鋼混疊合梁體外預應力加固施工控制探析

熊亞平

摘要 為分析體外預應力加固技術在鋼混疊合梁中應用的技術要點，以某跨河橋梁為例，在其鋼箱梁架設完成并拆除臨時支撐后，提出預應力鋼絞線錨固鋼齒板和轉向裝置結合應用的加固方案；通過Abaqus軟件構建該簡支鋼混疊合梁分析模型，對疊合梁體外預應力加固施工過程中撓度、裂縫變化趨勢及破壞形態進行模擬；基于模擬結果，對包括鋼箱梁預制、安裝，預應力混凝土橋面板施工等在內的施工要點展開分析。結果表明，優化后的鋼齒板與原結構基本形成聯合受力體系，對原結構損傷小；優化后的轉向塊較好利用了原結構橫隔板，便于預應力鋼絞線的后期更換；取得了較好的施工控制效果。

關鍵詞 鋼混疊合梁；體外預應力；加固；施工控制

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0110-04

0 引言

疊合梁質量輕，受力性能優異，施工快速，造型美觀，在大型超寬超長結構中較為常用。疊合梁由兩種完全不同材料的結構組合而成，結構受力和變形特征截然不同。橋面板和鋼結構通過剪力鍵連接成協同受力變形結構，鋼梁受拉性能、混凝土抗壓優勢可在疊合梁正彎矩區得到較好發揮。但在負彎矩區因上部結構拉應力的存在，橋面板在受到收縮徐變后發生裂縫的可能性明顯增大，對結構受力極為不利。就加固方案而言，在疊合梁內張拉體外預應力能較好避免主橋加固后恒載增大及鋼箱梁剛度削弱而使原結構安全性能降低，較好解決鋼混疊合梁跨中下撓過大及跨中下緣應力儲備不足問題?；诖?，該文依托具體橋梁，對鋼混疊合梁體外預應力加固施工過程展開分析，并對控制要點進行探討，以資借鑒。

1 工程概況

某高速公路跨河橋梁為9跨設計，其中6跨為預應力鋼混組合連續箱梁，3跨為鋼箱梁。預應力鋼混組合連續箱梁跨徑33 m+42 m+33 m，高1.6 m，為半橋單室雙箱結構。橋面板通過C50混凝土現澆。施工期間，在架設好鋼箱梁且澆筑橋面板混凝土前拆除臨時支撐，跨中截面隨即表現出下緣應力儲備不足現象。為此，決定在鋼箱梁內張拉體外預應力進行加固。預應力鋼絞線采用標準抗拉強度1 860 MPa的8-Фs15高強度、低松弛鋼絞線。

2 體外預應力加固方案

從該簡支鋼混疊合梁實際出發，提出預應力鋼絞線錨固鋼齒板和轉向裝置結合應用的加固方案。

2.1 錨固鋼齒板

以Q355D鋼材為主要材料，由加勁鋼板和傳力鋼板兩部分構成錨固鋼齒板。其中，傳力鋼板通過雙面坡口熔透焊接方式與原鋼箱梁腹板和底板連接；加勁鋼板則通過角焊縫連接傳力鋼板，并通過雙面坡口熔透焊方式連接原鋼箱梁底板。加勁鋼板和傳力鋼板將所承受的預應力傳遞至原鋼箱梁腹板與底板，從而形成共同受力體系[1]。15-7YM預應力錨固頭通過M16螺栓和止退鋼板連接，以便將預應力張拉期間錨具夾片回縮量控制在最小范圍，降低預應力損失。

2.2 轉向裝置

通過該裝置起到預應力張拉過程中限制預應力鋼束整體上移的作用，并為此后預應力鋼絞線復張拉和更換提供便利。轉向裝置應設置在各橫隔板處，一端焊接于橫隔板穿孔，另一端和新增擋板焊連。在轉向裝置安裝時，應在錨固板錨頭開孔齊平處進行擋板開孔；提前將開孔部位磨圓，并設置3 mm長的倒角，防止開孔施工對預應力鋼絞線造成損傷。為便于后期預應力鋼束更換，必須在兩端鋼管上緣先開設進料口和出料口，并灌注Ⅱ類水泥基漿液，待漿液固結后橫隔板和轉向裝置便形成整體結構。

