钢混叠合梁体外预应力加固施工控制探析

熊亚平

摘要 为分析体外预应力加固技术在钢混叠合梁中应用的技术要点，以某跨河桥梁为例，在其钢箱梁架设完成并拆除临时支撑后，提出预应力钢绞线锚固钢齿板和转向装置结合应用的加固方案；通过Abaqus软件构建该简支钢混叠合梁分析模型，对叠合梁体外预应力加固施工过程中挠度、裂缝变化趋势及破坏形态进行模拟；基于模拟结果，对包括钢箱梁预制、安装，预应力混凝土桥面板施工等在内的施工要点展开分析。结果表明，优化后的钢齿板与原结构基本形成联合受力体系，对原结构损伤小；优化后的转向块较好利用了原结构横隔板，便于预应力钢绞线的后期更换；取得了较好的施工控制效果。

关键词 钢混叠合梁；体外预应力；加固；施工控制

中图分类号 U445.72文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0110-04

0 引言

叠合梁质量轻，受力性能优异，施工快速，造型美观，在大型超宽超长结构中较为常用。叠合梁由两种完全不同材料的结构组合而成，结构受力和变形特征截然不同。桥面板和钢结构通过剪力键连接成协同受力变形结构，钢梁受拉性能、混凝土抗压优势可在叠合梁正弯矩区得到较好发挥。但在负弯矩区因上部结构拉应力的存在，桥面板在受到收缩徐变后发生裂缝的可能性明显增大，对结构受力极为不利。就加固方案而言，在叠合梁内张拉体外预应力能较好避免主桥加固后恒载增大及钢箱梁刚度削弱而使原结构安全性能降低，较好解决钢混叠合梁跨中下挠过大及跨中下缘应力储备不足问题。基于此，该文依托具体桥梁，对钢混叠合梁体外预应力加固施工过程展开分析，并对控制要点进行探讨，以资借鉴。

1 工程概况

某高速公路跨河桥梁为9跨设计，其中6跨为预应力钢混组合连续箱梁，3跨为钢箱梁。预应力钢混组合连续箱梁跨径33 m+42 m+33 m，高1.6 m，为半桥单室双箱结构。桥面板通过C50混凝土现浇。施工期间，在架设好钢箱梁且浇筑桥面板混凝土前拆除临时支撑，跨中截面随即表现出下缘应力储备不足现象。为此，决定在钢箱梁内张拉体外预应力进行加固。预应力钢绞线采用标准抗拉强度1 860 MPa的8-Фs15高强度、低松弛钢绞线。

2 体外预应力加固方案

从该简支钢混叠合梁实际出发，提出预应力钢绞线锚固钢齿板和转向装置结合应用的加固方案。

2.1 锚固钢齿板

以Q355D钢材为主要材料，由加劲钢板和传力钢板两部分构成锚固钢齿板。其中，传力钢板通过双面坡口熔透焊接方式与原钢箱梁腹板和底板连接；加劲钢板则通过角焊缝连接传力钢板，并通过双面坡口熔透焊方式连接原钢箱梁底板。加劲钢板和传力钢板将所承受的预应力传递至原钢箱梁腹板与底板，从而形成共同受力体系[1]。15-7YM预应力锚固头通过M16螺栓和止退钢板连接，以便将预应力张拉期间锚具夹片回缩量控制在最小范围，降低预应力损失。

2.2 转向装置

通过该装置起到预应力张拉过程中限制预应力钢束整体上移的作用，并为此后预应力钢绞线复张拉和更换提供便利。转向装置应设置在各横隔板处，一端焊接于横隔板穿孔，另一端和新增挡板焊连。在转向装置安装时，应在锚固板锚头开孔齐平处进行挡板开孔；提前将开孔部位磨圆，并设置3 mm长的倒角，防止开孔施工对预应力钢绞线造成损伤。为便于后期预应力钢束更换，必须在两端钢管上缘先开设进料口和出料口，并灌注Ⅱ类水泥基浆液，待浆液固结后横隔板和转向装置便形成整体结构。

