昌進(jìn) 曾繁裕 李鵬飛 劉鐵

貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550081

1工程概況

貴陽(yáng)市地鐵1號(hào)線軍山大橋8#—11#墩為（30+40+30）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。該箱梁斷面尺寸為頂板寬10.0 m，底板寬4.6 m，梁高2.0 m，于2017年6月投入使用［1-2］。

2021年8月巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，該橋8#—9#墩間（距8#墩21.5 m處）箱梁右側(cè)預(yù)應(yīng)力齒塊起彎點(diǎn)（距齒塊端部1.52 m處）混凝土開(kāi)裂與脫落。箱梁齒塊端部截面見(jiàn)圖1。

圖1 連續(xù)箱梁齒塊端部截面（單位：cm）

2 缺陷區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及原因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

經(jīng)全面排查，該橋整體情況良好，僅在8#—9#墩間箱梁右側(cè)預(yù)應(yīng)力齒塊起彎點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)混凝土開(kāi)裂與脫落，且有5條不規(guī)則縱向裂縫，裂縫寬度0.20～0.37 mm，其他位置未見(jiàn)異常。

采取回彈法檢測(cè)，箱梁混凝土強(qiáng)度在53.9～54.2 MPa，大于設(shè)計(jì)值50 MPa。進(jìn)行雷達(dá)掃描探傷，箱梁頂板預(yù)應(yīng)力齒塊起彎點(diǎn)破損處裂縫深度均達(dá)到混凝土表層以下4～11 mm。

2.2 箱梁缺陷原因分析

查閱施工資料［3-4］，箱梁鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力管道布設(shè)、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉均按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求施工，未出現(xiàn)異常情況。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)箱梁外觀和實(shí)體檢測(cè)結(jié)果綜合分析，預(yù)應(yīng)力齒塊起彎點(diǎn)破損的主要原因是預(yù)應(yīng)力筋錨固導(dǎo)致齒塊附近局部承壓，部分混凝土拉應(yīng)力超過(guò)最大拉應(yīng)力。

3 處置方法選定

缺陷處置應(yīng)盡量減少對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)處置完成后應(yīng)確保箱梁具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)［5-7］，國(guó)內(nèi)常用處置方法有體外預(yù)應(yīng)力法、粘貼鋼板法和增設(shè)橫隔板法。其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 箱梁缺陷處置方法對(duì)比

綜合考慮箱梁缺陷處置各種方法的特點(diǎn)和城市地鐵運(yùn)營(yíng)要求，確定采用增設(shè)橫隔板法。橫隔板采用80 cm厚C60鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并預(yù)留過(guò)人孔。箱室內(nèi)增設(shè)的橫隔板斷面見(jiàn)圖2。

圖2 箱室內(nèi)增設(shè)的橫隔板斷面（單位：cm）

4 數(shù)值模擬

采用MIDAS有限元軟件建立箱梁整體受力、局部梁段受力和預(yù)應(yīng)力損失下局部梁段受力三種數(shù)值模型。根據(jù)不同模型模擬分析增設(shè)橫隔板對(duì)箱梁受力的影響。

4.1 箱梁整體受力分析

箱梁整體模型見(jiàn)圖3（a）。箱梁采用梁?jiǎn)卧M，共有梁?jiǎn)卧?2個(gè)，節(jié)點(diǎn)69個(gè)。邊界采用一般支承模擬。荷載組合為主力（自重+二期恒載）+附加力（溫度荷載）。增加的橫隔板按照集中荷載施加在相應(yīng)位置?？紤]到連續(xù)箱梁最大彎矩出現(xiàn)在支點(diǎn)和跨中，僅分析這兩處彎矩變化情況。模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2?？芍涸鲈O(shè)橫隔板前后箱梁支點(diǎn)、跨中彎矩變化率分別為0.82%、0.55%，增設(shè)橫隔板不影響箱梁受力。

圖3 箱梁有限元模型

表2 箱梁不同位置彎矩對(duì)比

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，箱梁的上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。荷載組合作用下箱梁上下緣壓應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表3。可知：增設(shè)橫隔板前后，支點(diǎn)處箱梁的上下緣壓應(yīng)力變化率分別為0.07%、0.63%，跨中處箱梁的上下緣壓應(yīng)力變化率分別為0.06%、0.64%，增設(shè)橫隔板不影響箱梁受力。

表3 箱梁上下緣壓應(yīng)力對(duì)比

4.2 箱梁局部梁段受力分析

4.2.1 不考慮預(yù)應(yīng)力損失

箱梁及橫隔板采用4節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元，模型共有32 542個(gè)節(jié)點(diǎn)，116 526個(gè)單元。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用鋼筋單元，與混凝土單元耦合。荷載組合為自重+二期恒載+列車(chē)荷載。箱梁局部梁段模型參見(jiàn)圖3（b）。

局部梁段、齒塊、橫隔板所受最大應(yīng)力見(jiàn)表4。其中，受拉為正，受壓為負(fù)?？芍喉槝蛳蛳淞鹤畲髩簯?yīng)力6.8 MPa，小于18.4 MPa的規(guī)范限值。齒塊最大拉應(yīng)力為1.53 MPa，小于2.17 MPa的規(guī)范限值。橫隔板最大拉應(yīng)力為0.82 MPa，小于2.45 MPa的規(guī)范限值。因此，在荷載組合作用下局部梁段受力滿足規(guī)范要求。

