熊亞平

摘要 為分析體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在鋼混疊合梁中應(yīng)用的技術(shù)要點，以某跨河橋梁為例，在其鋼箱梁架設(shè)完成并拆除臨時支撐后，提出預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固鋼齒板和轉(zhuǎn)向裝置結(jié)合應(yīng)用的加固方案；通過Abaqus軟件構(gòu)建該簡支鋼混疊合梁分析模型，對疊合梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程中撓度、裂縫變化趨勢及破壞形態(tài)進行模擬；基于模擬結(jié)果，對包括鋼箱梁預(yù)制、安裝，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板施工等在內(nèi)的施工要點展開分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的鋼齒板與原結(jié)構(gòu)基本形成聯(lián)合受力體系，對原結(jié)構(gòu)損傷?。粌?yōu)化后的轉(zhuǎn)向塊較好利用了原結(jié)構(gòu)橫隔板，便于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的后期更換；取得了較好的施工控制效果。

關(guān)鍵詞 鋼混疊合梁；體外預(yù)應(yīng)力；加固；施工控制

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0110-04

0 引言

疊合梁質(zhì)量輕，受力性能優(yōu)異，施工快速，造型美觀，在大型超寬超長結(jié)構(gòu)中較為常用。疊合梁由兩種完全不同材料的結(jié)構(gòu)組合而成，結(jié)構(gòu)受力和變形特征截然不同。橋面板和鋼結(jié)構(gòu)通過剪力鍵連接成協(xié)同受力變形結(jié)構(gòu)，鋼梁受拉性能、混凝土抗壓優(yōu)勢可在疊合梁正彎矩區(qū)得到較好發(fā)揮。但在負彎矩區(qū)因上部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的存在，橋面板在受到收縮徐變后發(fā)生裂縫的可能性明顯增大，對結(jié)構(gòu)受力極為不利。就加固方案而言，在疊合梁內(nèi)張拉體外預(yù)應(yīng)力能較好避免主橋加固后恒載增大及鋼箱梁剛度削弱而使原結(jié)構(gòu)安全性能降低，較好解決鋼混疊合梁跨中下?lián)线^大及跨中下緣應(yīng)力儲備不足問題?；诖?，該文依托具體橋梁，對鋼混疊合梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程展開分析，并對控制要點進行探討，以資借鑒。

1 工程概況

某高速公路跨河橋梁為9跨設(shè)計，其中6跨為預(yù)應(yīng)力鋼混組合連續(xù)箱梁，3跨為鋼箱梁。預(yù)應(yīng)力鋼混組合連續(xù)箱梁跨徑33 m+42 m+33 m，高1.6 m，為半橋單室雙箱結(jié)構(gòu)。橋面板通過C50混凝土現(xiàn)澆。施工期間，在架設(shè)好鋼箱梁且澆筑橋面板混凝土前拆除臨時支撐，跨中截面隨即表現(xiàn)出下緣應(yīng)力儲備不足現(xiàn)象。為此，決定在鋼箱梁內(nèi)張拉體外預(yù)應(yīng)力進行加固。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用標準抗拉強度1 860 MPa的8-Фs15高強度、低松弛鋼絞線。

2 體外預(yù)應(yīng)力加固方案

從該簡支鋼混疊合梁實際出發(fā)，提出預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固鋼齒板和轉(zhuǎn)向裝置結(jié)合應(yīng)用的加固方案。

2.1 錨固鋼齒板

以Q355D鋼材為主要材料，由加勁鋼板和傳力鋼板兩部分構(gòu)成錨固鋼齒板。其中，傳力鋼板通過雙面坡口熔透焊接方式與原鋼箱梁腹板和底板連接；加勁鋼板則通過角焊縫連接傳力鋼板，并通過雙面坡口熔透焊方式連接原鋼箱梁底板。加勁鋼板和傳力鋼板將所承受的預(yù)應(yīng)力傳遞至原鋼箱梁腹板與底板，從而形成共同受力體系[1]。15-7YM預(yù)應(yīng)力錨固頭通過M16螺栓和止退鋼板連接，以便將預(yù)應(yīng)力張拉期間錨具夾片回縮量控制在最小范圍，降低預(yù)應(yīng)力損失。

