地鐵運營期箱梁缺陷處置技術

昌進 曾繁裕 李鵬飛 劉鐵

貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴陽 550081

1工程概況

貴陽市地鐵1號線軍山大橋8#—11#墩為（30+40+30）m預應力混凝土連續箱梁。該箱梁斷面尺寸為頂板寬10.0 m，底板寬4.6 m，梁高2.0 m，于2017年6月投入使用［1-2］。

2021年8月巡檢時發現，該橋8#—9#墩間（距8#墩21.5 m處）箱梁右側預應力齒塊起彎點（距齒塊端部1.52 m處）混凝土開裂與脫落。箱梁齒塊端部截面見圖1。

圖1 連續箱梁齒塊端部截面（單位：cm）

2 缺陷區域現場檢測及原因分析

2.1 現場檢測

經全面排查，該橋整體情況良好，僅在8#—9#墩間箱梁右側預應力齒塊起彎點處發現混凝土開裂與脫落，且有5條不規則縱向裂縫，裂縫寬度0.20～0.37 mm，其他位置未見異常。

采取回彈法檢測，箱梁混凝土強度在53.9～54.2 MPa，大于設計值50 MPa。進行雷達掃描探傷，箱梁頂板預應力齒塊起彎點破損處裂縫深度均達到混凝土表層以下4～11 mm。

2.2 箱梁缺陷原因分析

查閱施工資料［3-4］，箱梁鋼筋綁扎、預應力管道布設、混凝土澆筑、預應力張拉均按設計及規范要求施工，未出現異常情況。

結合現場箱梁外觀和實體檢測結果綜合分析，預應力齒塊起彎點破損的主要原因是預應力筋錨固導致齒塊附近局部承壓，部分混凝土拉應力超過最大拉應力。

3 處置方法選定

缺陷處置應盡量減少對既有橋梁結構的影響，同時處置完成后應確保箱梁具有足夠的強度、剛度和耐久性。

經查閱相關文獻［5-7］，國內常用處置方法有體外預應力法、粘貼鋼板法和增設橫隔板法。其優缺點對比見表1。

表1 箱梁缺陷處置方法對比

綜合考慮箱梁缺陷處置各種方法的特點和城市地鐵運營要求，確定采用增設橫隔板法。橫隔板采用80 cm厚C60鋼筋混凝土結構，并預留過人孔。箱室內增設的橫隔板斷面見圖2。

圖2 箱室內增設的橫隔板斷面（單位：cm）

4 數值模擬

采用MIDAS有限元軟件建立箱梁整體受力、局部梁段受力和預應力損失下局部梁段受力三種數值模型。根據不同模型模擬分析增設橫隔板對箱梁受力的影響。

4.1 箱梁整體受力分析

箱梁整體模型見圖3（a）。箱梁采用梁單元模擬，共有梁單元52個，節點69個。邊界采用一般支承模擬。荷載組合為主力（自重+二期恒載）+附加力（溫度荷載）。增加的橫隔板按照集中荷載施加在相應位置。考慮到連續箱梁最大彎矩出現在支點和跨中，僅分析這兩處彎矩變化情況。模擬計算結果見表2。可知：增設橫隔板前后箱梁支點、跨中彎矩變化率分別為0.82%、0.55%，增設橫隔板不影響箱梁受力。

圖3 箱梁有限元模型

表2 箱梁不同位置彎矩對比

根據計算結果，箱梁的上下緣均未出現拉應力。荷載組合作用下箱梁上下緣壓應力對比見表3。可知：增設橫隔板前后，支點處箱梁的上下緣壓應力變化率分別為0.07%、0.63%，跨中處箱梁的上下緣壓應力變化率分別為0.06%、0.64%，增設橫隔板不影響箱梁受力。

表3 箱梁上下緣壓應力對比

4.2 箱梁局部梁段受力分析

4.2.1 不考慮預應力損失

箱梁及橫隔板采用4節點四面體實體單元，模型共有32 542個節點，116 526個單元。預應力鋼筋采用鋼筋單元，與混凝土單元耦合。荷載組合為自重+二期恒載+列車荷載。箱梁局部梁段模型參見圖3（b）。

局部梁段、齒塊、橫隔板所受最大應力見表4。其中，受拉為正，受壓為負。可知：順橋向箱梁最大壓應力6.8 MPa，小于18.4 MPa的規范限值。齒塊最大拉應力為1.53 MPa，小于2.17 MPa的規范限值。橫隔板最大拉應力為0.82 MPa，小于2.45 MPa的規范限值。因此，在荷載組合作用下局部梁段受力滿足規范要求。

