铁路PC箱梁顶板修复施工优化研究

 马  明，徐佰顺，钱永久，程  恩

 （西南交通大学土木工程学院，四川  成都  610031）

[摘要]某铁路PC连续箱梁桥在施工过程中，边跨顶板在架桥机支点局部荷载作用下发生破坏，经现场检测及分析后采用凿除顶板损伤部位混凝土并重新浇筑顶板的方法进行加固。首先利用有限元法对顶板损伤成因进行了分析，然后针对提出的加固方法，对加固施工过程进行了优化分析，以保证在加固施工期间结构的安全性。理论分析以及加固施工监测表明，采用分块凿除、分部浇筑方法可以避免加固过程中箱梁底板发生开裂。

[关键词]桥梁工程；连续箱梁桥；顶板开裂；加固；设计；施工优化；有限元分析

[中图分类号] U448. 21+3  [文章编号]1002-8498( 2016) 11-0039-03

1  工程概况

 某双线铁路桥主桥上部结构为(25 +40 +32)m的预应力混凝土连续箱梁，梁体为单箱单室、等高度、等截面箱梁结构，采用C55混凝土。箱梁顶宽12m，底宽6.7m，梁高3m。全桥中跨端部和边跨端部顶板厚60. 0cm，其余位置顶板厚35. 0cm；底板厚边跨端部为60cm，中跨端部为70. 0cm，其余位置为30. 0cm；腹板厚边跨端部为90. 0cm，其余位置为40. 0cm。主桥连续梁采用悬臂浇筑施工，引桥全部采用简支梁，跨径24m，引桥施工采用运架一体机进行架设。全桥布置如图1所示。在架设该桥主桥相邻跨简支梁过程中，主桥25m边跨顶板在架桥机临时支点的局部荷载作用下发生破坏，梁体顶板损伤范围集中在25m边跨3，4号梁段，损伤示意如图2中阴影部分所示。

2  损伤成因分析

 根据施工资料及现场损伤情况分析可以初步判断顶板破坏的主要原因为：①施工时临时支点下钢垫板面积较小，不能有效地将支点集中力分布于箱梁顶板上，造成局部荷载过大，顶板顶面发生冲切破坏；②临时支点作用位置恰好位于两束纵向预应力钢束上方，顶板顶面发生冲切破坏后，预应力束在荷载作用下带动顶板底部混凝土整体发生变形，形成了类似于锥体的破坏形式。

2.1  有限元模拟

 为了详细分析主梁顶板损伤成因以及后续加固施工优化分析，本文采用有限元法建立箱梁实体模型，有限元模型分析采用ANSYS软件。混凝土实体部分采用solid45单元模拟，预应力钢束采用link8单元模拟，预应力钢束单元与混凝土实体单元采用耦合模拟两者之间相互作用。模型纵向单元划分尺寸控制在10cm。边界条件采用柔性边界法，选取半跨结构进行建模，边跨和中跨约束为截面上约束竖向自由度和横桥向自由度，对称面约束顺桥向自由度。模型中单元数为414 009个，节点数为474 924个。

2.2计算结果及分析

 在考虑结构自重、纵向预应力、横向预应力、架桥机临时支点作用力组合下，由架桥机临时支点位置处的箱梁应力结果可知：

 1)架桥机支点荷载作用下，考虑横向预应力的箱梁顶板上缘产生- 28. 6MPa的主压应力，超过了混凝土的抗压强度，下缘产生4. 54MPa的主拉应力，超过了混凝土的抗拉强度，由于混凝土属于脆性材料，主应力超标会导致下缘开裂、上缘压溃，计算结果与目前受损状态相吻合。

 2)通过观察主应力的矢量流动方向可知，混凝土上主拉应力是通过顶板内倒角向腹板扩散，所以在倒角处容易发生集中现象，导致局部开裂，与结构损伤状态相吻合。

3  加固处理方法及效果分析

3.1  加固处理思路

 综合现场情况以及实体损伤分析的结论，本次事故对桥梁的影响有如下特点：①顶板破损的影响集中在25m边跨3，4节段，且3，4节段的腹板、底板没有损伤；②顶板冲切破坏后，尚有顶面部分混凝土连续，形成类似于混凝土薄拱状结构，故翼缘板上横向预应力效果尚存在；③顶板损伤影响到2束纵向预应力，但该2束预应力在3，4号梁段以外部分的预应力效果尚存在。因此，本次加固主要针对局部进行修复和补强，使修复后的桥梁在纵向保持全预应力状态，承载能力尽量接近原设计，在加固施工过程中，要尽量避免对未受损梁体造成损伤，并对2束纵向预应力钢束做好保护工作。