2.2 轉(zhuǎn)向裝置

通過該裝置起到預(yù)應(yīng)力張拉過程中限制預(yù)應(yīng)力鋼束整體上移的作用，并為此后預(yù)應(yīng)力鋼絞線復(fù)張拉和更換提供便利。轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)設(shè)置在各橫隔板處，一端焊接于橫隔板穿孔，另一端和新增擋板焊連。在轉(zhuǎn)向裝置安裝時，應(yīng)在錨固板錨頭開孔齊平處進行擋板開孔；提前將開孔部位磨圓，并設(shè)置3 mm長的倒角，防止開孔施工對預(yù)應(yīng)力鋼絞線造成損傷。為便于后期預(yù)應(yīng)力鋼束更換，必須在兩端鋼管上緣先開設(shè)進料口和出料口，并灌注Ⅱ類水泥基漿液，待漿液固結(jié)后橫隔板和轉(zhuǎn)向裝置便形成整體結(jié)構(gòu)。

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼束張拉

加固施工方案確定后，分批次對稱交錯展開鋼箱內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉。具體流程如下：進行錨固鋼齒板和轉(zhuǎn)向裝置安裝和焊接→通過M16螺栓連接錨頭和止退鋼板→通過防水密封膠密封鋼板間空隙并借助聚氨酯泡沫膠密封錨固板→預(yù)應(yīng)力鋼束穿束后按1 kN張拉并拉直→應(yīng)用防水密封膠密封鋼束保護套管并在鋼套管內(nèi)灌注水泥基漿料→待灌漿料強度達到設(shè)計要求后展開二次張拉，張拉過程按設(shè)計張拉力的10%、30%、50%、75%、100%分五級進行[2]。張拉施工期間若出現(xiàn)異常情況必須立即暫停張拉，及時處理。

3 有限元分析

3.1 模型構(gòu)建

為全面掌握疊合梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程中撓度、裂縫變化趨勢及破壞形態(tài)，應(yīng)用Abaqus軟件構(gòu)建該簡支鋼混疊合梁分析模型[3]，展開施工過程模擬。有限元模型見圖1。

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 破壞形態(tài)

預(yù)應(yīng)力張拉之初疊合梁受力、變形等均無明顯變化；當(dāng)張拉力引起的加載量超出300 kN后，梁體表面出現(xiàn)首道裂縫，為方便分析，將此道裂縫標號為LF1；當(dāng)加載量達到780 kN以上，梁體開始出現(xiàn)下緣屈服，先后出現(xiàn)11條裂縫，依次編號為LF2～LF12；當(dāng)加載量超出900 kN，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出塑性破壞。

LF1裂縫長21 cm，寬0.08 mm；待加載至320 kN時，在LF1對稱部位出現(xiàn)第二條裂縫LF2，此后隨著加載量的持續(xù)增大，裂縫數(shù)量逐漸增多。待加載至650 kN時，LF1裂縫寬度增至0.2 mm；隨著加載量的繼續(xù)增大，全部裂縫均演變?yōu)樨炌ㄐ粤芽p。根據(jù)以上結(jié)果，該鋼混疊合梁受彎構(gòu)件破壞最嚴重的部位在跨中區(qū)域，受壓區(qū)和受拉區(qū)交界位置；貫穿性裂縫周圍強度薄弱，剪切滑移易于發(fā)生；因有限元模型中混凝土保護層厚度較大，隨著加載量的持續(xù)增大，橫向箍筋對混凝土開裂的抑制作用相應(yīng)增大[4]，故內(nèi)部貫通裂縫間距與橫向箍筋接近，均為100 mm。

3.2.2 撓度及承載力分析

不同跨徑荷載作用下鋼混疊合梁撓度變化情況模擬結(jié)果見圖2。圖中A、B、C點分別表示首條裂縫出現(xiàn)、疊合梁下緣屈服、全截面屈服。由圖可知，在A點前鋼混疊合梁跨中撓度隨加載量的增大而增加，橋梁結(jié)果處于彈性工作狀態(tài)；當(dāng)首條裂縫出現(xiàn)后荷載增幅下降，AB段斜率也明顯減小；超出B點后疊合梁屈服程度持續(xù)增大，荷載增幅繼續(xù)下降；到達C點后荷載曲線近乎水平，表明BC段疊合梁基本處于彈塑性工作狀態(tài)。