2.3 預應力鋼束張拉

加固施工方案確定后，分批次對稱交錯展開鋼箱內縱向預應力鋼束張拉。具體流程如下：進行錨固鋼齒板和轉向裝置安裝和焊接→通過M16螺栓連接錨頭和止退鋼板→通過防水密封膠密封鋼板間空隙并借助聚氨酯泡沫膠密封錨固板→預應力鋼束穿束后按1 kN張拉并拉直→應用防水密封膠密封鋼束保護套管并在鋼套管內灌注水泥基漿料→待灌漿料強度達到設計要求后展開二次張拉，張拉過程按設計張拉力的10%、30%、50%、75%、100%分五級進行[2]。張拉施工期間若出現異常情況必須立即暫停張拉，及時處理。

3 有限元分析

3.1 模型構建

為全面掌握疊合梁體外預應力加固施工過程中撓度、裂縫變化趨勢及破壞形態，應用Abaqus軟件構建該簡支鋼混疊合梁分析模型[3]，展開施工過程模擬。有限元模型見圖1。

3.2 模擬結果

3.2.1 破壞形態

預應力張拉之初疊合梁受力、變形等均無明顯變化；當張拉力引起的加載量超出300 kN后，梁體表面出現首道裂縫，為方便分析，將此道裂縫標號為LF1；當加載量達到780 kN以上，梁體開始出現下緣屈服，先后出現11條裂縫，依次編號為LF2～LF12；當加載量超出900 kN，結構表現出塑性破壞。

LF1裂縫長21 cm，寬0.08 mm；待加載至320 kN時，在LF1對稱部位出現第二條裂縫LF2，此后隨著加載量的持續增大，裂縫數量逐漸增多。待加載至650 kN時，LF1裂縫寬度增至0.2 mm；隨著加載量的繼續增大，全部裂縫均演變為貫通性裂縫。根據以上結果，該鋼混疊合梁受彎構件破壞最嚴重的部位在跨中區域，受壓區和受拉區交界位置；貫穿性裂縫周圍強度薄弱，剪切滑移易于發生；因有限元模型中混凝土保護層厚度較大，隨著加載量的持續增大，橫向箍筋對混凝土開裂的抑制作用相應增大[4]，故內部貫通裂縫間距與橫向箍筋接近，均為100 mm。

3.2.2 撓度及承載力分析

不同跨徑荷載作用下鋼混疊合梁撓度變化情況模擬結果見圖2。圖中A、B、C點分別表示首條裂縫出現、疊合梁下緣屈服、全截面屈服。由圖可知，在A點前鋼混疊合梁跨中撓度隨加載量的增大而增加，橋梁結果處于彈性工作狀態；當首條裂縫出現后荷載增幅下降，AB段斜率也明顯減??；超出B點后疊合梁屈服程度持續增大，荷載增幅繼續下降；到達C點后荷載曲線近乎水平，表明BC段疊合梁基本處于彈塑性工作狀態。

在展開鋼混疊合梁設計時，開裂彎矩、極限彎矩、屈服彎矩設計值分別為156 kN·m、540 kN·m、468 kN·m。

此后，根據鋼混疊合梁承載力模擬分析結果，其開裂彎矩、極限彎矩、屈服彎矩分別取147 kN·m、539.2 kN·m、430.7 kN·m?？梢?，有限元模擬值與設計值基本吻合，也從側面反映出設計方案的合理性及模擬分析結果的可靠性。

3.2.3 預應力筋設置

預應力筋設置主要包括預應力筋位置調整、張拉水平設計等內容。為便于分析，提出S/B指標，其中S為混凝土板對稱軸側預應力筋合力點與對稱軸間的距離，B為1/2板寬；通過該指標體現結構承受開裂荷載的能力。為保證疊合梁結構的穩定性，在模擬分析時將張拉應力水平控制在設計張拉力σ的50%～80%之間。

為得出不同S/B值對疊合梁結構開裂荷載造成的影響，在預應力筋間距不變時調整張拉力度，以觀察開裂荷載隨張拉力變動的變化趨勢，結果見表1。根據表中結果，在S/B取值為0.1時，預應力筋基本呈集中分布，實際分布區域明顯比有效分布寬度小，不利于均勻受力；當S/B取值在0.15～0.5之間時，混凝土板開裂荷載明顯增大，并達到峰值，合力點則集中分布于對稱軸側中心區域，疊合梁腹板上部混凝土板明顯表現出中間大兩頭小的分布，預應力筋對裂縫抑制效果良好。當S/B值超出0.5后，開裂荷載明顯下降。

