客运专线铁路预应力混凝土连续梁底板崩裂加固设计

陈 举

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

客运专线铁路预应力混凝土连续梁底板崩裂加固设计

陈 举

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

某客运专线(30.15+48+56+48+30.15)m预应力混凝土连续梁在预应力张拉、压浆完毕后中孔56 m梁底发生了较大面积的崩裂。综合分析崩裂原因，通过对各种“传统补强”方案在加固设计中的利弊分析、对比，结合预应力管道已压浆完毕的现实状况，提出一种新的加固设计方案——梁体施加预压荷载方案。该方案从连续梁的受力特征出发，突破了传统方案只在通过“补强”方面作文章的思路，有效避免了传统方案的弊病，取得了较好的补强效果。

预应力混凝土桥;连续梁;底板崩裂;加固设计;预压

1 概况

1.1 设计概况

某客运专线桥设计为(30.15+48+56+48+30.15)m预应力混凝土连续梁，梁体采用单箱单室变高度直腹板箱形截面，主墩墩顶梁高4.35 m，跨中合龙段、边跨现浇段梁高3.35 m，梁底曲线为二次抛物线。箱梁顶宽12.0 m，底宽6.7 m，单侧悬臂长2.65 m，悬臂端厚25.6 cm，悬臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚度由80 cm变化至48 cm，底板厚度由80 cm变化至40 cm主梁，顶板厚度由65 cm变化至40 cm。梁体采用C50混凝土，采用全预应力理论设计;其中箱梁纵向顶板T构静定束、顶板合龙束、底板合龙束均采用15φs15.2 mm钢绞线;T构腹板束采用12φs15.2 mm钢绞线;所有箱梁纵向钢束均采用双端张拉，张拉控制应力σcon=0.68fpk=1 265 MPa。

箱梁采用悬臂灌注法施工，其中56 m跨度有6个悬臂施工段，48 m和30.15 m跨度有5个悬臂施工段。主桥合龙顺序:先合龙次边跨，再超打7号梁段，然后合龙中跨，最后合龙边跨。

箱梁中跨底板合龙后共张拉24束15φs15.2 mm预应力钢束，底板纵向预应力钢束采用双端张拉，伸长量及张拉力双控，控制张拉力2 656 kN。

1.2 底板崩裂概况

施工中连续箱梁中跨56 m合龙段钢束张拉压浆完成后，时隔1 d，发现底板出现崩裂。56 m跨度4号、5号梁段底板开裂、脱落，并有多处裂缝，裂缝宽度1～2 mm，混凝土脱落处缝宽50 mm左右;底板崩裂分层，底板钢筋网下沉最大约14.7 cm;底板顶面保护层下多处脱空，钢筋网片下沉，从箱内观察，底板从纵向预应力波纹管处崩裂分层。如图1～图3所示。

图1 梁体纵向开裂梁段位置示意

图2 底板开裂

图3 底板底混凝土破碎，波纹管外漏

2 底板崩裂的原因分析

箱梁底板实际上是两侧弹性嵌固于两腹板的弹性板，板内钢束的曲率引起径向力荷载，这是因为当张拉预应力束时，钢束张拉绷紧后将力图保持直线状态，于是对阻止预应力筋保持直线状态的凸出混凝土部分产生局部作用力，当径向力很大时，底板内会相应产生很大的横向拉应力(产生纵向裂缝)和竖向拉应力(上下层钢筋网间混凝土崩裂)，导致底板局部开裂并扩展以致剥落损坏。预应力筋对底板作用的径向力见图4。

采用相关计算结论:q=P/R(R为半径)。

箱梁底板预应力束施工时应准确定位，线形圆顺与设计保持一致，其定位钢筋与普通钢筋骨架应可靠连接，确保浇筑混凝土时波纹管不上浮(实际上混凝土容重很大，若定位不牢固，波纹管很容易上浮)，加之振捣使波纹管实际位置严重偏移与设计不符，极易在底板局部产生小半径曲线甚至折角段，径向拉力很大，产生的拉应力远超出规范容许值。因此底板上下层钢筋网间应配置足够数量拉筋，防止即使施工偏差产生径向力也不至于使底板开裂。

从现场看到孔道被挤压并偏离设计位置，底板钢束最大上浮14.5 cm;另外箱梁底板顶底层钢筋网间的拉筋未按设计要求布置，因此可以判定:4号、5号梁段由于施工不当，造成预应力管道上浮是底板崩裂的根本原因。

3 预压荷载加固方案设计

鉴于该梁预应力钢束管道已压浆完毕，故无法通过重新在梁体内张拉预应力钢束的方式完成维修加固，故在研究加固处理方案时先后提出了箱梁底板粘贴钢板、底板增加体外预应力钢束、梁体施加预压荷载3种加固方案。