在展開鋼混疊合梁設(shè)計時，開裂彎矩、極限彎矩、屈服彎矩設(shè)計值分別為156 kN·m、540 kN·m、468 kN·m。

此后，根據(jù)鋼混疊合梁承載力模擬分析結(jié)果，其開裂彎矩、極限彎矩、屈服彎矩分別取147 kN·m、539.2 kN·m、430.7 kN·m?？梢?，有限元模擬值與設(shè)計值基本吻合，也從側(cè)面反映出設(shè)計方案的合理性及模擬分析結(jié)果的可靠性。

3.2.3 預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置

預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置主要包括預(yù)應(yīng)力筋位置調(diào)整、張拉水平設(shè)計等內(nèi)容。為便于分析，提出S/B指標，其中S為混凝土板對稱軸側(cè)預(yù)應(yīng)力筋合力點與對稱軸間的距離，B為1/2板寬；通過該指標體現(xiàn)結(jié)構(gòu)承受開裂荷載的能力。為保證疊合梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在模擬分析時將張拉應(yīng)力水平控制在設(shè)計張拉力σ的50%～80%之間。

為得出不同S/B值對疊合梁結(jié)構(gòu)開裂荷載造成的影響，在預(yù)應(yīng)力筋間距不變時調(diào)整張拉力度，以觀察開裂荷載隨張拉力變動的變化趨勢，結(jié)果見表1。根據(jù)表中結(jié)果，在S/B取值為0.1時，預(yù)應(yīng)力筋基本呈集中分布，實際分布區(qū)域明顯比有效分布寬度小，不利于均勻受力；當(dāng)S/B取值在0.15～0.5之間時，混凝土板開裂荷載明顯增大，并達到峰值，合力點則集中分布于對稱軸側(cè)中心區(qū)域，疊合梁腹板上部混凝土板明顯表現(xiàn)出中間大兩頭小的分布，預(yù)應(yīng)力筋對裂縫抑制效果良好。當(dāng)S/B值超出0.5后，開裂荷載明顯下降。

可見，為保證疊合梁結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，必須將對稱軸側(cè)預(yù)應(yīng)力筋合力點控制在S/B值取0.15～0.5的范圍內(nèi)。此外，根據(jù)模擬結(jié)果，在S/B值從0.4增至0.65的過程中，實際張拉力對開裂荷載和開裂程度也有影響，如果實際張拉力為50%σ，則開裂荷載降幅為7.2%；如果實際張拉力取80%σ，則開裂荷載降幅為14.4%。也就是說，隨著實際張拉力的增大，開裂荷載對S/B值的變動更加敏感。

為分析預(yù)應(yīng)力筋間距對開裂荷載的影響，在模擬時假定S/B值固定取0.4，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋間距依次取100 mm、200 mm、300 mm和400 mm時，開裂荷載分別為244.31 kN、243.06 kN、244.82 kN、241.01 kN?？梢?，預(yù)應(yīng)力筋間距的改變對開裂荷載的影響并不明顯。

綜上分析，隨著疊合梁體外預(yù)應(yīng)力張拉水平的調(diào)整，梁體開裂荷載主要受到S/B值的影響較大，且基本呈先升后降的變化趨勢；開裂荷載在S/B值取0.4時達到峰值；在S/B值固定不變的情況下，單純調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋間距，對開裂荷載的影響十分微弱[5]。

4 體外預(yù)應(yīng)力加固施工工藝

4.1 鋼箱梁制作

該簡支鋼混疊合梁鋼箱梁分5段預(yù)制，長度依次為25 m、18 m、22 m、18 m、25 m，通過電腦展開1∶1放樣；縱向結(jié)構(gòu)應(yīng)按1 mm/m加放焊接收縮量。根據(jù)焊接工藝確定焊材。

預(yù)制好的鋼箱梁到場后應(yīng)展開理化檢測和無損檢測。理化檢測就是對原材料展開理化檢驗。待焊縫焊接完成，在24 h內(nèi)實施外觀檢查并按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT 3650—2020）展開無損檢測，規(guī)范中未盡事宜參考《鋼焊縫射線照片及底片分類法》（GB 3323—2016）。結(jié)合實際施工質(zhì)量控制要求，全部對接焊縫必須為Ⅰ級，在100%超探檢測后，按10%的比例進行X光抽檢。上翼緣板、底板和腹板處角焊縫全部按照Ⅱ級焊接要求處理。

