某跨线刚构桥预应力张拉施工病害补救措施研究

刘意中

(湖南天鹰建设有限公司， 湖南 常德　415000)



某跨线刚构桥预应力张拉施工病害补救措施研究

刘意中

(湖南天鹰建设有限公司， 湖南 常德415000)

摘要：针对某跨线刚构桥预应力张拉施工时顶板混凝土崩裂病害，研究病害产生的原因，并提出了凿除局部混凝土的钢束纠偏方案和增加横隔板的局部补强方案。对两种方案进行比选，主推增加隔板方案，并减少预应力数量调整桥梁受力，加厚桥面铺装调整结构线形，建模分析补救措施的效果。计算结果显示：经过补救可以满足规范的受力要求，保证了桥梁施工和运营安全。

关键词：刚构桥； 预应力张拉； 混凝土崩裂； 补救方案； 结构受力

1工程背景

某跨线刚构桥跨径布置为(2×75)m，上部结构采用C55预应力混凝土箱梁，下部结构为C40钢筋混凝土。总体布置见图1。刚构桥箱梁底部线形按二次抛物线变化，中支点梁高6.4 m，边支点梁高3.0 m。该桥墩号为1～3号，其中2～3号墩为跨线桥跨，为满足铁路部门要求，大桥采用先平行于铁路支架现浇再转体施工的方案，转体前现浇梁段长度为69 m，待转体完成后再边跨现浇边跨合龙段。转体T构在预应力张拉施工过程中，墩顶横隔板两侧的顶板下缘发生病害，出现大范围崩裂和脱落现象，本文分析病害产生的原因并提出相关补救措施，计算分析补救措施的有效性。

图1　跨线刚构桥立面布置图(单位： cm)

2病害原因及补救措施比选

2.1施工病害原因

为分析此次施工病害的起因，分别对混凝土强度和预应力束定位两个方面进行了现场检验，结果表明混凝土实测强度仅为C45，小于原设计的C55；针对顶板崩裂区附近的预应力管道进行开槽检测，其实际线型如图2所示。

图2　转体梁段顶板预应力纵向偏差(单位： cm)

图2显示顶板下缘崩裂病害区与预应力管道弯曲位置相对应，顶板钢束竖向定位偏差引起的竖向分力是此次病害产生的主要原因。发现病害后立即停止了预应力束张拉和灌浆，开始研究病害的补救措施。此时仍有部分钢束已经张拉暂未灌浆，部分钢束未张拉，出现病害截面处的预应力布置如图3所示，已张拉的钢束用空心圆点表示，未张拉钢束用实心圆点表示。参照国内多座桥梁的施工病害补救经验[1-6]，本文提出凿除顶板局部混凝土的钢束纠偏方案和增加横隔板的顶板局部补强方案。

2.2钢束纠偏方案

钢束纠偏方案需凿除钢束产生偏差的顶板区域，将预应力管道纠正回设计位置，然后再回浇混凝土以修复病害部位。需凿除的顶板范围纵桥向为墩顶处12 m，横桥向位置则为图3所示阴影部分。钢束纠偏方案的具体工序如表1所示。

图3　主墩位置截面的预应力分布情况(单位： cm)

表1 钢束纠偏方案施工工序工序编号施工工序内容1病害区域顶板束放张,并凿除对应部位顶板①2预应力管道纠偏,等强浇注凿除部位混凝土3重新张拉凿除部位预应力束②4按原设计张拉剩余钢束5按原设计完成剩余施工工序 注:①共需放张31根钢束;②重新张拉31根钢束。

基于MIDAS/Civil平台，对钢束纠偏方案的各个阶段的箱梁上下缘应力进行分析，计算结果见表2(应力符号按拉正压负取用，下同)。在预压应力作用下，回浇混凝土在各个阶段均受压，故表中仅给出最小应力值。

表2 钢束纠偏方案上下缘最值应力计算状态顶板应力/MPa未凿除后恢复最大值最小值最小值底板应力/MPa最大值最小值放张钢束、凿除截面0-8.5—0-6.97恢复截面、张拉钢束0-11.8-3.30-8.92张拉剩余钢束-4-15.2-6.8-1.5-11.5脱架、转体-4-13.6-5.1-1.5-12.7合龙成桥-5.1-15.2-6.8-2.6-15.1收缩徐变完成0-13.5-8.00-13.6运营阶段0-18.2-9.70-14.3

