強度不達標PC箱梁調整張拉控制應力處治方法★

李 秀 朱紅兵 許成祥 向 杰,3 李成玉

(1.武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065； 3.北京邁達斯技術有限公司，北京 100044)

預應力混凝土(PC)箱梁具有截面抗扭能力強、承載力高等力學特性，且具有經濟指標好、施工速度快等優點，是中小跨徑橋梁的常用結構形式。由于施工過程中的混凝土原材料問題或施工養護原因，有時箱梁的梁體混凝土強度達不到設計要求，使得施工方陷于進退兩難的境地：將梁廢棄會嚴重影響工期并增加項目成本，且廢棄梁會對環境造成一定的破壞；不予理會又因質量缺陷通不過工程竣工驗收。針對此種情況，采用粘貼鋼板等加固方法往往是一個較好的選擇，但也會有成本增大、工期延長、后期養護難度增大等問題。

本文針對某箱梁橋混凝土強度不達標但較接近設計值的情況，提出了粘貼鋼板加固[1,2]、適度調整預應力筋張拉控制應力等兩種處治方案[3,4]，并進行了驗算。最終采納了適度調整預應力筋張拉控制應力的處治措施，取得了較好的效果。

1 工程背景及質量缺陷

1.1 工程概況

湖北地區某引水水利設施，主要建筑物為明渠。為滿足明渠段兩側道路通行要求，需根據實際情況在明渠段新建或還建跨越明渠的橋梁。技術標準等級為：道路等級為等外級公路；設計荷載采用公路—Ⅱ級；環境類別為Ⅰ類，設計基準期為100年；設計使用年限50年。

某新建跨明渠橋梁全長61 m，橋面全寬為6.2 m(0.5 m護欄+5.2 m行車道+0.5 m護欄)。橋梁平面位于直線段，中線與渠道中線為90°交角。橋面設2.0%對稱縱坡、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簡支預應力混凝土空心板(橫向布置2片中板及2片邊板)，中跨采用30 m簡支預應力混凝土箱梁(橫向布置2片邊梁)。采用8 cm厚C50混凝土現澆層+防水層+10 cm AC-25C瀝青混凝土橋面鋪裝。其中預應力混凝土箱梁見圖1。

混凝土采用普通硅酸鹽水泥，標號為C50，軸心抗壓設計強度fcd=22.4 MPa，軸心抗拉設計強度ftd=1.83 MPa，彈性模量Ec=3.45×104MPa。

預應力筋采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa、公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線。設計要求如下：1)預制箱梁混凝土達到設計強度的85%(且混凝土齡期不小于7 d)后，方可張拉預應力鋼束；2)鋼束采用兩端對稱張拉，張拉順序為N1，N3，N5，N2，N4號鋼束(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，錨下控制應力為0.75fpk，見圖2。

1.2 施工質量缺陷

在預應力混凝土箱梁現場澆筑施工并養護28 d后，對預留試塊進行抗壓強度試驗、對實測梁體混凝土進行超聲—回彈試驗，均發現梁體混凝土強度未達到設計要求的C50標號要求，但稍超出C40標號強度指標。

為合理節約資源、保障工期，擬對該梁進行處治后利用。經對該項目原設計圖紙等技術資料詳細計算分析后，本著技術可靠、經濟節約、綠色環保的總原則，分別提出了對該梁采取梁底粘鋼加固、優化預應力張拉控制應力等兩個處治方案。

2 粘鋼加固處治方案

處治方案如下：仍采用原設計圖紙繼續施工，在箱梁梁底粘貼厚8 mm的Q345-C級鋼板加固(鋼板共4條，每條鋼板寬10 cm，均沿梁全長布設，鋼板與梁底之間用5 mm厚結構膠粘(環氧樹脂粘鋼膠，達到國家A級膠標準)，鋼板用間距20 cm的高強化學錨栓與箱梁固定)[1,2]。

取預應力張拉控制應力值為0.75fpk，混凝土按C40各項參數取值，采用MIDAS CIVIL建模計算。分析發現，采用粘鋼加固方案加固后，箱梁各項指標都能滿足現行規范要求[3](驗算指標包括：正截面抗彎承載能力—規范第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；結構正截面抗裂長期效應組合、短期效應組合驗算—第6.3.1-1條；結構斜截面抗裂驗算—第6.3.1-2條；正截面混凝土法向壓應力驗算—第7.1.5-1條；正截面受拉區鋼筋拉應力驗算—第7.1.5-2條；斜截面混凝土的主壓應力驗算—第7.1.6條；短暫狀況構件應力驗算—第7.2.8條)。

3 調整張拉控制應力方案

粘鋼加固需要較大的額外支出，且會嚴重影響到項目工期，由于設計方在很多情況下在設計時會有適度的承載力安全儲備，本案例中混凝土實際強度較設計強度稍低，因此多方均傾向于在確保結構安全的前提下通過調整施工方案達到處治的目的。

經反復試算，對原設計圖紙中結構及施工方案進行驗算，以混凝土強度為C40、不改變預應力筋根數及張拉狀態進行建模計算，發現除短暫狀況構件應力驗算不符合現行規范要求(梁頂板出現拉應力且局部范圍超限)外，其余控制指標均滿足要求。因此，根據該梁現狀條件，考慮適當降低預應力筋張拉控制應力，預計可滿足規范各項指標要求。

提出調整張拉控制應力處治方案如下：仍采用原設計圖紙繼續施工，對C40混凝土不進行處治，但對預應力筋的預應力張拉控制應力值進行調整，且預應力筋張拉時間調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程：經過對預應力張拉控制應力值取0.75fpk,0.70fpk,0.65fpk，采用MIDAS CIVIL建模計算比對發現，預應力張拉控制應力值取0.70fpk,0.65fpk時箱梁都能滿足現行規范各項指標要求[3](驗算指標包括：正截面抗彎承載能力—規范第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；結構正截面抗裂長期效應組合、短期效應組合驗算—第6.3.1-1條；結構斜截面抗裂驗算—第6.3.1-2條；正截面混凝土法向壓應力驗算—第7.1.5-1條；正截面受拉區鋼筋拉應力驗算—第7.1.5-2條；斜截面混凝土的主壓應力驗算—第7.1.6條；短暫狀況構件應力驗算—第7.2.8條)。因此推薦采用張拉控制應力值σcon=0.7fpk。

調整張拉控制應力方案優勢(與粘鋼加固處治方案比較)：可節省工期約7 d；不需額外花費，節約投資約30萬元；后期維護費用低；耐久性好。調整張拉控制應力方案缺點(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 結語

該項目通過適度降低預應力筋的張拉控制應力，通過了各項指標的驗算要求，成橋檢測時各項指標也通過了驗證，在滿足技術要求的前提下，使經濟損失降到最低，且解決了梁體廢棄對環境的不利影響，達到了節能環保的目標。與粘鋼加固方案比較，通過調整張拉控制應力能節約成本、確保工期，且減少了后期對粘鋼防腐的要求。因此，在條件合適時采用適度降低預應力筋張拉控制應力的方法，技術經濟指標都能達到最優。但是，降低張拉控制應力會使梁體承載力降低、剛度下降(豎向撓度變大)，因此采用該方案必須經過嚴格的計算論證后方可實施。