使用與設(shè)計涂料相適應(yīng)的方法和等級展開構(gòu)件表面除銹，涂層厚度和涂裝遍數(shù)等均應(yīng)滿足設(shè)計要求。根據(jù)涂料產(chǎn)品說明書選擇溫度和相對濕度合適的涂裝環(huán)境；若說明書無明確要求，則應(yīng)在5～38 ℃之間且相對濕度≤85%的環(huán)境下展開。

考慮該橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性及施工質(zhì)量要求較高，故應(yīng)按以下要求展開質(zhì)量控制：鋼板通過氧乙炔火焰精密切割，不得剪切；鋼樣條制作時必須充分考慮銑刨邊加工量和焊接過程中可能的收縮量，主要構(gòu)件對接時鋼板軋制方向應(yīng)同部件受力方向；構(gòu)件涂裝前應(yīng)反復(fù)核實涂料種類、質(zhì)量及涂裝部位，涂裝除銹等級必須達到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T 8923.1—2011）中Sa2.5級的要求。

4.2 鋼箱梁吊裝

鋼組合梁預(yù)制完成后運至施工現(xiàn)場吊裝，并形成鋼梁連續(xù)結(jié)構(gòu)，此后鋪筑預(yù)制板并澆筑橋面混凝土，以形成鋼混組合結(jié)構(gòu)。期間必須搭建強度和剛度均符合要求的臨時拼裝支架。結(jié)合鋼梁分段要求，應(yīng)同時搭建16個尺寸為450×250 cm的拼裝支架，其中8個支架搭建在3～4#軸和5～6#軸間，另外8個支架搭建在上下行車道處。前8個支架全部采用碗式結(jié)構(gòu)，按照橫橋向和順橋向均為30 cm的步距搭建，使用50 cm厚的二灰土砂礫加固基礎(chǔ)。后8個支架則使用Q235b鋼貝雷架，通過150×150 cm的方木墊實后直接搭建。

該橋梁工程共20件鋼箱梁，結(jié)構(gòu)重量最大為43 t，因周圍場地限制，通過1臺380 t汽車吊吊裝；按照設(shè)計要求計算確定吊點位置。吊裝施工前必須復(fù)測墩頂、橋臺高程、中線和跨徑，將誤差控制在允許范圍內(nèi)。吊裝過程中，應(yīng)安排技術(shù)人員實時觀察支架剛度、強度以及構(gòu)件受力，保證鋼箱梁吊裝順利展開。

吊裝完成后通過高強螺栓連接，螺栓應(yīng)使用附帶扭矩計的扳手通過扭矩法擰緊；安排測量人員就位后展開鋼梁拱度檢測，核實數(shù)據(jù)。在各片鋼梁腹板跨中布設(shè)沉降觀測點，分別于鋼梁吊裝就位、澆筑橋面板混凝土前后展開沉降觀測。

為確保鋼箱梁外形與拱度，還應(yīng)嚴格控制胎具搭設(shè)高程，加強施焊遍數(shù)及焊縫高度、寬度控制。完成鋼箱梁吊裝后展開橫縱梁實際標高量測，并進行預(yù)拱度復(fù)核，防止跨中下?lián)?、支座脫空?/p>

4.3 預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板施工

4.3.1 翼緣板支架搭設(shè)

為降低施工影響，擬采用懸臂法展開鋼箱梁外翼緣板施工，并按60 cm間距設(shè)置特制三角桁架以支撐橋面板翼緣板底模。三角桁架側(cè)面增設(shè)可調(diào)節(jié)底托，進行橋面模板位置的調(diào)整與控制；三角桁架與模板安裝期間必須栓接，保證施工安全。

臨時支架搭設(shè)前必須展開荷載計算，充分考慮支架變形和地基沉降，按設(shè)計要求預(yù)留拱度。支架搭設(shè)完成后安裝砂箱時必須考慮鋼梁安裝后受力體系轉(zhuǎn)換，并便于臨時支架拆除。