表中数据显示，实施补救方案的各施工阶段的顶、底板范围内均受压，压应力最大值为15.2 MPa，在实测强度C45混凝土的施工阶段应力允许值20.72 MPa范围内。对于运营阶段，C45混凝土的压应力允许值为14.8 MPa，而凿除部分以外的混凝土压应力达18.2 MPa。回浇混凝土部分的压应力则仅为9.7 MPa，表明回浇混凝土受压性能未能充分利用，该补救方案存在一定的缺点。

2.3局部补强方案

局部补强方案采用新增和加厚横隔板的方法，旨在对顶板崩裂处进行补强，补救方案的纵断面示意图见图4。

图4　补强方案主梁纵向断面示意(单位： cm)

局部补强方案的具体施工工序如表3所示。

表3 局部补强方案施工工序工序编号施工工序内容1继续完成已张拉的钢束的灌浆2清理病害部位混凝土3按照方案增加、加厚对应箱室内横隔板4按原设计张拉剩余钢束5按原设计完成剩余施工工序

基于MIDAS/Civil平台，对局部补强方案各阶段的箱梁上下缘应力进行分析，计算结果见表4。

表4 局部补强方案上下缘最值应力计算状态顶板应力/MPa底板应力/MPa最大值最小值最大值最小值现状钢束0-90-8.6全部钢束完成张拉-4.2-11.6-1.5-11.2托架、转体就位-4.1-10.2-1.6-12.5合龙成桥0-11.60-14.9收缩徐变完成0-10.60-13.4运营阶段-1.1-15.6-0.2-13.8

表中数据显示，该补救方案的各施工阶段上下缘均受压，最大压应力为15.6 MPa，在实测强度C45混凝土的施工阶段应力允许值20.72 MPa范围内。对于运营阶段，C45混凝土的压应力允许值为14.9 MPa，而顶板混凝土压应力达15.6 MPa，应力水平略高于规范要求。

2.4方案比选

经计算分析，钢束纠偏方案和局部补强方案均能较为有效地解决这一病害，其中钢束纠偏方案对桥梁的外形没有影响，但施工难度较大，且运营阶段回浇混凝土的压应力水平仅为9.7 MPa，而对应该部位附近的旧混凝土压应力则达18.2 MPa，超限3.4 MPa；局部加强方案对桥梁外观有一定的影响，但施工难度小，新增工程量较小，顶板混凝土最大压应力为15.6 MPa，超限0.8 MPa。经过对比分析，综合确定推荐采用局部补强方案。

3推荐方案优化

3.1结构应力优化

鉴于原设计预应力水平下局部补强方案中，主墩中心线附近梁顶在荷载标准组合作用下最大压应力达15.6 MPa，需对顶板内预应力进行部分调整。计算表明原设计预应力安全系数较高，建议减少部分预应力钢束以降低箱梁顶板应力水平，预应力束调整的具体方案如下。

转体施工前的施工中需减少ZT06、BT05、BT10、BT11、BT12和BT12′钢束各2束，以及4束ZT11钢束，将原来的22根1束改为15根1束；减少2束ZT04钢束，将原来的19根1束改为15根1束。对于上述钢束中已经张拉的钢束，需对其进行部分放张以满足调整方案要求。转体施工后合龙钢束的张拉控制应力从0.75fpk降低至0.68fpk，fpk表示钢绞线抗拉强度标准值。

通过对预应力束进行调整，原应力超限位置处的荷载标准组合应力降至规范允许范围，最大压应力为14.75 MPa。

3.2主梁线形优化

预应力束优化后，局部补强方案的主梁脱架后下挠变形达7.1 cm，而原设计的梁端最大竖向挠度为4.2 cm，超出2.9 cm。为确保梁体线形连续，采用调整桥面铺装厚度的方法，在转体部分的梁端铺装增厚2.9 cm，墩顶铺装厚度不变，而在墩顶和梁端之间进行线性插值，并在结构计算中计入铺装层厚度变化引起的荷载。

