(jì)要求如下：1)預(yù)制箱梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%(且混凝土齡期不小于7 d)后，方可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；2)鋼束采用兩端對(duì)稱張拉，張拉順序?yàn)镹1，N3，N5，N2，N4號(hào)鋼束(其中，N1為2束3Φs15.2，N2，N3，N4均為2束5Φs15.2， N5為2束4Φs15.2)；3)鋼束張拉采用雙控，錨下控制應(yīng)力為0.75fpk，見(jiàn)圖2。

1.2 施工質(zhì)量缺陷

在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工并養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)預(yù)留試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、對(duì)實(shí)測(cè)梁體混凝土進(jìn)行超聲—回彈試驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)梁體混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的C50標(biāo)號(hào)要求，但稍超出C40標(biāo)號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)。

為合理節(jié)約資源、保障工期，擬對(duì)該梁進(jìn)行處治后利用。經(jīng)對(duì)該項(xiàng)目原設(shè)計(jì)圖紙等技術(shù)資料詳細(xì)計(jì)算分析后，本著技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、綠色環(huán)保的總原則，分別提出了對(duì)該梁采取梁底粘鋼加固、優(yōu)化預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力等兩個(gè)處治方案。

2 粘鋼加固處治方案

處治方案如下：仍采用原設(shè)計(jì)圖紙繼續(xù)施工，在箱梁梁底粘貼厚8 mm的Q345-C級(jí)鋼板加固(鋼板共4條，每條鋼板寬10 cm，均沿梁全長(zhǎng)布設(shè)，鋼板與梁底之間用5 mm厚結(jié)構(gòu)膠粘(環(huán)氧樹脂粘鋼膠，達(dá)到國(guó)家A級(jí)膠標(biāo)準(zhǔn))，鋼板用間距20 cm的高強(qiáng)化學(xué)錨栓與箱梁固定)[1,2]。

取預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力值為0.75fpk，混凝土按C40各項(xiàng)參數(shù)取值，采用MIDAS CIVIL建模計(jì)算。分析發(fā)現(xiàn)，采用粘鋼加固方案加固后，箱梁各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[3](驗(yàn)算指標(biāo)包括：正截面抗彎承載能力—規(guī)范第5.1.5條；斜截面抗剪承載能力—第5.1.5條及5.2.9條；抗扭承載能力—第5.1.5-1條及5.5.3條；結(jié)構(gòu)正截面抗裂長(zhǎng)期效應(yīng)組合、短期效應(yīng)組合驗(yàn)算—第6.3.1-1條；結(jié)構(gòu)斜截面抗裂驗(yàn)算—第6.3.1-2條；正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗(yàn)算—第7.1.5-1條；正截面受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算—第7.1.5-2條；斜截面混凝土的主壓應(yīng)力驗(yàn)算—第7.1.6條；短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算—第7.2.8條)。

3 調(diào)整張拉控制應(yīng)力方案

粘鋼加固需要較大的額外支出，且會(huì)嚴(yán)重影響到項(xiàng)目工期，由于設(shè)計(jì)方在很多情況下在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有適度的承載力安全儲(chǔ)備，本案例中混凝土實(shí)際強(qiáng)度較設(shè)計(jì)強(qiáng)度稍低，因此多方均傾向于在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下通過(guò)調(diào)整施工方案達(dá)到處治的目的。

經(jīng)反復(fù)試算，對(duì)原設(shè)計(jì)圖紙中結(jié)構(gòu)及施工方案進(jìn)行驗(yàn)算，以混凝土強(qiáng)度為C40、不改變預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)及張拉狀態(tài)進(jìn)行建模計(jì)算，發(fā)現(xiàn)除短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算不符合現(xiàn)行規(guī)范要求(梁頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力且局部范圍超限)外，其余控制指標(biāo)均滿足要求。因此，根據(jù)該梁現(xiàn)狀條件，考慮適當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力，預(yù)計(jì)可滿足規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo)要求。

提出調(diào)整張拉控制應(yīng)力處治方案如下：仍采用原設(shè)計(jì)圖紙繼續(xù)施工，對(duì)C40混凝土不進(jìn)行處治，但對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力值進(jìn)行調(diào)整，且預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)間調(diào)整為混凝土齡期不低于28 d[4]。

處治方案制定思路和探索過(guò)程：經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力值取0.75fpk,0.70fpk,0.65fpk，采用MIDAS CIVIL建模計(jì)算比對(duì)發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力值取0.70fpk,0.65fpk時(shí)箱梁都能滿足現(xiàn)行規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo)要求[3](驗(yàn)算指標(biāo)包括：正截面抗彎承載能力—規(guī)范第5.1.5條；斜截面抗剪承載能力—第5.1.5條及5.2.9條；抗扭承載能力—第5.1.5-1條及5.5.3條；結(jié)構(gòu)正截面抗裂長(zhǎng)期效應(yīng)組合、短期效應(yīng)組合驗(yàn)算—第6.3.1-1條；結(jié)構(gòu)斜截面抗裂驗(yàn)算—第6.3.1-2條；正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗(yàn)算—第7.1.5-1條；正截面受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算—第7.1.5-2條；斜截面混凝土的主壓應(yīng)力驗(yàn)算—第7.1.6條；短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算—第7.2.8條)。因此推薦采用張拉控制應(yīng)力值σcon=0.7fpk。

調(diào)整張拉控制應(yīng)力方案優(yōu)勢(shì)(與粘鋼加固處治方案比較)：可節(jié)省工期約7 d；不需額外花費(fèi)，節(jié)約投資約30萬(wàn)元；后期維護(hù)費(fèi)用低；耐久性好。調(diào)整張拉控制應(yīng)力方案缺點(diǎn)(與粘鋼加固處治方案比較)：梁體承載力有所降低；梁剛度有所下降(引起豎向撓度增大)。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目通過(guò)適度降低預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力，通過(guò)了各項(xiàng)指標(biāo)的驗(yàn)算要求，成橋檢測(cè)時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)也通過(guò)了驗(yàn)證，在滿足技術(shù)要求的前提下，使經(jīng)濟(jì)損失降到最低，且解決了梁體廢棄對(duì)環(huán)境的不利影響，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。與粘鋼加固方案比較，通過(guò)調(diào)整張拉控制應(yīng)力能節(jié)約成本、確保工期，且減少了后期對(duì)粘鋼防腐的要求。因此，在條件合適時(shí)采用適度降低預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力的方法，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都能達(dá)到最優(yōu)。但是，降低張拉控制應(yīng)力會(huì)使梁體承載力降低、剛度下降(豎向撓度變大)，因此采用該方案必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算論證后方可實(shí)施。