表4 箱梁局部梁段最大應力值

4.2.2 考慮預應力損失

箱梁及橫隔板采用實體單元，模型共5 294個節點，11 563個單元。預應力鋼筋采用植入式鋼筋單元，與混凝土單元耦合。將箱梁缺陷及其處置引發的預應力損失按照損失10%、20%計算，并與不考慮預應力損失時計算結果對比。

三種工況下箱梁應力計算結果見表5。其中，受拉為正，受壓為負。可知：預應力損失10%、20%時，順橋向箱梁最大拉應力分別增加6.4%、22.7%，最大壓應力分別增加6.3%、22.7%，橫橋向箱梁最大拉應力分別增加10.0%、32.5%，最大壓應力分別增加7.3%、31.7%。考慮預應力損失后，最大壓應力小于18.4 MPa的規范限值，最大拉應力小于2.17 MPa的規范限值，受力滿足要求。

表5 不同預應力損失工況下箱梁應力對比MPa

5 箱梁缺陷處置

5.1 處置流程（圖4）

5.2 處置要點

①開工前應與運營部門聯系，做好施工防護及前期準備工作，確保施工和運營安全；②鑿除齒塊表面松散破碎混凝土，鑿除過程中應保護預應力筋；③齒塊處寬度小于0.15 mm的裂縫采用表面封閉法處理，寬度大于0.15 mm的裂縫采用靜壓注射法處理；④新澆混凝土與梁體結合面鑿毛，清除浮漿，并清洗干凈，以增加新老混凝土之間的黏結；⑤植筋之前運用鋼筋探測儀對結構體內鋼筋進行探測，避免傷及鋼筋，植筋后做拉拔試驗驗證鋼筋的錨固效果；⑥對混凝土進行配合比試驗，要求3 d內強度、彈性模量均達到設計值的80%；⑦施工期間對橋梁變形進行監測，并制定應急處置措施。

6 靜載試驗

缺陷處置完成后對該箱梁進行靜載試驗，驗證橋梁整體受力性能。選取處置部位相鄰兩跨（8#—9#墩間、9#—10#墩間）箱梁進行靜載試驗，使用2輛地鐵列車作為試驗荷載。單輛列車質量為206.4 t，軸距、軸重見圖5。

圖5 列車軸距、軸重示意（長度單位：cm）

為模擬荷載的大彎矩效應，沿縱橋向變換試驗列車位置，設計3種加載工況：工況1，荷載加載于8#—9#墩間正彎矩中心；工況2，荷載加載于9#墩負彎矩中心；工況3，荷載加載于9#—10#墩間正彎矩中心。箱梁控制截面（A-A、B-B、C-C）、撓度測點（Di）與應變測點（Li）布置見圖6。

圖6 箱梁靜載試驗測試截面和測點布置

箱梁的撓度主要發生在跨中A-A、C-C截面。不同工況下跨中截面撓度見表6。其中：理論值是根據鐵運函〔2004〕120號《鐵路橋梁檢定規范》附錄U2中方法計算所得。

表6 不同工況下跨中截面撓度

由表6可知：①該橋各測點撓度實測值均小于理論值，表明跨中結構剛度滿足要求且具有一定的安全儲備。②該橋各測點撓度校驗系數在0.72～0.77，滿足0.70～0.80的規范要求，表明結構處于良好彈性工作狀態。③該橋各測點撓度殘余度最大值17.24%，滿足小于20%的規范要求，表明卸載后結構彈性恢復能力較好。

不同工況下各截面應變見表7。其中理論值為根據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中要求計算所得。可知：①該橋各測點應變實測值均小于理論值，表明結構強度滿足要求且具有一定的安全儲備。②該橋各測點應變校驗系數在0.90～0.95，滿足0.90～1.00規范要求，結構處于良好彈性工作狀態。③該橋各測點應變殘余度最大值為19.78%，滿足小于20%的規范要求。

表7 不同工況下各截面應變

7 現場監測

為驗證處置效果，分別在箱梁預應力齒塊根部、增設橫隔板處和箱梁跨中3個位置設置沉降監測斷面，每個斷面設置3個測點。經過一年的監測，箱梁最大沉降-1.93 mm，滿足±10 mm的規范要求。

8 結語

在不影響地鐵正常運營的情況下，該工程通過增設橫隔板對箱梁頂板預應力齒塊起彎點處混凝土開裂與脫落進行處置。有限元數值分析和靜載試驗結果顯示，此處置方案不影響箱梁結構受力。處置完成后經過一年的監測，最大沉降滿足規范要求，驗證了該處置方案的合理性。