張拉螺紋鋼對箱梁吊梁孔結(jié)構(gòu)受力的影響

楊心怡，班新林，羅支貴，張高翔

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

1 概述

簡支箱梁吊梁孔是箱梁架設(shè)上橋的重要控制部位，與其配套使用的有用來提供分壓、固定作用的墊板、螺栓。高速鐵路簡支箱梁通用圖中，吊梁孔一般為4個(gè)，均設(shè)置在梁端腹板內(nèi)側(cè)的頂板上。提梁車吊桿穿過箱梁頂板上預(yù)留的吊梁孔將梁體吊離地面，之后將簡支箱梁移動至存梁臺座或橋位。2006年鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對在建的50余個(gè)梁場進(jìn)行普查，發(fā)現(xiàn)部分梁場所生產(chǎn)的雙線簡支箱梁端部普遍存在縱向或豎向裂紋。在靠近提梁孔附近，梁端縱向裂縫一般不超過1 m，寬度<0.1 mm[1]。長久以來，吊梁孔處開裂一直是制梁單位亟待解決的問題。

為滿足建設(shè)需要，一新建時(shí)速250 km客運(yùn)專線鐵路以通橋(2009)2229A-Ⅰ參考圖[2]為基礎(chǔ)，采用了非標(biāo)預(yù)制雙線簡支箱梁。該非標(biāo)梁梁長32.6 m，計(jì)算跨度31.5 m，梁體中心線處高2.693 m，設(shè)計(jì)活載為ZK活載。該非標(biāo)梁比通用圖標(biāo)準(zhǔn)梁線路中心距加寬了0.7 m，由標(biāo)準(zhǔn)梁的4.6 m加寬為5.3 m。相應(yīng)地，擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬由9.0 m加寬至9.7 m，橫橋向支座中心距由4.4 m加寬至5.1 m。

時(shí)速250 km客運(yùn)專線鐵路簡支箱梁通用圖中規(guī)定，吊梁孔橫向間距為3.7 m，而非標(biāo)梁吊梁孔橫向間距為3.8 m。有學(xué)者統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)觞c(diǎn)橫向間距減小35%時(shí)，上梗脅最大拉應(yīng)力增大近40%[3]。按比例計(jì)算，當(dāng)非標(biāo)梁吊點(diǎn)橫向間距至少為3.7+0.7/5.3×3.7≈4.2 m 時(shí)，或許能夠抵消因橋面加寬而加劇的橫框扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(非標(biāo)梁梁端截面上梗脅間距為4.948 m，滿足加寬條件)。因此，若以橫框受力性能不變?yōu)榍疤岱治?，非?biāo)梁吊點(diǎn)橫向間距占橋面寬度比例實(shí)際上比標(biāo)準(zhǔn)梁小。這將增大上梗脅處混凝土拉應(yīng)力，并且對吊梁孔周圍結(jié)構(gòu)受力分配產(chǎn)生不利影響。為此，施工單位決定加固箱梁腹板。

對于加固腹板的方法國內(nèi)已有研究。文獻(xiàn)[4]研究了腹板內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋的箱梁在張拉與不張拉、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿與不灌漿的不同工況下，混凝土箱梁抗剪性能的差別。通過試驗(yàn)結(jié)果對比分析得出：豎向預(yù)應(yīng)力可將開裂荷載提高16%，豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉端的抗剪承載力比不張拉端增加2.3%，不灌漿端的抗剪承載力比灌漿端減小9.3%。文獻(xiàn)[5]亦得出裂縫寬度受豎向預(yù)壓應(yīng)力影響比受縱向預(yù)應(yīng)力影響明顯的結(jié)論。另外文獻(xiàn)[6]提出了以橫向張拉鋼絞線的方式對箱梁腹板施加豎向預(yù)應(yīng)力的加固方法。但該方法存在壓彎失穩(wěn)的不確定性。

基于現(xiàn)有的各類加固方法[7-9]，結(jié)合箱梁實(shí)際澆筑情況與現(xiàn)場施工條件，施工單位采用在吊梁孔靠近跨中一側(cè)豎向張拉螺紋鋼的方法來加固。其原理是通過螺紋鋼張拉應(yīng)力改變梁端吊梁孔周圍受力體系，使螺紋鋼和底板承擔(dān)一部分原來腹板的吊梁力。通過改善吊梁過程中箱梁結(jié)構(gòu)的受力，來達(dá)到減小裂縫寬度與長度、降低混凝土應(yīng)力水平的目的。

2 張拉螺紋鋼方法

在箱梁每端布置4根直徑32 mm 的螺紋鋼(見圖1)，橫向中心距 2 850 mm，縱向2排，分別距離梁端750 mm和 1 750 mm。螺紋鋼在箱梁頂板上方張拉，每根螺紋鋼張拉力為338 kN。待箱梁架梁到位后，可將螺紋鋼拆除并重復(fù)利用。

