橋梁預應力堵管開槽施工力學行為分析

馮永勝, 李文元

[摘要]后張法預應力橋梁結構在施工過程中時常會出現(xiàn)波紋管堵管現(xiàn)象，工程實踐中一般采用開槽法處理大范圍堵管病害。對懸澆過程中進行了開槽施工的連續(xù)剛構橋結構進行有限元仿真分析，研究了結構在開槽施工過程中的力學行為并討論了結構的安全性，找出了結構在開槽過程中的薄弱部位，為施工保證措施的制定提供了指導。

[關鍵詞]連續(xù)剛構橋； 堵管； 開槽法； 有限元

[中國分類號]U448.35? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

后張法預應力施工在懸澆預應力混凝土橋梁中普遍應用，其一般施工流程為行走掛籃—綁扎鋼筋—安裝波紋管—澆筑混凝土—養(yǎng)護—穿束—張拉—灌漿。其中預應力波紋管的主要作用是保護鋼絞線在混凝土澆筑過程中不被污損。在設有通長束的結構中，波紋管還需為后期穿束的鋼絞線預留出孔道，然而在施工過程中常常出現(xiàn)波紋管破損導致堵管的現(xiàn)象，或由于波紋管固定不牢在混凝土振搗過程中出現(xiàn)錯位的現(xiàn)象［1］。

對于堵管現(xiàn)象的處理，工程中常用的做法是探明堵管位置再進行局部鉆孔再對堵塞處進行清理［2-3］。對于堵塞范圍較大或預應力管道出現(xiàn)嚴重錯位的情況，則需結構上進行開槽作業(yè)，再重新埋設預應力管道［4-5］。本文依托實際工程，對進行此類開槽施工的結構進行仿真分析，討論此類修復方式對結構的承載能力的影響程度，研究開槽施工過程中結構的力學行為。

1工程概況

本文以一座懸澆至3#塊發(fā)生嚴重堵管現(xiàn)象的連續(xù)剛構橋作為研究對象。該橋主梁為單箱雙室結構，C55預應力混凝土，頂板寬17.1 m，底板寬11.1 m，外翼板懸臂寬3 m，堵管的鋼束位于邊跨側中腹板與中跨側邊腹板位置，包括6束腹板束與1束頂板束，發(fā)生堵管的預應力鋼束位置見圖1。

2堵管開槽修復施工工藝

開槽修復首先按放樣坐標在腹板側面用紅色油漆標出控制點，然后將各控制點平滑地連成線，形成管道軸線。用紅色油漆將管道軸線分別向上、向下偏移10 cm，畫出開槽邊線。

然后進行開槽作業(yè)。先用砂輪切割機沿紅色油漆切出開槽邊線，用電錘沿切割線小錘密鑿，先將邊線鑿開，用電錘將鋼筋保護層部分混凝土鑿除，細致剝出鋼筋及波紋管，注意對鋼筋及波紋管的保護，用空壓機鑿素混凝土部分，最后用電錘對槽內(nèi)不規(guī)則部分進行修邊。

開槽完成后進行界面處理。用鋼絲刷等工具清除原構件混凝土表面松動的骨料、砂礫、浮碴和粉塵，并用清潔的壓力水沖洗干凈，混凝土表面應粗糙、潔凈。

界面處理完成后進行波紋管安裝。割除槽道一端的2根腹板鋼筋，將按孔道長度下好料的波紋管從割除鋼筋的一頭送至另一頭，再按25 cm一道加支撐筋固定波紋管，支撐筋與腹板鋼筋焊接。

最后進行填充混凝土灌注。模板可采用厚鋼板制作，上口做成斜面，便于混凝土下料。模板上鉆孔，用鋼絲連接腹板鋼筋和模板，達到加固模板的作用。具體施工流程如圖2所示。

3開槽后箱梁強度分析

3.1計算模型及計算工況的確定

實體分析采用ANSYS有限元分析軟件，取全橋邊、中跨3#塊之間的部分進行計算，模型順橋向共30 m。在有限元軟件中采用Solid92單元模擬混凝土，Link8單元模擬預應力鋼絞線，2種類型的單元均具有x、y、z 3個方向的自由度。考慮結構普通鋼筋影響，混凝土采用折算彈性模量E-R，其計算原理見式（1）［6］。

E-R=Ec（1+μEs-EcEc）（1）

式中：E-R為鋼筋混凝土折算彈性模量；Ec為混凝土彈性模量；

Es為鋼筋彈性模量；

μ為配筋率。

開槽施工時的主橋狀態(tài)為3#塊懸臂澆筑已完成，發(fā)生管道錯位的預應力鋼束有W4、W5、W6、W8，其中W4、W5、W6為腹板束，W8為頂板束。邊跨W5管道開窗位置在中腹板上游，其余管道開窗位置均位于中腹板下游，開槽只涉及2#塊。中跨發(fā)生管道錯位的預應力鋼束有W4、W5、W6、W8，其中W5管道開槽位置在邊腹板上游，其余管道開槽位置均位于邊腹板下游，開槽涉及2#塊與3#塊。

在實際開槽施工過程中應當逐條開槽逐條恢復，計算中考慮最不利工況進行，即一次全部開槽完成，鑿除部分全部退出工作，結構內(nèi)力重新分布。計算荷載考慮結構自重、已張拉預應力荷載、掛籃荷載、風荷載、溫度荷載、施工臨時荷載，取各荷載最不利值標準組合進行計算。