2.3 预应力钢束张拉

加固施工方案确定后，分批次对称交错展开钢箱内纵向预应力钢束张拉。具体流程如下：进行锚固钢齿板和转向装置安装和焊接→通过M16螺栓连接锚头和止退钢板→通过防水密封胶密封钢板间空隙并借助聚氨酯泡沫胶密封锚固板→预应力钢束穿束后按1 kN张拉并拉直→应用防水密封胶密封钢束保护套管并在钢套管内灌注水泥基浆料→待灌浆料强度达到设计要求后展开二次张拉，张拉过程按设计张拉力的10%、30%、50%、75%、100%分五級进行[2]。张拉施工期间若出现异常情况必须立即暂停张拉，及时处理。

3 有限元分析

3.1 模型构建

为全面掌握叠合梁体外预应力加固施工过程中挠度、裂缝变化趋势及破坏形态，应用Abaqus软件构建该简支钢混叠合梁分析模型[3]，展开施工过程模拟。有限元模型见图1。

3.2 模拟结果

3.2.1 破坏形态

预应力张拉之初叠合梁受力、变形等均无明显变化；当张拉力引起的加载量超出300 kN后，梁体表面出现首道裂缝，为方便分析，将此道裂缝标号为LF1；当加载量达到780 kN以上，梁体开始出现下缘屈服，先后出现11条裂缝，依次编号为LF2～LF12；当加载量超出900 kN，结构表现出塑性破坏。

LF1裂缝长21 cm，宽0.08 mm；待加载至320 kN时，在LF1对称部位出现第二条裂缝LF2，此后随着加载量的持续增大，裂缝数量逐渐增多。待加载至650 kN时，LF1裂缝宽度增至0.2 mm；随着加载量的继续增大，全部裂缝均演变为贯通性裂缝。根据以上结果，该钢混叠合梁受弯构件破坏最严重的部位在跨中区域，受压区和受拉区交界位置；贯穿性裂缝周围强度薄弱，剪切滑移易于发生；因有限元模型中混凝土保护层厚度较大，随着加载量的持续增大，横向箍筋对混凝土开裂的抑制作用相应增大[4]，故内部贯通裂缝间距与横向箍筋接近，均为100 mm。

3.2.2 挠度及承载力分析

不同跨径荷载作用下钢混叠合梁挠度变化情况模拟结果见图2。图中A、B、C点分别表示首条裂缝出现、叠合梁下缘屈服、全截面屈服。由图可知，在A点前钢混叠合梁跨中挠度随加载量的增大而增加，桥梁结果处于弹性工作状态；当首条裂缝出现后荷载增幅下降，AB段斜率也明显减小；超出B点后叠合梁屈服程度持续增大，荷载增幅继续下降；到达C点后荷载曲线近乎水平，表明BC段叠合梁基本处于弹塑性工作状态。

在展开钢混叠合梁设计时，开裂弯矩、极限弯矩、屈服弯矩设计值分别为156 kN·m、540 kN·m、468 kN·m。

此后，根据钢混叠合梁承载力模拟分析结果，其开裂弯矩、极限弯矩、屈服弯矩分别取147 kN·m、539.2 kN·m、430.7 kN·m。可见，有限元模拟值与设计值基本吻合，也从侧面反映出设计方案的合理性及模拟分析结果的可靠性。

3.2.3 预应力筋设置

预应力筋设置主要包括预应力筋位置调整、张拉水平设计等内容。为便于分析，提出S/B指标，其中S为混凝土板对称轴侧预应力筋合力点与对称轴间的距离，B为1/2板宽；通过该指标体现结构承受开裂荷载的能力。为保证叠合梁结构的稳定性，在模拟分析时将张拉应力水平控制在设计张拉力σ的50%～80%之间。

为得出不同S/B值对叠合梁结构开裂荷载造成的影响，在预应力筋间距不变时调整张拉力度，以观察开裂荷载随张拉力变动的变化趋势，结果见表1。根据表中结果，在S/B取值为0.1时，预应力筋基本呈集中分布，实际分布区域明显比有效分布宽度小，不利于均匀受力；当S/B取值在0.15～0.5之间时，混凝土板开裂荷载明显增大，并达到峰值，合力点则集中分布于对称轴侧中心区域，叠合梁腹板上部混凝土板明顯表现出中间大两头小的分布，预应力筋对裂缝抑制效果良好。当S/B值超出0.5后，开裂荷载明显下降。