4结构整体计算分析

基于MIDAS/Civil软件平台，考虑实际预应力施工偏差影响，对应力和线形优化后的局部补救方案进行建模分析，并对病害发生区域的单元划分进行细化，桥梁整体有限元模型如图5所示。

图5　有限元计算模型

4.1施工阶段结果分析

基于MIDAS/Civil平台，对应力和线形优化后局部补强方案的各个阶段的箱梁上下缘应力进行计算分析，应力计算结果见表5。

表5 优化后局部补强方案上下缘最值应力计算状态顶板应力/MPa底板应力/MPa最大值最小值最大值最小值现状钢束0-9.00-8.6全部钢束完成张拉-3.1-11.2-1.8-10.7托架、转体就位-3.1-9.3-1.8-12.7合龙成桥0-10.30-13.6收缩徐变完成0-9.60-12.2

表5数据显示，实施补救措施后，各施工阶段的箱梁上下缘均受压，最大压应力为13.7 MPa<20.72 MPa，在实测强度C45混凝土的施工阶段应力允许值范围内。

4.2成桥阶段结果分析

实施优化的局部补强方案后，对主梁在各个荷载组合作用下的各项指标进行计算分析，主要结果如下：

主梁抗弯承载能力验算：主梁在基本组合作用下的最大正弯矩为166 413.7 kN·m，小于结构抗力401 212.8 kN·m，最大负弯矩为-1 807 370 kN·m，小于结构抗力-2 196 755.8 kN·m，最大正、负弯矩截面位置分别为距墩顶55.5 m处和距墩顶4.0 m处。结果表明结构内力值均在抗力允许范围内，梁体承载能力满足要求。

主梁抗裂验算：主梁在短期组合作用下，箱梁顶板在墩顶区域最大拉应力为0.57 MPa，底板范围内均受压，无拉应力出现。由于采用梁单元进行模拟，墩顶区域顶板拉应力是由计算失真引起的，且拉应力水平较低，故可以认为主梁的正截面抗裂满足规范中关于全预应力计算的要求。此时主梁截面的最大主拉应力为0.92 MPa，最大主拉应力出现在墩顶附近区域且在混凝土主拉应力允许范围以内，斜截面抗裂满足规范要求。

主梁压应力验算：主梁在标准组合作用下，箱梁顶板最大压应力值为14.71 MPa，最大应力点位于距墩顶12 m处截面，且小于截面正应力限值14.8 MPa；箱梁底板最大压应力值为12.66 MPa，位于合龙段附近区域，故主梁压应力满足规范要求。箱梁顶板标准组合最大主压应力值为14.71 MPa，位于距墩顶12 m处截面，且小于截面主压应力限值17.76 MPa，斜截面主压应力满足规范要求。

结构挠度验算：不计自重挠度，荷载短期效应组合作用下的结构挠度为22.4 mm，并计入挠度的长期效应系数，得到最终的挠度值为1.437 5×22.4 mm=32.2 mm，小于挠度限值L/600=75 000 mm/600=125 mm，结构挠度值满足规范要求。

综上所述，结构的各项受力和变形均满足规范要求，表明优化后的局部补强方案对于解决钢束定位偏差引起的顶板下缘崩裂病害是有效、可靠的。

5结论

本文以某跨线刚构桥预应力张拉施工时顶板混凝土崩裂病害为背景，参照国内施工病害处治经验，提出了钢束纠偏方案和局部补强方案。通过新增和加厚隔板，优化病害区域顶板受力的局部补强方案，具有梁体受力均匀，施工难度小等优点，比选确定为病害补救推荐方案。针对推荐方案特点，采用调整预应力数量优化桥梁受力，并调整桥面铺装厚度优化结构线形，优化后桥梁结构的各项受力和变形均能通过控制在规范允许范围以内。

鉴于桥梁原有设计的富余度较高，解决局部混凝土抗压强度不足的问题，切实可行的方法是通过适当减少预应力数量降低混凝土压应力水平。实际工程中采用了该补救措施，保证了桥梁结构施工和运营期间的安全可靠。

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中图分类号：U 448.23

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0093-04