地铁运营期箱梁缺陷处置技术

2023-01-09昌进曾繁裕李鹏飞刘铁

铁道建筑 2022年11期

关键词：隔板箱梁弯矩

昌进曾繁裕李鹏飞刘铁

贵阳市公共交通投资运营集团有限公司，贵阳 550081

1工程概况

贵阳市地铁1号线军山大桥8#—11#墩为（30+40+30）m预应力混凝土连续箱梁。该箱梁断面尺寸为顶板宽10.0 m，底板宽4.6 m，梁高2.0 m，于2017年6月投入使用［1-2］。

2021年8月巡检时发现，该桥8#—9#墩间（距8#墩21.5 m处）箱梁右侧预应力齿块起弯点（距齿块端部1.52 m处）混凝土开裂与脱落。箱梁齿块端部截面见图1。

图1 连续箱梁齿块端部截面（单位：cm）

2 缺陷区域现场检测及原因分析

2.1 现场检测

经全面排查，该桥整体情况良好，仅在8#—9#墩间箱梁右侧预应力齿块起弯点处发现混凝土开裂与脱落，且有5条不规则纵向裂缝，裂缝宽度0.20～0.37 mm，其他位置未见异常。

采取回弹法检测，箱梁混凝土强度在53.9～54.2 MPa，大于设计值50 MPa。进行雷达扫描探伤，箱梁顶板预应力齿块起弯点破损处裂缝深度均达到混凝土表层以下4～11 mm。

2.2 箱梁缺陷原因分析

查阅施工资料［3-4］，箱梁钢筋绑扎、预应力管道布设、混凝土浇筑、预应力张拉均按设计及规范要求施工，未出现异常情况。

结合现场箱梁外观和实体检测结果综合分析，预应力齿块起弯点破损的主要原因是预应力筋锚固导致齿块附近局部承压，部分混凝土拉应力超过最大拉应力。

3 处置方法选定

缺陷处置应尽量减少对既有桥梁结构的影响，同时处置完成后应确保箱梁具有足够的强度、刚度和耐久性。

经查阅相关文献［5-7］，国内常用处置方法有体外预应力法、粘贴钢板法和增设横隔板法。其优缺点对比见表1。

表1 箱梁缺陷处置方法对比

综合考虑箱梁缺陷处置各种方法的特点和城市地铁运营要求，确定采用增设横隔板法。横隔板采用80 cm厚C60钢筋混凝土结构，并预留过人孔。箱室内增设的横隔板断面见图2。

图2 箱室内增设的横隔板断面（单位：cm）

4 数值模拟

采用MIDAS有限元软件建立箱梁整体受力、局部梁段受力和预应力损失下局部梁段受力三种数值模型。根据不同模型模拟分析增设横隔板对箱梁受力的影响。

4.1 箱梁整体受力分析

箱梁整体模型见图3（a）。箱梁采用梁单元模拟，共有梁单元52个，节点69个。边界采用一般支承模拟。荷载组合为主力（自重+二期恒载）+附加力（温度荷载）。增加的横隔板按照集中荷载施加在相应位置。考虑到连续箱梁最大弯矩出现在支点和跨中，仅分析这两处弯矩变化情况。模拟计算结果见表2。可知：增设横隔板前后箱梁支点、跨中弯矩变化率分别为0.82%、0.55%，增设横隔板不影响箱梁受力。

图3 箱梁有限元模型

表2 箱梁不同位置弯矩对比

根据计算结果，箱梁的上下缘均未出现拉应力。荷载组合作用下箱梁上下缘压应力对比见表3。可知：增设横隔板前后，支点处箱梁的上下缘压应力变化率分别为0.07%、0.63%，跨中处箱梁的上下缘压应力变化率分别为0.06%、0.64%，增设横隔板不影响箱梁受力。

表3 箱梁上下缘压应力对比

4.2 箱梁局部梁段受力分析

4.2.1 不考虑预应力损失

箱梁及横隔板采用4节点四面体实体单元，模型共有32 542个节点，116 526个单元。预应力钢筋采用钢筋单元，与混凝土单元耦合。荷载组合为自重+二期恒载+列车荷载。箱梁局部梁段模型参见图3（b）。