表4 箱梁局部梁段最大應(yīng)力值

4.2.2 考慮預(yù)應(yīng)力損失

箱梁及橫隔板采用實(shí)體單元，模型共5 294個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 563個(gè)單元。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用植入式鋼筋單元，與混凝土單元耦合。將箱梁缺陷及其處置引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損失按照損失10%、20%計(jì)算，并與不考慮預(yù)應(yīng)力損失時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

三種工況下箱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。其中，受拉為正，受壓為負(fù)?？芍侯A(yù)應(yīng)力損失10%、20%時(shí)，順橋向箱梁最大拉應(yīng)力分別增加6.4%、22.7%，最大壓應(yīng)力分別增加6.3%、22.7%，橫橋向箱梁最大拉應(yīng)力分別增加10.0%、32.5%，最大壓應(yīng)力分別增加7.3%、31.7%?？紤]預(yù)應(yīng)力損失后，最大壓應(yīng)力小于18.4 MPa的規(guī)范限值，最大拉應(yīng)力小于2.17 MPa的規(guī)范限值，受力滿足要求。

表5 不同預(yù)應(yīng)力損失工況下箱梁應(yīng)力對(duì)比MPa

5 箱梁缺陷處置

5.1 處置流程（圖4）

5.2 處置要點(diǎn)

①開(kāi)工前應(yīng)與運(yùn)營(yíng)部門(mén)聯(lián)系，做好施工防護(hù)及前期準(zhǔn)備工作，確保施工和運(yùn)營(yíng)安全；②鑿除齒塊表面松散破碎混凝土，鑿除過(guò)程中應(yīng)保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋；③齒塊處寬度小于0.15 mm的裂縫采用表面封閉法處理，寬度大于0.15 mm的裂縫采用靜壓注射法處理；④新澆混凝土與梁體結(jié)合面鑿毛，清除浮漿，并清洗干凈，以增加新老混凝土之間的黏結(jié)；⑤植筋之前運(yùn)用鋼筋探測(cè)儀對(duì)結(jié)構(gòu)體內(nèi)鋼筋進(jìn)行探測(cè)，避免傷及鋼筋，植筋后做拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證鋼筋的錨固效果；⑥對(duì)混凝土進(jìn)行配合比試驗(yàn)，要求3 d內(nèi)強(qiáng)度、彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%；⑦施工期間對(duì)橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并制定應(yīng)急處置措施。

6 靜載試驗(yàn)

缺陷處置完成后對(duì)該箱梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證橋梁整體受力性能。選取處置部位相鄰兩跨（8#—9#墩間、9#—10#墩間）箱梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，使用2輛地鐵列車(chē)作為試驗(yàn)荷載。單輛列車(chē)質(zhì)量為206.4 t，軸距、軸重見(jiàn)圖5。

圖5 列車(chē)軸距、軸重示意（長(zhǎng)度單位：cm）

為模擬荷載的大彎矩效應(yīng)，沿縱橋向變換試驗(yàn)列車(chē)位置，設(shè)計(jì)3種加載工況：工況1，荷載加載于8#—9#墩間正彎矩中心；工況2，荷載加載于9#墩負(fù)彎矩中心；工況3，荷載加載于9#—10#墩間正彎矩中心。箱梁控制截面（A-A、B-B、C-C）、撓度測(cè)點(diǎn)（Di）與應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（Li）布置見(jiàn)圖6。

圖6 箱梁靜載試驗(yàn)測(cè)試截面和測(cè)點(diǎn)布置

箱梁的撓度主要發(fā)生在跨中A-A、C-C截面。不同工況下跨中截面撓度見(jiàn)表6。其中：理論值是根據(jù)鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》附錄U2中方法計(jì)算所得。

表6 不同工況下跨中截面撓度

由表6可知：①該橋各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值均小于理論值，表明跨中結(jié)構(gòu)剛度滿足要求且具有一定的安全儲(chǔ)備。②該橋各測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.72～0.77，滿足0.70～0.80的規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)處于良好彈性工作狀態(tài)。③該橋各測(cè)點(diǎn)撓度殘余度最大值17.24%，滿足小于20%的規(guī)范要求，表明卸載后結(jié)構(gòu)彈性恢復(fù)能力較好。

不同工況下各截面應(yīng)變見(jiàn)表7。其中理論值為根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求計(jì)算所得?？芍孩僭摌蚋鳒y(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論值，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求且具有一定的安全儲(chǔ)備。②該橋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.90～0.95，滿足0.90～1.00規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于良好彈性工作狀態(tài)。③該橋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變殘余度最大值為19.78%，滿足小于20%的規(guī)范要求。

表7 不同工況下各截面應(yīng)變

7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證處置效果，分別在箱梁預(yù)應(yīng)力齒塊根部、增設(shè)橫隔板處和箱梁跨中3個(gè)位置設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一年的監(jiān)測(cè)，箱梁最大沉降-1.93 mm，滿足±10 mm的規(guī)范要求。

8 結(jié)語(yǔ)

在不影響地鐵正常運(yùn)營(yíng)的情況下，該工程通過(guò)增設(shè)橫隔板對(duì)箱梁頂板預(yù)應(yīng)力齒塊起彎點(diǎn)處混凝土開(kāi)裂與脫落進(jìn)行處置。有限元數(shù)值分析和靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，此處置方案不影響箱梁結(jié)構(gòu)受力。處置完成后經(jīng)過(guò)一年的監(jiān)測(cè)，最大沉降滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了該處置方案的合理性。