3.2不利工況下結構應力分布

本章計算著重關注開槽位置處腹板的受力情況，由于開槽是對箱梁截面的削弱，但開槽面積只占箱梁總截面積的0.1%～0.3%，從宏觀的角度來看，開槽帶來的截面削弱并不會對結構平均應力造成較大影響，但在局部微觀層面，開槽施工必然會造成槽口附近的內(nèi)力重分布，圖3和圖4給出了進行開槽施工的一片腹板在開槽前后的頂、底板順橋向應力對比。

據(jù)上述計算結果，腹板受開槽影響拉應力增幅最大為0.2 MPa，壓應力增幅最大增幅為0.2 MPa，在懸臂澆筑的初期階段，結構本來的應力水平并不高，開槽施工造成的拉、壓應力增幅分別占腹板平均應力水平的8%和26%，開槽在一定程度上改變了結構的內(nèi)力分布，引起了相當大的拉應力增幅，提高了結構開裂的風險。

由于結構本來的應力水平不高，即使在局部應力增幅較大的情況下，開槽后的結構除在錨固點附近處于較高的應力水平，腹板其余位置均處于較低的應力水平，圖5和圖6為開槽施工后結構在順橋向和橫橋向的應力云圖。

3.3槽口位置處應力分析

從結構整體的應力計算結果可以看出開槽施工的應力影響范圍主要集中在槽口附近，由于槽口混凝土退出工作，應力在此處較小范圍內(nèi)出現(xiàn)重分布，故著重對開槽槽口的應力分布進行單獨研究，選擇槽口應力較大的中跨W5、W8鋼束分別繪制其槽口內(nèi)外側的延程主應力變化曲線見圖7與圖8。表1和表2分別對每條槽口內(nèi)外側的最大主壓應力和最大主拉應力進行了統(tǒng)計。

從計算結果可以看出，開槽施工后，各條槽口內(nèi)側主拉應力總體上大于槽口外側，槽口內(nèi)外側的主壓應力基本相當。進一步分析可以得知，鑿除部分混凝土后在截面橫向應力增大，應力在局部范圍內(nèi)重新分布，且更易向槽口內(nèi)側集中，槽口內(nèi)側成為受力薄弱部位。若槽口路徑靠近其他預應力鋼束錨固點，錨固點處的高應力水平會造成槽口沿程應力曲線的突變，錨固點附近槽口成為開裂風險最大的區(qū)域。

從本文研究的結構出發(fā)，采用第一強度理論對開槽后的結構強度進行評價，以其主拉應力作為破壞控制條件，槽口最大主拉應力為0.16 MPa，構件采用C55混凝土，依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》相關規(guī)定，在最不利開槽工況下構件拉應力小于規(guī)范限定值，構件處于安

全狀態(tài)。恢復后的槽口填充混凝土重新參與結構受力，成橋后的腹板壓應力水平在10-1 MPa級，可以認為開槽施工過程中出現(xiàn)的局部拉應力不會對成橋內(nèi)力狀態(tài)造成較大影響。

4開槽恢復施工保證措施

根據(jù)本文計算結果并結合已有技術條件，在構件開槽、恢復整個施工過程中可以采取以下措施來減小結構出現(xiàn)病害的風險。開槽作業(yè)宜逐孔進行，在前一條槽口恢復完畢后再進行下一孔道的開槽施工，待全部槽口恢復完成后再進行預應力張拉施工；填充混凝土中應合理摻入外加劑改善槽口填充混凝土的收縮性能，并保證槽口填充混凝土的密實性，防止局部結構開裂；槽口截面應充分清洗并做鑿毛處理，保證槽口填充混凝土與原腹板混凝土的良好結合性能；開槽施工過程中切斷的普通鋼筋應預留恢復時的焊接長度，保證普通鋼筋有效恢復連接。

5結論

對于懸臂澆筑橋梁結構，在懸臂澆筑的前期階段對發(fā)生堵管或管道錯位的鋼束進行開槽恢復是相對安全的。開槽施工一定程度上削弱了構件截面，引起結構內(nèi)力重分布，開槽施工過程中槽口內(nèi)側存在相對較大的開裂風險，當槽口路徑上分布有預應力鋼束錨固點時，錨固點處的高應力狀態(tài)會對槽口局部受力造成不利影響。開槽施工及槽口恢復過程中應采取有效措施減小開槽對結構的擾動，提高填充混凝土施工質(zhì)量，以期更好地保證結構在開槽及恢復過程中的安全性。

參考文獻

［1］趙治國. 后張法預應力砼橋梁施工技術應用研究［D］. 大慶：東北石油大學， 2012.

［2］金晶. 預應力波紋管堵塞計算分析與研究［J］. 科技創(chuàng)新與應用， 2012（18）：21-22.

［3］江拔奇， 薛繼連. 波紋管預應力孔道的防堵措施［J］. 鐵道建筑技術， 1999（1）：19-20.

［4］陳煒新. 27m跨預應力梁鋼鉸線波紋管灌漿堵管處理技術［J］. 廣東水利水電， 2004（S2）：1-2.

［5］王有志. 橋梁的可靠性評估與加固［M］. 北京： 中國水利水電出版社， 2002.

［6］Abdullah， A. B. M， Rice， Jennifer A， et al. A thermal analysis of flexible filler injection for unbonded post-tensioning tendons［J］. Construction & Building Materials， 126（NOV.15）：599-608.