可见，为保证叠合梁结构受力稳定，必须将对称轴侧预应力筋合力点控制在S/B值取0.15～0.5的范围内。此外，根据模拟结果，在S/B值从0.4增至0.65的过程中，实际张拉力对开裂荷载和开裂程度也有影响，如果实际张拉力为50%σ，则开裂荷载降幅为7.2%；如果实际张拉力取80%σ，则开裂荷载降幅为14.4%。也就是说，随着实际张拉力的增大，开裂荷载对S/B值的变动更加敏感。

为分析预应力筋间距对开裂荷载的影响，在模拟时假定S/B值固定取0.4，当预应力筋间距依次取100 mm、200 mm、300 mm和400 mm时，开裂荷载分别为244.31 kN、243.06 kN、244.82 kN、241.01 kN。可见，预应力筋间距的改变对开裂荷载的影响并不明显。

综上分析，随着叠合梁体外预应力张拉水平的调整，梁体开裂荷载主要受到S/B值的影响较大，且基本呈先升后降的变化趋势；开裂荷载在S/B值取0.4时达到峰值；在S/B值固定不变的情况下，单纯调整预应力筋间距，对开裂荷载的影响十分微弱[5]。

4 体外预应力加固施工工艺

4.1 钢箱梁制作

该简支钢混叠合梁钢箱梁分5段预制，长度依次为25 m、18 m、22 m、18 m、25 m，通过电脑展开1∶1放样；纵向结构应按1 mm/m加放焊接收缩量。根据焊接工艺确定焊材。

预制好的钢箱梁到场后应展开理化检测和无损检测。理化检测就是对原材料展开理化检验。待焊缝焊接完成，在24 h内实施外观检查并按照《公路桥涵施工技术规范》（JTGT 3650—2020）展开无损检测，规范中未尽事宜参考《钢焊缝射线照片及底片分类法》（GB 3323—2016）。结合实际施工质量控制要求，全部对接焊缝必须为Ⅰ级，在100%超探检测后，按10%的比例进行X光抽检。上翼缘板、底板和腹板处角焊缝全部按照Ⅱ级焊接要求处理。

使用与设计涂料相适应的方法和等级展开构件表面除锈，涂层厚度和涂装遍数等均应满足设计要求。根据涂料产品说明书选择温度和相对湿度合适的涂装环境；若说明书无明确要求，则应在5～38 ℃之间且相对湿度≤85%的环境下展开。

考虑该桥梁结构的特殊性及施工质量要求较高，故应按以下要求展开质量控制：钢板通过氧乙炔火焰精密切割，不得剪切；钢样条制作时必须充分考虑铣刨边加工量和焊接过程中可能的收缩量，主要构件对接时钢板轧制方向应同部件受力方向；构件涂装前应反复核实涂料种类、质量及涂装部位，涂装除锈等级必须达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB/T 8923.1—2011）中Sa2.5级的要求。

4.2 钢箱梁吊装

钢组合梁预制完成后运至施工现场吊装，并形成钢梁连续结构，此后铺筑预制板并浇筑桥面混凝土，以形成钢混组合结构。期间必须搭建强度和刚度均符合要求的临时拼装支架。结合钢梁分段要求，应同时搭建16个尺寸为450×250 cm的拼装支架，其中8个支架搭建在3～4#轴和5～6#轴间，另外8个支架搭建在上下行车道处。前8个支架全部采用碗式结构，按照横桥向和顺桥向均为30 cm的步距搭建，使用50 cm厚的二灰土砂砾加固基础。后8个支架则使用Q235b钢贝雷架，通过150×150 cm的方木垫实后直接搭建。

该桥梁工程共20件钢箱梁，结构重量最大为43 t，因周围场地限制，通过1台380 t汽车吊吊装；按照设计要求计算确定吊点位置。吊装施工前必须复测墩顶、桥台高程、中线和跨径，将误差控制在允许范围内。吊装过程中，应安排技术人员实时观察支架刚度、强度以及构件受力，保证钢箱梁吊装顺利展开。

