橋梁預(yù)應(yīng)力堵管開槽施工力學(xué)行為分析

馮永勝, 李文元

[摘要]后張法預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)波紋管堵管現(xiàn)象，工程實(shí)踐中一般采用開槽法處理大范圍堵管病害。對(duì)懸澆過程中進(jìn)行了開槽施工的連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，研究了結(jié)構(gòu)在開槽施工過程中的力學(xué)行為并討論了結(jié)構(gòu)的安全性，找出了結(jié)構(gòu)在開槽過程中的薄弱部位，為施工保證措施的制定提供了指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]連續(xù)剛構(gòu)橋； 堵管； 開槽法； 有限元

[中國分類號(hào)]U448.35? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

后張法預(yù)應(yīng)力施工在懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中普遍應(yīng)用，其一般施工流程為行走掛籃—綁扎鋼筋—安裝波紋管—澆筑混凝土—養(yǎng)護(hù)—穿束—張拉—灌漿。其中預(yù)應(yīng)力波紋管的主要作用是保護(hù)鋼絞線在混凝土澆筑過程中不被污損。在設(shè)有通長束的結(jié)構(gòu)中，波紋管還需為后期穿束的鋼絞線預(yù)留出孔道，然而在施工過程中常常出現(xiàn)波紋管破損導(dǎo)致堵管的現(xiàn)象，或由于波紋管固定不牢在混凝土振搗過程中出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象［1］。

對(duì)于堵管現(xiàn)象的處理，工程中常用的做法是探明堵管位置再進(jìn)行局部鉆孔再對(duì)堵塞處進(jìn)行清理［2-3］。對(duì)于堵塞范圍較大或預(yù)應(yīng)力管道出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)位的情況，則需結(jié)構(gòu)上進(jìn)行開槽作業(yè)，再重新埋設(shè)預(yù)應(yīng)力管道［4-5］。本文依托實(shí)際工程，對(duì)進(jìn)行此類開槽施工的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，討論此類修復(fù)方式對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力的影響程度，研究開槽施工過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

1工程概況

本文以一座懸澆至3#塊發(fā)生嚴(yán)重堵管現(xiàn)象的連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對(duì)象。該橋主梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，C55預(yù)應(yīng)力混凝土，頂板寬17.1 m，底板寬11.1 m，外翼板懸臂寬3 m，堵管的鋼束位于邊跨側(cè)中腹板與中跨側(cè)邊腹板位置，包括6束腹板束與1束頂板束，發(fā)生堵管的預(yù)應(yīng)力鋼束位置見圖1。

2堵管開槽修復(fù)施工工藝

開槽修復(fù)首先按放樣坐標(biāo)在腹板側(cè)面用紅色油漆標(biāo)出控制點(diǎn)，然后將各控制點(diǎn)平滑地連成線，形成管道軸線。用紅色油漆將管道軸線分別向上、向下偏移10 cm，畫出開槽邊線。

然后進(jìn)行開槽作業(yè)。先用砂輪切割機(jī)沿紅色油漆切出開槽邊線，用電錘沿切割線小錘密鑿，先將邊線鑿開，用電錘將鋼筋保護(hù)層部分混凝土鑿除，細(xì)致剝出鋼筋及波紋管，注意對(duì)鋼筋及波紋管的保護(hù)，用空壓機(jī)鑿素混凝土部分，最后用電錘對(duì)槽內(nèi)不規(guī)則部分進(jìn)行修邊。

開槽完成后進(jìn)行界面處理。用鋼絲刷等工具清除原構(gòu)件混凝土表面松動(dòng)的骨料、砂礫、浮碴和粉塵，并用清潔的壓力水沖洗干凈，混凝土表面應(yīng)粗糙、潔凈。

界面處理完成后進(jìn)行波紋管安裝。割除槽道一端的2根腹板鋼筋，將按孔道長度下好料的波紋管從割除鋼筋的一頭送至另一頭，再按25 cm一道加支撐筋固定波紋管，支撐筋與腹板鋼筋焊接。