4.3.2 鋼筋綁扎

以預(yù)制混凝土板為鋼箱梁橋面板，安裝好后必須安排技術(shù)人員檢查鋼筋型號、綁扎尺寸、鋼筋位置，避免混凝土澆筑時產(chǎn)生松動、變形。將相應(yīng)強度和數(shù)量的墊塊按50 cm以內(nèi)的間距布設(shè)于模板和鋼筋間，增強鋼筋保護層厚度。對鋼筋焊接接頭現(xiàn)場進行取樣，展開力學(xué)檢測，測試結(jié)果必須符合要求。

順著橋線垂直布設(shè)橫向鋼筋，通長焊接縱向鋼筋。為防止鋼筋網(wǎng)因受到橋面板混凝土澆筑沖擊后發(fā)生下沉，必須將鋼筋和抗剪栓釘牢固綁扎；整個鋪裝層鋼筋網(wǎng)必須一次綁扎完成。此外，還應(yīng)嚴格控制鋼筋保護層厚度，該厚度過大則容易引發(fā)鋪裝層混凝土裂縫。

嚴格按照設(shè)計要求的孔道坐標展開波紋管鋪設(shè)；波紋管定位鋼筋架間距控制在50 cm以內(nèi)，定位鋼筋必須和橋面鋼筋牢固焊接，孔道與定位鋼筋穩(wěn)固綁扎。為防止混凝土澆筑過程中水泥灰漿漏進管道，波紋管接頭處必須使用套管，并用膠帶纏繞密實；在管道波峰處開設(shè)排氣孔。

4.3.3 橋面板澆筑

該簡支鋼混疊合梁橋面板澆筑使用商品混凝土，在混凝土泵車和輸送泵的配合下泵送，按照從低處向高處、從一端向另一端的次序分層展開。澆筑期間必須加強波紋管保護及平整度控制，順著橋跨向焊接4道鋼筋高程樁，由刮杠找平，木抹子成活。該橋梁面板混凝土強度大，水灰比高，出現(xiàn)裂縫的可能性大。必須在澆筑完成后覆蓋土工布標準養(yǎng)護，灑水養(yǎng)生。

4.3.4 預(yù)應(yīng)力張拉

待混凝土實際強度達到設(shè)計要求后，根據(jù)設(shè)計次序展開預(yù)應(yīng)力張拉，張拉施工采用張拉力和鋼絞線張拉伸長量雙控，伸長量誤差不得超出?6%～+6%范圍。張拉期間加載與卸載速度必須勻速適中，并控制鋼束回縮量以及張拉前后鋼混疊合梁拱度變化，保證橋面鋪裝層施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力鋼混疊合梁材料用量節(jié)省，結(jié)構(gòu)高度較低，抗疲勞性和強度均較好，承載力高。施工期間通過加強控制，明確質(zhì)量要點，便可通過傳統(tǒng)施工方法和簡單施工工藝取得較好的結(jié)構(gòu)性能。該鋼混疊合梁體外預(yù)應(yīng)力加固實踐中采用了預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固鋼齒板和轉(zhuǎn)向裝置方案，其中鋼齒板通過雙面坡口熔透焊形式與原橋梁腹板、底板形成整體性結(jié)構(gòu)，受力良好；轉(zhuǎn)向裝置也與橋梁橫隔板構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，為鋼絞線后期更換提供了便利。

參考文獻

[1]李雪瑩， 馬曉忠. 橋面鋪裝縱向開裂的鋼混疊合梁橋荷載試驗分析[J]. 北方交通， 2023（5）： 26-29.

[2]海驥. 鋼混疊合梁在負彎矩區(qū)的承載力及開裂控制技術(shù)[J]. 四川建材， 2023（4）： 54-56.

[3]崔振山， 歐陽平， 劉文強， 等. 鋼-混疊合梁體外預(yù)應(yīng)力加固施工工藝研究[J]. 公路， 2022（5）： 199-203.

[4]李文龍. 鋼-混疊合梁橋面系多跨中承式系桿拱橋設(shè)計[J]. 中國市政工程， 2018（3）： 21-23+30+116.

[5]王沖， 馬曉暉. 鋼混疊合梁在高速公路改擴建中的應(yīng)用及關(guān)鍵施工技術(shù)研究[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2018（1）： 49-50+93.