客运专线铁路预应力混凝土连续梁底板崩裂加固设计.pdf

桥 梁 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7 1 0 0 4 3 ) 摘 要 ： 某客运专线( 3 O 1 5 + 4 8 + 5 6 + 4 8 + 3 0 1 5 )in预 应力混凝土连 续梁在预应 力张拉 、 压 浆完毕后 中孔 5 6 m 粱底 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 。 关键词 ： 预应力混凝土桥 ；连 续梁；底板崩裂 ；加 固设计 ；预压 中图分类 号： U 4 4 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 6 2 0 3 De s i g n f o r S t r e n g t he n i n g Tr e a t me n t o f Bur s t i ng Cr a c k s a t Bo t t o m S l a b o f Co n t i n uo us Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Gi r d e r o f Ra i l wa y Pa s s e ng e r De di c a t e d Li n e CHEN J v ( C h i n a Ra i l wa y F i r s t S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p L t d ，X i a n 7 1 0 0 4 3，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Af t e r t h e p r o c e s s e s o f p r e s t r e s s i n g a n d g r o u t i n g we r e b o t h fi n i s h e d f o r a( 3 0 1 5 + 4 8 + 5 6 + 4 8 + 3 0 1 5 ) 一 m c o n t i n u o u s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e g i r d e r o f a r a i l w a y p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e t h e p h e n o me n o n o f l a r g e a r e a b u r s t i n g c r a c k s o c c u r r e d a t t h e b o t t o m s l a b o f i t s 5 6一 m mi dd l e s p a n Th e r e f o r e，t h e p a pe r c o mp r e h e ns i v e 1 y a n a l y z e d t he r e a s o n o f b u r s t i n g c r a c k s， a nd c o n d uc t e d r e l e v a n t i n v e s t i g a t i o n a n d c o mp a r i s o n o n t h e a d v a nt a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i o u s t r a d i t i o n a l s t r e n g t h e n i n g me t h o d s F u r t h e r ， c o ns i de r i n g t h e a c t u a l s i t u a t i o n t ha t t h e d u c t g r o u t i n g o f s t e e l t e n d o n s h a d b e e n fin i s h e d a l r e a d y，t h e pa p e r pu t f o r wa r d a n e w de s i g n s c h e me o f s t r e n g t he n i n g t r e a t me n t - p r e l o a d i n g t o t h i s g i r d e r s t r u c t u r e Th i s ne w d e s i g n s c h e me，foc u s i n g o n t h e s t r e s s s t a t e o f c o n t i n u o u s g i r de r ，a n d b r e a k i n g t h r o u g h t h e i d e a o f t r a d i t i o n a l me t h o d s wh i c h o n l y l a y e mp h a s i s o n“s t r e n g t h e n i n g”， h a s e f f e c t i v e l y a v o i d e d t h e d i s a d v a n t a g e s o f t r a d i t i o n a l me t h o ds Fi n a l l y a g o o d s t r e n g t h e n i n g t r e a t me n t e f f e c t h a s b e e n a c h i e v e d b y u s i ng t h i s n e w d e s i g n s c h e me Ke y wo r d s：p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e；c o n t i n u o u s g i r d e r ；b u r s t i n g c r a c k s a t b o t t o m s l a b；d e s i g n f o r s t r e n g t h e ni n g t r e a t me n t ；pr e l o a d i n g 1 概 况 1 1 设计概 况 某 客运 专线 桥设 计 为 ( 3 0 1 5 + 4 8 + 5 6 + 4 8 + 3 0 1 5 ) 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 3 5 m， 跨 中合龙段、 边 跨 现 浇段梁 高 3 3 5 m， 梁底 曲线 为二 次 抛物 线 。箱 梁 顶宽 1 2 0 m， 底宽 6 7 m， 单侧悬臂长 2 6 5 m， 悬臂端 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 1 5 ；修回 日期： 2 0 1 3 0 3 2 5 作者简介 ： 陈举 ( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 工程 师 ， 2 0 0 6年毕业 于兰 州交通 大学 土木工程专业 ， E ma i l ： c h e n j u 7 0 7 1 6 3 c o rn。 