3.2加固处理方案

 1)凿除3，4号梁段顶板受损部位的混凝土，将该部位箱梁顶板整体向下加厚15cm，并增加1层普通钢筋，新浇筑混凝土采用C60（原设计为C55混凝土）小粒径微膨胀混凝土。

 2)由于受影响的2束预应力锚块位于损伤范围内，故凿除原锚块，新锚块较原锚块前移25cm以留出张拉空间，新锚块混凝土与顶板修复混凝土同时浇筑，待混凝土达到一定强度后，将原有2束纵向预应力束利用新浇筑齿块进行单端恢复张拉；并将原锚具更换为低回缩锚具以减少预应力损失，张拉完毕后进行压浆封闭。

4加固施工优化

4.1施工方案优化

 根据加固处理方案，首先需要凿除顶板混凝土，箱梁在顶板局部凿除后变为图3所示开口截面，在横向预应力作用下会使底板下缘产生拉应力，此拉应力大小与顶板凿除长度有关，凿除长度较短时，未凿除部分梁体对已凿除部分约束作用较强，底板拉应力较小；反之，凿除长度越长，底板拉应力越大，如底板拉应力超过混凝土抗拉强度，则底板存在开裂风险。

 为了避免加固施工对结构造成二次损伤以及优化施工工序，缩短施工时间，本文提出3种施工方焊接合龙端口，拱顶焊接完毕后再焊接拱脚转铰处外包钢管，拱肋完成由三铰拱到无铰拱的体系转换。案并采用有限元法对施工过程进行模拟，对比3种

方案下箱梁底板拉应力。

 1)方案1  一次性沿纵向凿除损伤部位共7m范围内的箱梁顶板，然后进行修复处理。

 2)方案2通过对损伤梁段的详细检测，发现顶板损伤较严重部位主要集中在5. 4m范围内（见图4），故仅对此范围内箱梁顶板进行一次性凿除，然后进行修复处理。

 3)方案3  按照图4所示将方案2中5.4m范围内的顶板分为4块共3个部分，按照施工时凿除顺序编号为1～3，首先凿除第1部分共1. 5m范围内顶板混凝土，凿除完成后对第1部分进行修复，待新浇筑混凝土达到强度要求后再对第2部分进行凿除，依此类推，直至第3部分修复完成。

4.2  施工优化分析结果

 依据上述3种方案分别建立相应的有限元分析模型，对施工过程进行模拟，在分析时考虑结构自重、纵向预应力以及横向预应力荷载，每种施工方案分别沿纵向给出9个剖面处截面底板下缘中轴线处的应力结果，剖面布置如图5所示，应力结果如图6所示。从图6中可以看出，采用方案1和方案2时，底板下缘会产生最大2. 47MPa和1.99MPa的拉应力，大于混凝土抗拉强度1. 96MPa，箱梁底板存在开裂风险，方案3底板下缘拉应力最大为1. 53MPa，故采用方案3可以避免加固施工过程中对结构造成二次损伤。

 在加固施工过程中对图5中9个应力点的应力进行实时监测，应变测量采用外贴振弦式传感器，测量结果与理论计算值如图7所示，从图中可以看出，实测应力均小于理论值，实测最大应力为1. 40MPa，发生在凿除第2部分顶板混凝土后，整个加固施工过程中箱梁底板未发现裂缝。

5  结语

 1)顶板破坏的主要原因为架桥机支点处较大的局部荷载引起的主应力超出混凝土抗压及抗拉强度，且损伤状态与理论计算相吻合。

 2)-次性凿除损伤部位顶板的施工方式会在箱梁底板下缘产生较大拉应力，使箱梁底板存在开裂风险。

 3)本文推荐的优化施工方法可以降低箱梁底板下缘的拉应力，避免对结构造成二次损伤，且实测应力与理论计算值接近，施工过程中未发现开裂现象。

 4)本文针对加固施工方法的优化可以推广至其他同类型桥梁，建议在架桥机施工过程中，对支点处的局部荷载进行细部分析，避免此类事故发生。