可見，為保證疊合梁結構受力穩定，必須將對稱軸側預應力筋合力點控制在S/B值取0.15～0.5的范圍內。此外，根據模擬結果，在S/B值從0.4增至0.65的過程中，實際張拉力對開裂荷載和開裂程度也有影響，如果實際張拉力為50%σ，則開裂荷載降幅為7.2%；如果實際張拉力取80%σ，則開裂荷載降幅為14.4%。也就是說，隨著實際張拉力的增大，開裂荷載對S/B值的變動更加敏感。

為分析預應力筋間距對開裂荷載的影響，在模擬時假定S/B值固定取0.4，當預應力筋間距依次取100 mm、200 mm、300 mm和400 mm時，開裂荷載分別為244.31 kN、243.06 kN、244.82 kN、241.01 kN?？梢姡A應力筋間距的改變對開裂荷載的影響并不明顯。

綜上分析，隨著疊合梁體外預應力張拉水平的調整，梁體開裂荷載主要受到S/B值的影響較大，且基本呈先升后降的變化趨勢；開裂荷載在S/B值取0.4時達到峰值；在S/B值固定不變的情況下，單純調整預應力筋間距，對開裂荷載的影響十分微弱[5]。

4 體外預應力加固施工工藝

4.1 鋼箱梁制作

該簡支鋼混疊合梁鋼箱梁分5段預制，長度依次為25 m、18 m、22 m、18 m、25 m，通過電腦展開1∶1放樣；縱向結構應按1 mm/m加放焊接收縮量。根據焊接工藝確定焊材。

預制好的鋼箱梁到場后應展開理化檢測和無損檢測。理化檢測就是對原材料展開理化檢驗。待焊縫焊接完成，在24 h內實施外觀檢查并按照《公路橋涵施工技術規范》（JTGT 3650—2020）展開無損檢測，規范中未盡事宜參考《鋼焊縫射線照片及底片分類法》（GB 3323—2016）。結合實際施工質量控制要求，全部對接焊縫必須為Ⅰ級，在100%超探檢測后，按10%的比例進行X光抽檢。上翼緣板、底板和腹板處角焊縫全部按照Ⅱ級焊接要求處理。

使用與設計涂料相適應的方法和等級展開構件表面除銹，涂層厚度和涂裝遍數等均應滿足設計要求。根據涂料產品說明書選擇溫度和相對濕度合適的涂裝環境；若說明書無明確要求，則應在5～38 ℃之間且相對濕度≤85%的環境下展開。

考慮該橋梁結構的特殊性及施工質量要求較高，故應按以下要求展開質量控制：鋼板通過氧乙炔火焰精密切割，不得剪切；鋼樣條制作時必須充分考慮銑刨邊加工量和焊接過程中可能的收縮量，主要構件對接時鋼板軋制方向應同部件受力方向；構件涂裝前應反復核實涂料種類、質量及涂裝部位，涂裝除銹等級必須達到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T 8923.1—2011）中Sa2.5級的要求。

4.2 鋼箱梁吊裝

鋼組合梁預制完成后運至施工現場吊裝，并形成鋼梁連續結構，此后鋪筑預制板并澆筑橋面混凝土，以形成鋼混組合結構。期間必須搭建強度和剛度均符合要求的臨時拼裝支架。結合鋼梁分段要求，應同時搭建16個尺寸為450×250 cm的拼裝支架，其中8個支架搭建在3～4#軸和5～6#軸間，另外8個支架搭建在上下行車道處。前8個支架全部采用碗式結構，按照橫橋向和順橋向均為30 cm的步距搭建，使用50 cm厚的二灰土砂礫加固基礎。后8個支架則使用Q235b鋼貝雷架，通過150×150 cm的方木墊實后直接搭建。

該橋梁工程共20件鋼箱梁，結構重量最大為43 t，因周圍場地限制，通過1臺380 t汽車吊吊裝；按照設計要求計算確定吊點位置。吊裝施工前必須復測墩頂、橋臺高程、中線和跨徑，將誤差控制在允許范圍內。吊裝過程中，應安排技術人員實時觀察支架剛度、強度以及構件受力，保證鋼箱梁吊裝順利展開。