局部梁段、齿块、横隔板所受最大应力见表4。其中，受拉为正，受压为负。可知：顺桥向箱梁最大压应力6.8 MPa，小于18.4 MPa的规范限值。齿块最大拉应力为1.53 MPa，小于2.17 MPa的规范限值。横隔板最大拉应力为0.82 MPa，小于2.45 MPa的规范限值。因此，在荷载组合作用下局部梁段受力满足规范要求。

表4 箱梁局部梁段最大应力值

4.2.2 考虑预应力损失

箱梁及横隔板采用实体单元，模型共5 294个节点，11 563个单元。预应力钢筋采用植入式钢筋单元，与混凝土单元耦合。将箱梁缺陷及其处置引发的预应力损失按照损失10%、20%计算，并与不考虑预应力损失时计算结果对比。

三种工况下箱梁应力计算结果见表5。其中，受拉为正，受压为负。可知：预应力损失10%、20%时，顺桥向箱梁最大拉应力分别增加6.4%、22.7%，最大压应力分别增加6.3%、22.7%，横桥向箱梁最大拉应力分别增加10.0%、32.5%，最大压应力分别增加7.3%、31.7%。考虑预应力损失后，最大压应力小于18.4 MPa的规范限值，最大拉应力小于2.17 MPa的规范限值，受力满足要求。

表5 不同预应力损失工况下箱梁应力对比MPa

5 箱梁缺陷处置

5.1 处置流程（图4）

5.2 处置要点

①开工前应与运营部门联系，做好施工防护及前期准备工作，确保施工和运营安全；②凿除齿块表面松散破碎混凝土，凿除过程中应保护预应力筋；③齿块处宽度小于0.15 mm的裂缝采用表面封闭法处理，宽度大于0.15 mm的裂缝采用静压注射法处理；④新浇混凝土与梁体结合面凿毛，清除浮浆，并清洗干净，以增加新老混凝土之间的黏结；⑤植筋之前运用钢筋探测仪对结构体内钢筋进行探测，避免伤及钢筋，植筋后做拉拔试验验证钢筋的锚固效果；⑥对混凝土进行配合比试验，要求3 d内强度、弹性模量均达到设计值的80%；⑦施工期间对桥梁变形进行监测，并制定应急处置措施。

6 静载试验

缺陷处置完成后对该箱梁进行静载试验，验证桥梁整体受力性能。选取处置部位相邻两跨（8#—9#墩间、9#—10#墩间）箱梁进行静载试验，使用2辆地铁列车作为试验荷载。单辆列车质量为206.4 t，轴距、轴重见图5。

图5 列车轴距、轴重示意（长度单位：cm）

为模拟荷载的大弯矩效应，沿纵桥向变换试验列车位置，设计3种加载工况：工况1，荷载加载于8#—9#墩间正弯矩中心；工况2，荷载加载于9#墩负弯矩中心；工况3，荷载加载于9#—10#墩间正弯矩中心。箱梁控制截面（A-A、B-B、C-C）、挠度测点（Di）与应变测点（Li）布置见图6。

图6 箱梁静载试验测试截面和测点布置

箱梁的挠度主要发生在跨中A-A、C-C截面。不同工况下跨中截面挠度见表6。其中：理论值是根据铁运函〔2004〕120号《铁路桥梁检定规范》附录U2中方法计算所得。

表6 不同工况下跨中截面挠度

由表6可知：①该桥各测点挠度实测值均小于理论值，表明跨中结构刚度满足要求且具有一定的安全储备。②该桥各测点挠度校验系数在0.72～0.77，满足0.70～0.80的规范要求，表明结构处于良好弹性工作状态。③该桥各测点挠度残余度最大值17.24%，满足小于20%的规范要求，表明卸载后结构弹性恢复能力较好。

不同工况下各截面应变见表7。其中理论值为根据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中要求计算所得。可知：①该桥各测点应变实测值均小于理论值，表明结构强度满足要求且具有一定的安全储备。②该桥各测点应变校验系数在0.90～0.95，满足0.90～1.00规范要求，结构处于良好弹性工作状态。③该桥各测点应变残余度最大值为19.78%，满足小于20%的规范要求。