强度不达标PC箱梁调整张拉控制应力处治方法★

李 秀 朱红兵 许成祥 向 杰,3 李成玉

(1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065；2.武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065； 3.北京迈达斯技术有限公司，北京 100044)

预应力混凝土(PC)箱梁具有截面抗扭能力强、承载力高等力学特性，且具有经济指标好、施工速度快等优点，是中小跨径桥梁的常用结构形式。由于施工过程中的混凝土原材料问题或施工养护原因，有时箱梁的梁体混凝土强度达不到设计要求，使得施工方陷于进退两难的境地：将梁废弃会严重影响工期并增加项目成本，且废弃梁会对环境造成一定的破坏；不予理会又因质量缺陷通不过工程竣工验收。针对此种情况，采用粘贴钢板等加固方法往往是一个较好的选择，但也会有成本增大、工期延长、后期养护难度增大等问题。

本文针对某箱梁桥混凝土强度不达标但较接近设计值的情况，提出了粘贴钢板加固[1,2]、适度调整预应力筋张拉控制应力等两种处治方案[3,4]，并进行了验算。最终采纳了适度调整预应力筋张拉控制应力的处治措施，取得了较好的效果。

1 工程背景及质量缺陷

1.1 工程概况

湖北地区某引水水利设施，主要建筑物为明渠。为满足明渠段两侧道路通行要求，需根据实际情况在明渠段新建或还建跨越明渠的桥梁。技术标准等级为：道路等级为等外级公路；设计荷载采用公路—Ⅱ级；环境类别为Ⅰ类，设计基准期为100年；设计使用年限50年。

某新建跨明渠桥梁全长61 m，桥面全宽为6.2 m(0.5 m护栏+5.2 m行车道+0.5 m护栏)。桥梁平面位于直线段，中线与渠道中线为90°交角。桥面设2.0%对称纵坡、2.0%双向横坡。

桥跨布置为13 m+30 m+13 m，其中边跨采用13 m简支预应力混凝土空心板(横向布置2片中板及2片边板)，中跨采用30 m简支预应力混凝土箱梁(横向布置2片边梁)。采用8 cm厚C50混凝土现浇层+防水层+10 cm AC-25C沥青混凝土桥面铺装。其中预应力混凝土箱梁见图1。

混凝土采用普通硅酸盐水泥，标号为C50，轴心抗压设计强度fcd=22.4 MPa，轴心抗拉设计强度ftd=1.83 MPa，弹性模量Ec=3.45×104MPa。

预应力筋采用抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa、公称直径d=15.2 mm的低松弛高强度钢绞线。设计要求如下：1)预制箱梁混凝土达到设计强度的85%(且混凝土龄期不小于7 d)后，方可张拉预应力钢束；2)钢束采用两端对称张拉，张拉顺序为N1，N3，N5，N2，N4号钢束(其中，N1为2束3Φs15.2，N2，N3，N4均为2束5Φs15.2， N5为2束4Φs15.2)；3)钢束张拉采用双控，锚下控制应力为0.75fpk，见图2。

1.2 施工质量缺陷

在预应力混凝土箱梁现场浇筑施工并养护28 d后，对预留试块进行抗压强度试验、对实测梁体混凝土进行超声—回弹试验，均发现梁体混凝土强度未达到设计要求的C50标号要求，但稍超出C40标号强度指标。

为合理节约资源、保障工期，拟对该梁进行处治后利用。经对该项目原设计图纸等技术资料详细计算分析后，本着技术可靠、经济节约、绿色环保的总原则，分别提出了对该梁采取梁底粘钢加固、优化预应力张拉控制应力等两个处治方案。

2 粘钢加固处治方案

处治方案如下：仍采用原设计图纸继续施工，在箱梁梁底粘贴厚8 mm的Q345-C级钢板加固(钢板共4条，每条钢板宽10 cm，均沿梁全长布设，钢板与梁底之间用5 mm厚结构胶粘(环氧树脂粘钢胶，达到国家A级胶标准)，钢板用间距20 cm的高强化学锚栓与箱梁固定)[1,2]。

