桥梁预应力堵管开槽施工力学行为分析

冯永胜, 李文元

[摘要]后张法预应力桥梁结构在施工过程中时常会出现波纹管堵管现象，工程实践中一般采用开槽法处理大范围堵管病害。对悬浇过程中进行了开槽施工的连续刚构桥结构進行有限元仿真分析，研究了结构在开槽施工过程中的力学行为并讨论了结构的安全性，找出了结构在开槽过程中的薄弱部位，为施工保证措施的制定提供了指导。

[关键词]连续刚构桥； 堵管； 开槽法； 有限元

[中国分类号]U448.35                  [文献标志码]A

0引言

后张法预应力施工在悬浇预应力混凝土桥梁中普遍应用，其一般施工流程为行走挂篮—绑扎钢筋—安装波纹管—浇筑混凝土—养护—穿束—张拉—灌浆。其中预应力波纹管的主要作用是保护钢绞线在混凝土浇筑过程中不被污损。在设有通长束的结构中，波纹管还需为后期穿束的钢绞线预留出孔道，然而在施工过程中常常出现波纹管破损导致堵管的现象，或由于波纹管固定不牢在混凝土振捣过程中出现错位的现象［1］。

对于堵管现象的处理，工程中常用的做法是探明堵管位置再进行局部钻孔再对堵塞处进行清理［2-3］。对于堵塞范围较大或预应力管道出现严重错位的情况，则需结构上进行开槽作业，再重新埋设预应力管道［4-5］。本文依托实际工程，对进行此类开槽施工的结构进行仿真分析，讨论此类修复方式对结构的承载能力的影响程度，研究开槽施工过程中结构的力学行为。

1工程概况

本文以一座悬浇至3#块发生严重堵管现象的连续刚构桥作为研究对象。该桥主梁为单箱双室结构，C55预应力混凝土，顶板宽17.1 m，底板宽11.1 m，外翼板悬臂宽3 m，堵管的钢束位于边跨侧中腹板与中跨侧边腹板位置，包括6束腹板束与1束顶板束，发生堵管的预应力钢束位置见图1。

2堵管开槽修复施工工艺

开槽修复首先按放样坐标在腹板侧面用红色油漆标出控制点，然后将各控制点平滑地连成线，形成管道轴线。用红色油漆将管道轴线分别向上、向下偏移10 cm，画出开槽边线。

然后进行开槽作业。先用砂轮切割机沿红色油漆切出开槽边线，用电锤沿切割线小锤密凿，先将边线凿开，用电锤将钢筋保护层部分混凝土凿除，细致剥出钢筋及波纹管，注意对钢筋及波纹管的保护，用空压机凿素混凝土部分，最后用电锤对槽内不规则部分进行修边。

开槽完成后进行界面处理。用钢丝刷等工具清除原构件混凝土表面松动的骨料、砂砾、浮碴和粉尘，并用清洁的压力水冲洗干净，混凝土表面应粗糙、洁净。

界面处理完成后进行波纹管安装。割除槽道一端的2根腹板钢筋，将按孔道长度下好料的波纹管从割除钢筋的一头送至另一头，再按25 cm一道加支撑筋固定波纹管，支撑筋与腹板钢筋焊接。

最后进行填充混凝土灌注。模板可采用厚钢板制作，上口做成斜面，便于混凝土下料。模板上钻孔，用钢丝连接腹板钢筋和模板，达到加固模板的作用。具体施工流程如图2所示。

3开槽后箱梁强度分析

3.1计算模型及计算工况的确定

实体分析采用ANSYS有限元分析软件，取全桥边、中跨3#块之间的部分进行计算，模型顺桥向共30 m。在有限元软件中采用Solid92单元模拟混凝土，Link8单元模拟预应力钢绞线，2种类型的单元均具有x、y、z 3个方向的自由度。考虑结构普通钢筋影响，混凝土采用折算弹性模量E-R，其计算原理见式（1）［6］。

E-R=Ec（1+μEs-EcEc）（1）

式中：E-R为钢筋混凝土折算弹性模量；Ec为混凝土弹性模量；

Es为钢筋弹性模量；

μ为配筋率。

开槽施工时的主桥状态为3#块悬臂浇筑已完成，发生管道错位的预应力钢束有W4、W5、W6、W8，其中W4、W5、W6为腹板束，W8为顶板束。边跨W5管道开窗位置在中腹板上游，其余管道开窗位置均位于中腹板下游，开槽只涉及2#块。中跨发生管道错位的预应力钢束有W4、W5、W6、W8，其中W5管道开槽位置在边腹板上游，其余管道开槽位置均位于边腹板下游，开槽涉及2#块与3#块。

在实际开槽施工过程中应当逐条开槽逐条恢复，计算中考虑最不利工况进行，即一次全部开槽完成，凿除部分全部退出工作，结构内力重新分布。计算荷载考虑结构自重、已张拉预应力荷载、挂篮荷载、风荷载、温度荷载、施工临时荷载，取各荷载最不利值标准组合进行计算。