最后進(jìn)行填充混凝土灌注。模板可采用厚鋼板制作，上口做成斜面，便于混凝土下料。模板上鉆孔，用鋼絲連接腹板鋼筋和模板，達(dá)到加固模板的作用。具體施工流程如圖2所示。

3開槽后箱梁強(qiáng)度分析

3.1計(jì)算模型及計(jì)算工況的確定

實(shí)體分析采用ANSYS有限元分析軟件，取全橋邊、中跨3#塊之間的部分進(jìn)行計(jì)算，模型順橋向共30 m。在有限元軟件中采用Solid92單元模擬混凝土，Link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線，2種類型的單元均具有x、y、z 3個(gè)方向的自由度?？紤]結(jié)構(gòu)普通鋼筋影響，混凝土采用折算彈性模量E-R，其計(jì)算原理見式（1）［6］。

E-R=Ec（1+μEs-EcEc）（1）

式中：E-R為鋼筋混凝土折算彈性模量；Ec為混凝土彈性模量；

Es為鋼筋彈性模量；

μ為配筋率。

開槽施工時(shí)的主橋狀態(tài)為3#塊懸臂澆筑已完成，發(fā)生管道錯(cuò)位的預(yù)應(yīng)力鋼束有W4、W5、W6、W8，其中W4、W5、W6為腹板束，W8為頂板束。邊跨W5管道開窗位置在中腹板上游，其余管道開窗位置均位于中腹板下游，開槽只涉及2#塊。中跨發(fā)生管道錯(cuò)位的預(yù)應(yīng)力鋼束有W4、W5、W6、W8，其中W5管道開槽位置在邊腹板上游，其余管道開槽位置均位于邊腹板下游，開槽涉及2#塊與3#塊。

在實(shí)際開槽施工過程中應(yīng)當(dāng)逐條開槽逐條恢復(fù)，計(jì)算中考慮最不利工況進(jìn)行，即一次全部開槽完成，鑿除部分全部退出工作，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布。計(jì)算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、已張拉預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、施工臨時(shí)荷載，取各荷載最不利值標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算。

3.2不利工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

本章計(jì)算著重關(guān)注開槽位置處腹板的受力情況，由于開槽是對(duì)箱梁截面的削弱，但開槽面積只占箱梁總截面積的0.1%～0.3%，從宏觀的角度來看，開槽帶來的截面削弱并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)平均應(yīng)力造成較大影響，但在局部微觀層面，開槽施工必然會(huì)造成槽口附近的內(nèi)力重分布，圖3和圖4給出了進(jìn)行開槽施工的一片腹板在開槽前后的頂、底板順橋向應(yīng)力對(duì)比。

據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，腹板受開槽影響拉應(yīng)力增幅最大為0.2 MPa，壓應(yīng)力增幅最大增幅為0.2 MPa，在懸臂澆筑的初期階段，結(jié)構(gòu)本來的應(yīng)力水平并不高，開槽施工造成的拉、壓應(yīng)力增幅分別占腹板平均應(yīng)力水平的8%和26%，開槽在一定程度上改變了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，引起了相當(dāng)大的拉應(yīng)力增幅，提高了結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

由于結(jié)構(gòu)本來的應(yīng)力水平不高，即使在局部應(yīng)力增幅較大的情況下，開槽后的結(jié)構(gòu)除在錨固點(diǎn)附近處于較高的應(yīng)力水平，腹板其余位置均處于較低的應(yīng)力水平，圖5和圖6為開槽施工后結(jié)構(gòu)在順橋向和橫橋向的應(yīng)力云圖。