圖1 螺紋鋼布置(單位：mm)

4根螺紋鋼N1～N4按平面逆時(shí)針順序張拉，每根螺紋鋼分4級張拉，具體為250 kN—270 kN—290 kN—338 kN。通過張拉過程中對橫框各部位的監(jiān)測可知：腹板壓應(yīng)變在21×10-6～36×10-6；頂板底面(測點(diǎn)25#、測點(diǎn)26#)和底板頂面(測點(diǎn)27#、測點(diǎn)28#)混凝土拉應(yīng)變均為25×10-6；端面頂板上緣(測點(diǎn)29#)受壓，頂板下緣(測點(diǎn)30#)受拉，應(yīng)變絕對值在42×10-6左右,說明張拉螺紋鋼對結(jié)構(gòu)受力影響較小。

3 吊梁試驗(yàn)

為掌握非標(biāo)梁有、無張拉螺紋鋼時(shí)，橫框表面混凝土應(yīng)力的波動情況和裂縫的開展情況，進(jìn)行了首孔非標(biāo)梁的吊梁試驗(yàn)。

一般來說，一片簡支箱梁在生產(chǎn)至上線使用前至少需要經(jīng)歷2次吊梁。第1次吊梁是梁體從制梁模板中吊起移梁至存梁臺座或靜載試驗(yàn)臺座上；第2次吊梁是將已達(dá)到100%混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的裸梁從存梁臺座吊移至橋位。第1次吊梁時(shí)梁體混凝土強(qiáng)度較弱，箱梁起吊時(shí)除需克服自重外還要克服模板的摩擦力，因此第1次吊梁相較于第2次吊梁更為不利。第2次吊梁所產(chǎn)生的裂縫和混凝土應(yīng)力水平相較于第1次吊梁均有所減小。文獻(xiàn)[10]結(jié)合運(yùn)架梁過程中的多種施工機(jī)械作業(yè)情況對預(yù)制箱梁在施工階段深入計(jì)算分析得出：架梁工況為簡支箱梁橫向鋼筋設(shè)計(jì)控制工況。

文獻(xiàn)[1]提到，簡支箱梁橫向及扭轉(zhuǎn)方向均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在移梁存放及提梁架設(shè)的環(huán)節(jié)中發(fā)生不均勻提梁或“三條腿支撐”等問題時(shí)，梁端部將會產(chǎn)生過高的非預(yù)應(yīng)力方向的局部應(yīng)力，導(dǎo)致梁體受力產(chǎn)生裂紋。除此以外，端部縱向裂紋會造成梁體抗扭剛度的折減。因此，開裂既對梁體受力性能產(chǎn)生不利影響，亦影響箱梁耐久性。

3.1 測試內(nèi)容與測點(diǎn)布置

吊梁試驗(yàn)具體內(nèi)容：在吊梁孔下方腹板表面豎向布置外貼式振弦傳感器測點(diǎn)(見圖2)，以監(jiān)測吊梁孔周圍混凝土應(yīng)力水平、分布狀態(tài)及表面開裂情況。除此固定測點(diǎn)之外，在有張拉螺紋鋼工況額外在梁端橫框的頂板底面與底板頂面設(shè)置測點(diǎn)，位置均處于梁體中心線(見圖3)。

圖2 測點(diǎn)布置(單位：mm)

圖3 張拉螺紋鋼工況新增測點(diǎn)布置(單位：mm)

3.2 試驗(yàn)工況與試驗(yàn)過程

試驗(yàn)工況分為4種：第1次吊梁有張拉螺紋鋼;第1次吊梁無張拉螺紋鋼;第2次吊梁有張拉螺紋鋼，第2次吊梁無張拉螺紋鋼。有張拉螺紋鋼工況下螺紋鋼均已張拉完畢。具體試驗(yàn)過程：第1次吊梁將非標(biāo)梁從制梁臺座吊出，隨即運(yùn)梁以及懸停一段時(shí)間，最后落梁停穩(wěn)在存梁臺座上。其中無張拉螺紋鋼工況從起吊到停穩(wěn)歷時(shí)近2 h，懸停9 min(此時(shí)梁體齡期14 d)，有張拉螺紋鋼工況運(yùn)梁過程歷時(shí)24 min(此時(shí)梁體混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)值100%)。第2次吊梁將非標(biāo)梁從存梁臺座上吊起，懸停一段時(shí)間，再落梁停穩(wěn)。其中無張拉螺紋鋼工況懸停10 min(此時(shí)梁體預(yù)應(yīng)力鋼束已完成終張拉)，有張拉螺紋鋼工況懸停6 min。試驗(yàn)過程中連續(xù)測試吊點(diǎn)周圍混凝土應(yīng)變，并觀察梁體表面裂縫開展情況。起吊時(shí)使用480 mm×560 mm的墊板。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 第1次吊梁