6 2 厚 2 5 6 e m， 悬 臂 根 部 厚 6 5 a m。箱 梁 腹 板 厚 度 由 8 0 e m变 化至 4 8 e m， 底 板 厚 度 由 8 0 e m 变 化 至 4 0 c m 主梁 ， 顶 板厚 度 由 6 5 e m变 化至 4 0 a m。梁 体 采用 C 5 0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 1 5 4 , 1 5 2 mm钢绞线 ； T构腹板束采 用 1 2 4, 。 1 5 2 m m 钢 绞线 ； 所 有箱 梁纵 向钢束 均采用 双端 张拉 ， 张拉控 制 应力 o r = 0 6 ，k =1 2 6 5 M P a 。 箱梁采用悬臂灌注法施工 ， 其 中5 6 m跨度有 6个 悬臂施工段 ， 4 8 m和 3 0 1 5 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 铁道 标准设 计R A I L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 9) 陈 举一客运专线铁 路预应力混凝土连续梁底板崩裂加 固设计 合龙 中跨 ， 最 后合 龙边 跨 。 箱 梁 中跨 底 板 合 龙 后 共 张 拉 2 4束 1 5 1 5 2 m m 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 6 5 6 k N。 1 2底板 崩 裂概 况 施工 中连续箱梁 中跨 5 6 i n合龙段钢束张拉压浆 桥 梁 完成 后 ， 时 隔 1 d ， 发现底 板 出现崩 裂 。5 6 I I l 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 m m， 混凝 土脱 落处 缝 宽 5 0 mm左 右 ； 底板 崩 裂分 层 ， 底 板钢筋 网下 沉 最 大 约 l 4 7 a m； 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 。 号段 段 号段 号段 一 号段 。 6 ，号 段 7s 哪 8 段 39 段 I4：0哪 号 段 段 图 1 梁体纵 向开 裂梁段位 置示意 图 2底 板 开 裂 2底 板崩 裂 的原 因分 析 一 图 3底 板底 混凝土破 碎 。 波纹管外漏 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 。 P 图 4预应 力筋对底 板作 用的径向力 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 。 铁道标准设计R A I LW AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 3( 0 9) 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 1 4 5 c m； 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 。 63 桥 梁 陈 举一客运专线铁路预应力混凝土连续梁底板崩裂加固设计 2 5 0 k N m预压荷载 l l l l i l ， ， i l ， 号段 2 9 ，号 。 ； ， 号 殷 3 2 3 3 3 4 3 5 l3 6 3 7 3 8 3 9 号 段 ，号 段 号 4 3 2 1 1 号 段 4 号 段 5 号 段1 7 号 段18 7 号 段1 5 号 段 4 号 段 3 号 段 I 爵I 一 L l j 鳓 1 O 2 5 k N m预压荷载 = 二 田卫= I 田 _、r 一 f 塑 型 亘 塑 坌 遏 堑 I 2 1 1 3 4 1 1 3 图 6梁体 施加预压荷载方案横 向堆载简图 ( 单位 ： IT I ) 表 1 采取预压措施后补部分混凝土应力对 E M P a 截面 下缘最大 下缘最小 后补部分混截面 下缘最大下缘最小 熏 号 正 应 力 正 应 力 凝土预压 号 正 应 力 正 应 力 嚣 3 2 s 6 8 2 5 0 k N m 3 2 3 2 3 0 5 6 力 状 况 3 3 1 4 5 3 2 5 的荷 载 后 应 3 3 4 1 8 0 6 4 3 4 1 0 5 4 3 力状况 3 4 4 6 7 一O 6 7 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 C 5 5 ， 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 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 2 9 4 2号截 面范围内由两侧 向中间 对称均匀分层堆载至 2 5 0 k N m 的荷载 ； 施加预压荷 载后 结构 3 2 、 3 3 、 3 4号 截 面 下 挠 理 论 计 算 值 分 别 为 1 5 8 ， 2 1 1 ， 2 7 8 c m； 实 测 值 分 别 为 1 6 3 ， 2 1 6 ， 2 8 4 c m。 ( 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 3 2 、 3 3 、 3 4号截 面上拱 理论 计算 值分别 为 1 3 3 ， 1 6 4， 1 8 4 c m； 实 测值分 别为 1 3 6 ， 1 6 5 。 1 8 2 a m。 以上 结果说 明该 加 固方 案达 到 了预 期 的设计 效果 。 64 ( 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 9 0 0 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 。 参考 文献 ： 1 中华人民共 和国建设部G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 混 凝土结 构加 固设计 规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 中华人 民共和 国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 1 2 O O 5 铁路桥 涵设计基 本 规范 S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 3 中华人 民共和 国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 3 2 O O 5 铁路桥 涵钢筋 混凝 土和预应 力 混 凝 土 结 构 设计 规 范 S 北 京 ： 中 国铁 道 出版 社 ， 2 0 0 5 4 中华人民共和国交通运输部 J T G T J 2 2 -2 0 0 8 公路桥梁加 固规 范 S 北京 ： 人 民交通出版社， 2 0 0 8 5 中华人民共和国铁道部 T B 1 0 6 2 1 2 O O 9 高速铁路设计规范 ( 试 行 ) S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 9 6 中华人 民共 和 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