3.3槽口位置處應(yīng)力分析

從結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出開槽施工的應(yīng)力影響范圍主要集中在槽口附近，由于槽口混凝土退出工作，應(yīng)力在此處較小范圍內(nèi)出現(xiàn)重分布，故著重對(duì)開槽槽口的應(yīng)力分布進(jìn)行單獨(dú)研究，選擇槽口應(yīng)力較大的中跨W5、W8鋼束分別繪制其槽口內(nèi)外側(cè)的延程主應(yīng)力變化曲線見圖7與圖8。表1和表2分別對(duì)每條槽口內(nèi)外側(cè)的最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，開槽施工后，各條槽口內(nèi)側(cè)主拉應(yīng)力總體上大于槽口外側(cè)，槽口內(nèi)外側(cè)的主壓應(yīng)力基本相當(dāng)。進(jìn)一步分析可以得知，鑿除部分混凝土后在截面橫向應(yīng)力增大，應(yīng)力在局部范圍內(nèi)重新分布，且更易向槽口內(nèi)側(cè)集中，槽口內(nèi)側(cè)成為受力薄弱部位。若槽口路徑靠近其他預(yù)應(yīng)力鋼束錨固點(diǎn)，錨固點(diǎn)處的高應(yīng)力水平會(huì)造成槽口沿程應(yīng)力曲線的突變，錨固點(diǎn)附近槽口成為開裂風(fēng)險(xiǎn)最大的區(qū)域。

從本文研究的結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用第一強(qiáng)度理論對(duì)開槽后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以其主拉應(yīng)力作為破壞控制條件，槽口最大主拉應(yīng)力為0.16 MPa，構(gòu)件采用C55混凝土，依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，在最不利開槽工況下構(gòu)件拉應(yīng)力小于規(guī)范限定值，構(gòu)件處于安

全狀態(tài)?；謴?fù)后的槽口填充混凝土重新參與結(jié)構(gòu)受力，成橋后的腹板壓應(yīng)力水平在10-1 MPa級(jí)，可以認(rèn)為開槽施工過程中出現(xiàn)的局部拉應(yīng)力不會(huì)對(duì)成橋內(nèi)力狀態(tài)造成較大影響。

4開槽恢復(fù)施工保證措施

根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果并結(jié)合已有技術(shù)條件，在構(gòu)件開槽、恢復(fù)整個(gè)施工過程中可以采取以下措施來減小結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害的風(fēng)險(xiǎn)。開槽作業(yè)宜逐孔進(jìn)行，在前一條槽口恢復(fù)完畢后再進(jìn)行下一孔道的開槽施工，待全部槽口恢復(fù)完成后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工；填充混凝土中應(yīng)合理摻入外加劑改善槽口填充混凝土的收縮性能，并保證槽口填充混凝土的密實(shí)性，防止局部結(jié)構(gòu)開裂；槽口截面應(yīng)充分清洗并做鑿毛處理，保證槽口填充混凝土與原腹板混凝土的良好結(jié)合性能；開槽施工過程中切斷的普通鋼筋應(yīng)預(yù)留恢復(fù)時(shí)的焊接長度，保證普通鋼筋有效恢復(fù)連接。

5結(jié)論

對(duì)于懸臂澆筑橋梁結(jié)構(gòu)，在懸臂澆筑的前期階段對(duì)發(fā)生堵管或管道錯(cuò)位的鋼束進(jìn)行開槽恢復(fù)是相對(duì)安全的。開槽施工一定程度上削弱了構(gòu)件截面，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，開槽施工過程中槽口內(nèi)側(cè)存在相對(duì)較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)槽口路徑上分布有預(yù)應(yīng)力鋼束錨固點(diǎn)時(shí)，錨固點(diǎn)處的高應(yīng)力狀態(tài)會(huì)對(duì)槽口局部受力造成不利影響。開槽施工及槽口恢復(fù)過程中應(yīng)采取有效措施減小開槽對(duì)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，提高填充混凝土施工質(zhì)量，以期更好地保證結(jié)構(gòu)在開槽及恢復(fù)過程中的安全性。

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