吊装完成后通过高强螺栓连接，螺栓应使用附带扭矩计的扳手通过扭矩法拧紧；安排测量人员就位后展开钢梁拱度检测，核实数据。在各片钢梁腹板跨中布设沉降观测点，分别于钢梁吊装就位、浇筑桥面板混凝土前后展开沉降观测。

为确保钢箱梁外形与拱度，还应严格控制胎具搭设高程，加强施焊遍数及焊缝高度、宽度控制。完成钢箱梁吊装后展开横纵梁实际标高量测，并进行预拱度复核，防止跨中下挠、支座脱空。

4.3 预应力混凝土桥面板施工

4.3.1 翼缘板支架搭设

为降低施工影响，拟采用悬臂法展开钢箱梁外翼缘板施工，并按60 cm间距设置特制三角桁架以支撑桥面板翼缘板底模。三角桁架侧面增设可调节底托，进行桥面模板位置的调整与控制；三角桁架与模板安装期间必须栓接，保证施工安全。

临时支架搭设前必须展开荷载计算，充分考虑支架变形和地基沉降，按设计要求预留拱度。支架搭设完成后安装砂箱时必须考虑钢梁安装后受力体系转换，并便于临时支架拆除。

4.3.2 钢筋绑扎

以预制混凝土板为钢箱梁桥面板，安装好后必须安排技术人员检查钢筋型号、绑扎尺寸、钢筋位置，避免混凝土浇筑时产生松动、变形。将相应强度和数量的垫块按50 cm以内的间距布设于模板和钢筋间，增强钢筋保护层厚度。对钢筋焊接接头现场进行取样，展开力学检测，测试结果必须符合要求。

顺着桥线垂直布设横向钢筋，通长焊接纵向钢筋。为防止钢筋网因受到桥面板混凝土浇筑冲击后发生下沉，必须将钢筋和抗剪栓钉牢固绑扎；整个铺装层钢筋网必须一次绑扎完成。此外，还应严格控制钢筋保护层厚度，该厚度过大则容易引发铺装层混凝土裂缝。

严格按照设计要求的孔道坐标展开波纹管铺设；波纹管定位钢筋架间距控制在50 cm以内，定位钢筋必须和桥面钢筋牢固焊接，孔道与定位钢筋稳固绑扎。为防止混凝土浇筑过程中水泥灰浆漏进管道，波纹管接头处必须使用套管，并用胶带缠绕密实；在管道波峰处开设排气孔。

4.3.3 桥面板浇筑

该简支钢混叠合梁桥面板浇筑使用商品混凝土，在混凝土泵车和输送泵的配合下泵送，按照从低处向高处、从一端向另一端的次序分层展开。浇筑期间必须加强波纹管保护及平整度控制，顺着桥跨向焊接4道钢筋高程桩，由刮杠找平，木抹子成活。该桥梁面板混凝土强度大，水灰比高，出现裂缝的可能性大。必须在浇筑完成后覆盖土工布标准养护，洒水养生。

4.3.4 预应力张拉

待混凝土实际强度达到设计要求后，根据设计次序展开预应力张拉，张拉施工采用张拉力和钢绞线张拉伸长量双控，伸长量误差不得超出?6%～+6%范围。张拉期间加载与卸载速度必须匀速适中，并控制钢束回缩量以及张拉前后钢混叠合梁拱度变化，保证桥面铺装层施工质量。

5 结论

工程应用结果表明，预应力钢混叠合梁材料用量节省，结构高度较低，抗疲劳性和强度均较好，承载力高。施工期间通过加强控制，明确质量要点，便可通过传统施工方法和简单施工工艺取得较好的结构性能。该钢混叠合梁体外预应力加固实践中采用了预应力钢绞线锚固钢齿板和转向装置方案，其中钢齿板通过双面坡口熔透焊形式与原桥梁腹板、底板形成整体性结构，受力良好；转向装置也与桥梁横隔板构成整体结构，为钢绞线后期更换提供了便利。

参考文献

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