在無螺紋鋼工況箱梁起吊使東、西側(cè)的吊梁位置均在腹板和頂板相交部位產(chǎn)生了裂縫。裂縫縱向長度約3.6 m，寬度約0.1 mm，最長延伸至變截面結(jié)束處，落梁后裂縫閉合。另外，除西北角有1條裂縫延伸至錨穴以外，其他裂縫均沒有延伸至箱梁端面(見圖4)。有螺紋鋼工況已有裂縫長度縮短為 2.0 m，寬度較小，約為0.1 mm。

圖4 第1次吊梁試驗(yàn)無張拉螺紋鋼工況裂縫

無張拉螺紋鋼工況腹板混凝土基本呈受拉狀態(tài)。受開裂的影響，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)靠近裂縫處混凝土應(yīng)力有所釋放(見圖5)。端面頂板上緣混凝土受拉，下緣受壓(見圖6)，端面頂板表面沒有開裂。

圖5 第1次吊梁腹板混凝土應(yīng)變

圖6 第1次吊梁端面頂板混凝土應(yīng)變

結(jié)合裂縫開展情況和應(yīng)變測試結(jié)果可以看出，梁端結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變在有、無張拉螺紋鋼工況下差異較大。無螺紋鋼工況梁體產(chǎn)生較大裂縫并且混凝土應(yīng)力水平較高，波動幅度大;有螺紋鋼工況雖仍有裂縫但混凝土應(yīng)力波動幅度減小，落梁后受支承條件改變的影響殘余應(yīng)變較大。

4.2 第2次吊梁

第2次吊梁試驗(yàn)過程中腹板、端面頂板混凝土的受力規(guī)律與第1次吊梁試驗(yàn)相同，見圖7、圖8。最下面一排測點(diǎn)的應(yīng)變相對較大。無張拉螺紋鋼工況肉眼檢查測點(diǎn)處沒有開裂的情況，有張拉螺紋鋼工況已有裂縫沒有延長，落梁后裂縫閉合。

對比2次吊梁試驗(yàn)結(jié)果可知：第2次吊梁工況混凝土應(yīng)變的變化相比于第1次吊梁工況更加平穩(wěn)，大部分測點(diǎn)殘余應(yīng)變較小且原有裂縫沒有延長。

圖7 第2次吊梁腹板混凝土應(yīng)變

圖8 第2次吊梁端面頂板混凝土應(yīng)變

4.3 各工況應(yīng)變最大值

各次試驗(yàn)中頂板底面、底板頂面混凝土應(yīng)力水平差別較小。表1對比了各工況應(yīng)變實(shí)測最大值,可知張拉螺紋鋼對非標(biāo)梁底板受力影響較小。張拉螺紋鋼明顯改善梁端頂板與腹板受力，能夠分別降低第1，第2次吊梁工況總體應(yīng)力水平的60%,40%。

表1 各工況應(yīng)變實(shí)測最大值 10-6

5 結(jié)論

1)吊梁時(shí)，吊孔處箱梁腹板為普通混凝土結(jié)構(gòu)，普遍發(fā)生開裂情況，落梁后裂縫閉合。

2)受模板脫模情況、吊梁操作平穩(wěn)性影響，第1次吊梁時(shí)吊孔位置腹板混凝土應(yīng)力最不利，第2次吊梁時(shí)相應(yīng)位置的混凝土應(yīng)力有所減小。

3)有張拉螺紋鋼工況2次吊梁過程中，各測點(diǎn)混凝土應(yīng)變發(fā)展相對無張拉螺紋鋼工況更加平穩(wěn)，拉應(yīng)變最大值也比無張拉螺紋鋼工況小。

4)由于非標(biāo)梁的吊孔距兩側(cè)腹板較遠(yuǎn)，吊梁過程中對腹板不利，因此非標(biāo)梁經(jīng)過吊梁后裂縫延展長度較長。通過在4個(gè)吊梁孔內(nèi)側(cè)張拉4根螺紋鋼，改變了吊梁過程中箱梁梁端結(jié)構(gòu)的受力方式，改善了箱梁梁端結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

5)該方法不僅減小了第1次吊梁的裂縫寬度與長度，亦使第2次吊梁應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)，從而降低了裂縫進(jìn)一步加大的可能性，同時(shí)也降低了新裂縫產(chǎn)生的概率。因此，張拉螺紋鋼輔助吊梁方法可以改善吊梁過程中梁體混凝土應(yīng)力波動大的問題，有利于降低第1次吊梁梁體開裂風(fēng)險(xiǎn)，且有利于控制第2次吊梁混凝土裂縫的開展。

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(責(zé)任審編 李付軍)