吊裝完成后通過高強螺栓連接，螺栓應使用附帶扭矩計的扳手通過扭矩法擰緊；安排測量人員就位后展開鋼梁拱度檢測，核實數據。在各片鋼梁腹板跨中布設沉降觀測點，分別于鋼梁吊裝就位、澆筑橋面板混凝土前后展開沉降觀測。

為確保鋼箱梁外形與拱度，還應嚴格控制胎具搭設高程，加強施焊遍數及焊縫高度、寬度控制。完成鋼箱梁吊裝后展開橫縱梁實際標高量測，并進行預拱度復核，防止跨中下撓、支座脫空。

4.3 預應力混凝土橋面板施工

4.3.1 翼緣板支架搭設

為降低施工影響，擬采用懸臂法展開鋼箱梁外翼緣板施工，并按60 cm間距設置特制三角桁架以支撐橋面板翼緣板底模。三角桁架側面增設可調節底托，進行橋面模板位置的調整與控制；三角桁架與模板安裝期間必須栓接，保證施工安全。

臨時支架搭設前必須展開荷載計算，充分考慮支架變形和地基沉降，按設計要求預留拱度。支架搭設完成后安裝砂箱時必須考慮鋼梁安裝后受力體系轉換，并便于臨時支架拆除。

4.3.2 鋼筋綁扎

以預制混凝土板為鋼箱梁橋面板，安裝好后必須安排技術人員檢查鋼筋型號、綁扎尺寸、鋼筋位置，避免混凝土澆筑時產生松動、變形。將相應強度和數量的墊塊按50 cm以內的間距布設于模板和鋼筋間，增強鋼筋保護層厚度。對鋼筋焊接接頭現場進行取樣，展開力學檢測，測試結果必須符合要求。

順著橋線垂直布設橫向鋼筋，通長焊接縱向鋼筋。為防止鋼筋網因受到橋面板混凝土澆筑沖擊后發生下沉，必須將鋼筋和抗剪栓釘牢固綁扎；整個鋪裝層鋼筋網必須一次綁扎完成。此外，還應嚴格控制鋼筋保護層厚度，該厚度過大則容易引發鋪裝層混凝土裂縫。

嚴格按照設計要求的孔道坐標展開波紋管鋪設；波紋管定位鋼筋架間距控制在50 cm以內，定位鋼筋必須和橋面鋼筋牢固焊接，孔道與定位鋼筋穩固綁扎。為防止混凝土澆筑過程中水泥灰漿漏進管道，波紋管接頭處必須使用套管，并用膠帶纏繞密實；在管道波峰處開設排氣孔。

4.3.3 橋面板澆筑

該簡支鋼混疊合梁橋面板澆筑使用商品混凝土，在混凝土泵車和輸送泵的配合下泵送，按照從低處向高處、從一端向另一端的次序分層展開。澆筑期間必須加強波紋管保護及平整度控制，順著橋跨向焊接4道鋼筋高程樁，由刮杠找平，木抹子成活。該橋梁面板混凝土強度大，水灰比高，出現裂縫的可能性大。必須在澆筑完成后覆蓋土工布標準養護，灑水養生。

4.3.4 預應力張拉

待混凝土實際強度達到設計要求后，根據設計次序展開預應力張拉，張拉施工采用張拉力和鋼絞線張拉伸長量雙控，伸長量誤差不得超出?6%～+6%范圍。張拉期間加載與卸載速度必須勻速適中，并控制鋼束回縮量以及張拉前后鋼混疊合梁拱度變化，保證橋面鋪裝層施工質量。

5 結論

工程應用結果表明，預應力鋼混疊合梁材料用量節省，結構高度較低，抗疲勞性和強度均較好，承載力高。施工期間通過加強控制，明確質量要點，便可通過傳統施工方法和簡單施工工藝取得較好的結構性能。該鋼混疊合梁體外預應力加固實踐中采用了預應力鋼絞線錨固鋼齒板和轉向裝置方案，其中鋼齒板通過雙面坡口熔透焊形式與原橋梁腹板、底板形成整體性結構，受力良好；轉向裝置也與橋梁橫隔板構成整體結構，為鋼絞線后期更換提供了便利。

參考文獻

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