3.2不利工况下结构应力分布

本章计算着重关注开槽位置处腹板的受力情况，由于开槽是对箱梁截面的削弱，但开槽面积只占箱梁总截面积的0.1%～0.3%，从宏观的角度来看，开槽带来的截面削弱并不会对结构平均应力造成较大影响，但在局部微观层面，开槽施工必然会造成槽口附近的内力重分布，图3和图4给出了进行开槽施工的一片腹板在开槽前后的顶、底板顺桥向应力对比。

据上述计算结果，腹板受开槽影响拉应力增幅最大为0.2 MPa，压应力增幅最大增幅为0.2 MPa，在悬臂浇筑的初期阶段，结构本来的应力水平并不高，开槽施工造成的拉、压应力增幅分别占腹板平均应力水平的8%和26%，开槽在一定程度上改变了结构的内力分布，引起了相当大的拉应力增幅，提高了结构开裂的风险。

由于结构本来的应力水平不高，即使在局部应力增幅较大的情况下，开槽后的结构除在锚固点附近处于较高的应力水平，腹板其余位置均处于较低的应力水平，图5和图6为开槽施工后结构在顺桥向和横桥向的应力云图。

3.3槽口位置处应力分析

从结构整体的应力计算结果可以看出开槽施工的应力影响范围主要集中在槽口附近，由于槽口混凝土退出工作，应力在此处较小范围内出现重分布，故着重对开槽槽口的应力分布进行单独研究，选择槽口应力较大的中跨W5、W8钢束分别绘制其槽口内外侧的延程主应力变化曲线见图7与图8。表1和表2分别对每条槽口内外侧的最大主压应力和最大主拉应力进行了统计。

从计算结果可以看出，开槽施工后，各条槽口内侧主拉应力总体上大于槽口外侧，槽口内外侧的主压应力基本相当。进一步分析可以得知，凿除部分混凝土后在截面横向应力增大，应力在局部范围内重新分布，且更易向槽口内侧集中，槽口内侧成为受力薄弱部位。若槽口路径靠近其他预应力钢束锚固点，锚固点处的高应力水平会造成槽口沿程应力曲线的突变，锚固点附近槽口成为开裂风险最大的区域。

从本文研究的结构出发，采用第一强度理论对开槽后的结构强度进行评价，以其主拉应力作为破坏控制条件，槽口最大主拉应力为0.16 MPa，构件采用C55混凝土，依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》相关规定，在最不利开槽工况下构件拉应力小于规范限定值，构件处于安

全状态。恢复后的槽口填充混凝土重新参与结构受力，成桥后的腹板压应力水平在10-1 MPa级，可以认为开槽施工过程中出现的局部拉应力不会对成桥内力状态造成较大影响。

4开槽恢复施工保证措施

根据本文计算结果并结合已有技术条件，在构件开槽、恢复整个施工过程中可以采取以下措施来减小结构出现病害的风险。开槽作业宜逐孔进行，在前一条槽口恢复完毕后再进行下一孔道的开槽施工，待全部槽口恢复完成后再进行预应力张拉施工；填充混凝土中应合理掺入外加剂改善槽口填充混凝土的收缩性能，并保证槽口填充混凝土的密实性，防止局部结构开裂；槽口截面应充分清洗并做凿毛处理，保证槽口填充混凝土与原腹板混凝土的良好结合性能；开槽施工过程中切断的普通钢筋应预留恢复时的焊接长度，保证普通钢筋有效恢复连接。

5结论

对于悬臂浇筑桥梁结构，在悬臂浇筑的前期阶段对发生堵管或管道错位的钢束进行开槽恢复是相对安全的。开槽施工一定程度上削弱了构件截面，引起结构内力重分布，开槽施工过程中槽口内侧存在相对较大的开裂风险，当槽口路径上分布有预应力钢束锚固点时，锚固点处的高应力状态会对槽口局部受力造成不利影响。开槽施工及槽口恢复过程中应采取有效措施减小开槽对结构的扰动，提高填充混凝土施工质量，以期更好地保证结构在开槽及恢复过程中的安全性。

参考文献

［1］赵治国. 后张法预应力砼桥梁施工技术应用研究［D］. 大庆：东北石油大学， 2012.

［2］金晶. 预应力波纹管堵塞计算分析与研究［J］. 科技创新与应用， 2012（18）：21-22.

［3］江拔奇， 薛继连. 波纹管预应力孔道的防堵措施［J］. 铁道建筑技术， 1999（1）：19-20.

［4］陈炜新. 27m跨预应力梁钢铰线波纹管灌浆堵管处理技术［J］. 广东水利水电， 2004（S2）：1-2.

［5］王有志. 桥梁的可靠性评估与加固［M］. 北京： 中國水利水电出版社， 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.