取预应力张拉控制应力值为0.75fpk，混凝土按C40各项参数取值，采用MIDAS CIVIL建模计算。分析发现，采用粘钢加固方案加固后，箱梁各项指标都能满足现行规范要求[3](验算指标包括：正截面抗弯承载能力—规范第5.1.5条；斜截面抗剪承载能力—第5.1.5条及5.2.9条；抗扭承载能力—第5.1.5-1条及5.5.3条；结构正截面抗裂长期效应组合、短期效应组合验算—第6.3.1-1条；结构斜截面抗裂验算—第6.3.1-2条；正截面混凝土法向压应力验算—第7.1.5-1条；正截面受拉区钢筋拉应力验算—第7.1.5-2条；斜截面混凝土的主压应力验算—第7.1.6条；短暂状况构件应力验算—第7.2.8条)。

3 调整张拉控制应力方案

粘钢加固需要较大的额外支出，且会严重影响到项目工期，由于设计方在很多情况下在设计时会有适度的承载力安全储备，本案例中混凝土实际强度较设计强度稍低，因此多方均倾向于在确保结构安全的前提下通过调整施工方案达到处治的目的。

经反复试算，对原设计图纸中结构及施工方案进行验算，以混凝土强度为C40、不改变预应力筋根数及张拉状态进行建模计算，发现除短暂状况构件应力验算不符合现行规范要求(梁顶板出现拉应力且局部范围超限)外，其余控制指标均满足要求。因此，根据该梁现状条件，考虑适当降低预应力筋张拉控制应力，预计可满足规范各项指标要求。

提出调整张拉控制应力处治方案如下：仍采用原设计图纸继续施工，对C40混凝土不进行处治，但对预应力筋的预应力张拉控制应力值进行调整，且预应力筋张拉时间调整为混凝土龄期不低于28 d[4]。

处治方案制定思路和探索过程：经过对预应力张拉控制应力值取0.75fpk,0.70fpk,0.65fpk，采用MIDAS CIVIL建模计算比对发现，预应力张拉控制应力值取0.70fpk,0.65fpk时箱梁都能满足现行规范各项指标要求[3](验算指标包括：正截面抗弯承载能力—规范第5.1.5条；斜截面抗剪承载能力—第5.1.5条及5.2.9条；抗扭承载能力—第5.1.5-1条及5.5.3条；结构正截面抗裂长期效应组合、短期效应组合验算—第6.3.1-1条；结构斜截面抗裂验算—第6.3.1-2条；正截面混凝土法向压应力验算—第7.1.5-1条；正截面受拉区钢筋拉应力验算—第7.1.5-2条；斜截面混凝土的主压应力验算—第7.1.6条；短暂状况构件应力验算—第7.2.8条)。因此推荐采用张拉控制应力值σcon=0.7fpk。

调整张拉控制应力方案优势(与粘钢加固处治方案比较)：可节省工期约7 d；不需额外花费，节约投资约30万元；后期维护费用低；耐久性好。调整张拉控制应力方案缺点(与粘钢加固处治方案比较)：梁体承载力有所降低；梁刚度有所下降(引起竖向挠度增大)。

4 结语

该项目通过适度降低预应力筋的张拉控制应力，通过了各项指标的验算要求，成桥检测时各项指标也通过了验证，在满足技术要求的前提下，使经济损失降到最低，且解决了梁体废弃对环境的不利影响，达到了节能环保的目标。与粘钢加固方案比较，通过调整张拉控制应力能节约成本、确保工期，且减少了后期对粘钢防腐的要求。因此，在条件合适时采用适度降低预应力筋张拉控制应力的方法，技术经济指标都能达到最优。但是，降低张拉控制应力会使梁体承载力降低、刚度下降(竖向挠度变大)，因此采用该方案必须经过严格的计算论证后方可实施。