底板粘贴钢板方案要使所贴钢板发挥作用，必须保证钢板与梁体混凝土共同受力，变形协调实施难度大，技术上难度很大，且修补后的混凝土在运营荷载作用下将承受较大的拉应力。底板顶增设体外预应力钢束方案，会使底板预应力度显著增大，致使连续梁内力分布发生较大变化，底板混凝土始终处于高应力状态，梁体后期徐变很大;在锚固块前后的局部拉应力和局部压应力都较大，结构局部构造设计与施工难度较大。

经过对传统补强方案优缺点的分析比较，考虑现场观测结果梁体未发生异常变形，除底板外也未发现其他部位有开裂情况，说明梁体整体施工质量良好，底板开裂对预应力的影响有限，设计采用了在跨中梁段施加预压荷载的方案(图5、图6)。凿除底板开裂混凝土，补充普通钢筋重新定位钢束后在底板崩裂的梁段所在跨堆载施加预压荷载，使箱梁顶板受压，底板受拉。重新浇筑开裂段混凝土，待混凝土达到设计强度后由两侧向中间对称均匀卸载至零，梁体的弹性上拱使底板增压，顶板减压，相当于施加了预应力。在具体设计中通过对不同预压堆载位置、不同吨位的预压荷载以及箱梁横向分析计算的基础上确定了最终的实施方案。实施结果见表1。

图5 梁体施加预压荷载方案简图

图6 梁体施加预压荷载方案横向堆载简图(单位:m)

表1 采取预压措施后补部分混凝土应力对比 MPa

从计算结果看，预压措施有效降低了凿除后补部分混凝土的受力状况，底板下缘混凝土虽然受拉但不致开裂。该施工方法简单、可靠，质量容易保证，但混凝土仍存在一定的拉应力，施工中将混凝土强度等级提高至C55，采用微膨胀混凝土并添加聚氨酯纤维，提高抗裂性以确保结构安全。

4 预压荷载方案具体实施

(1)在支架上浇筑边跨⑨号合龙段完成边跨合龙;按原设计完成尚未完成的边跨合龙、预应力张拉、压浆封锚等工作后，凿除4号、5号梁段底板开裂混凝土。

(2)在梁体29～42号截面范围内由两侧向中间对称均匀分层堆载至250 kN/m的荷载;施加预压荷载后结构32、33、34号截面下挠理论计算值分别为1.58，2.11，2.78 cm;实 测 值 分 别 为 1.63，2.16，2.84 cm。

(3)钻孔植入新增补强钢筋并对原设计底板顶底层钢筋网片复位，绑扎固定，清除钢筋表面浮浆。

(4)待混凝土达到设计强度后由两侧向中间对称均匀卸载至零;卸载后32、33、34号截面上拱理论计算值分别为 1.33，1.64，1.84 cm;实测值分别为 1.36，1.65，1.82 cm。以上结果说明该加固方案达到了预期的设计效果。

(5)进行桥面铺设等后续工作。

5 结语

本次连续梁底板崩裂采用施加预压荷载的方案，设计突破了传统加固方案只在通过“补强”作文章的思路束缚，利用连续梁受力的力学特性对崩裂段落施加预压荷载，为其提供“天然的预应力”，降低了加固施工难度，而且不会产生传统补充张拉预应力方案带来的高应力、高徐变的后遗症，是一种较为理想的加固施工方案。目前该桥的加固施工已完成，并在客运专线全线的简支箱梁架设过程中经历了900 t架桥机运梁通过的考验，在此过程中加固后的梁体未发生任何异常，加固效果明显，值得在今后类似工程案例中推广。

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Design for Strengthening Treatment of Bursting Cracks at Bottom Slab of Continuous Prestressed Concrete Girder of Railway Passenger Dedicated Line

CHEN Jv
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

After the processes of prestressing and grouting were both finished for a(30.15+48+56+48+30.15)-m continuous prestressed concrete girder of a railway passenger dedicated line，the phenomenon of large-area bursting cracks occurred at the bottom slab of its 56-m middle span.Therefore，the paper comprehensively analyzed the reason of bursting cracks，and conducted relevant investigation and comparison on the advantages and disadvantages of various traditional strengthening methods.Further，considering the actual situation that the duct grouting of steel tendons had been finished already，the paper put forward a new design scheme of strengthening treatment—preloading to this girder structure.This new design scheme，focusing on the stress state of continuous girder，and breaking through the idea of traditional methods which only lay emphasis on“strengthening”，has effectively avoided the disadvantages of traditional methods.Finally a good strengthening treatment effect has been achieved by using this new design scheme.

prestressed concrete bridge;continuous girder;bursting cracks at bottom slab;design for strengthening treatment;preloading

U445.7+2

A

1004-2954(2013)09-0062-03

2013-03-15;

2013-03-25

陈 举(1983—)，男，工程师，2006年毕业于兰州交通大学土木工程专业，E-mail:chenju707@163.com。