托架牛腿預(yù)埋區(qū)混凝土加固處理及應(yīng)力分析

于國(guó)亮

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 034000)

1 前言

在懸灌梁主梁0＃塊施工中，常采用在墩身預(yù)埋牛腿的方案，而預(yù)埋鋼板或墩身開(kāi)洞預(yù)埋大截面牛腿需切斷墩身豎向鋼筋，影響墩身施工質(zhì)量。若在墩身預(yù)埋實(shí)心鋼棒，預(yù)埋鋼棒下方混凝土又難以搗振密實(shí)，導(dǎo)致后期受荷后混凝土開(kāi)裂。本文提出在墩身施工時(shí)先預(yù)埋套管，套管外側(cè)安裝孔口周邊加強(qiáng)螺旋筋，而后穿入鋼棒的方法，并通過(guò)應(yīng)力模擬分析，解決了后期墩身混凝土質(zhì)量隱患和外觀缺陷的問(wèn)題。

2 方案設(shè)計(jì)

大豐華高速三渡水大橋(2×75)m T構(gòu)為單箱單室變高度變截面箱梁，箱梁頂板寬12.5 m，底寬6.5 m，主梁根部高8.0 m，懸臂端部梁高3.0 m，頂板厚為30～50 cm，底板厚30～90 cm，腹板厚50～80 cm，在梁高變化段范圍內(nèi)按線(xiàn)性變化。梁體在支座處設(shè)橫隔板，橫隔板中部設(shè)有孔洞，以利檢查人員通過(guò)[1]。

本連續(xù)梁0＃塊采用三角托架現(xiàn)澆施工，三角形托架采用雙拼40b工字鋼組合截面組焊，內(nèi)撐采用25b工字鋼截面。墩身施工時(shí)，在墩身預(yù)埋140 mm鋼棒，墩身施工完成后安裝牛腿及托架，搭設(shè)橫、縱梁形成支架體系[2]。

三角形托架間用40b槽鋼聯(lián)系撐連接加固，聯(lián)系撐按圖1設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)可適當(dāng)加強(qiáng)。托架上部布設(shè)雙拼40b工字鋼橫梁，長(zhǎng)度12.0 m，橫梁上部放置工字鋼楔形桁架，桁架上布置掛籃底模模板[3]。

由于托架牛腿所受豎向荷載較大，預(yù)埋鋼棒對(duì)孔口會(huì)產(chǎn)生較大壓力，且采用先預(yù)埋后澆筑混凝土的方式易造成鋼棒下方混凝土澆筑振搗不密實(shí)，并且鋼棒后期處理需采取切割方式，影響墩身外觀。本方案在墩身施工時(shí)先預(yù)埋?168×10襯管，襯管外套2塊600×600×10 mm定位鋼板，并在襯管外側(cè)套裝直徑12 mm、螺距10 cm、螺徑20 cm的螺旋鋼筋，加強(qiáng)混凝土周邊區(qū)域，防止壓力過(guò)大造成牛腿下緣混凝土開(kāi)裂(見(jiàn)圖2)。施工完成后取出鋼棒，對(duì)孔道進(jìn)行灌漿封閉處理[4]。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

(1)Q235B鋼材

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取值:

彈性模量:Es＝2.06×105MPa。

剪變模量:Gs＝7.9×104MPa。

泊松比:μs＝0.3。

抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:f＝215 MPa。

抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:fv＝125 MPa。

(2)墩身C40混凝土

由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取標(biāo)準(zhǔn)值:

彈性模量:Ec＝3.25×104MPa。

剪變模量:Gc＝1.3×104MPa。

泊松比:μ＝0.2。

軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值:fck＝26.8 MPa。

軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值:ftk＝2.4 MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)考慮的工況

根據(jù)《公路工程腳手架與支架施工安全技術(shù)規(guī)程》《橋梁支架安全施工手冊(cè)》并參考《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》的要求在計(jì)算支架結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮以下工況[5]:

(1)按澆筑混凝土工況對(duì)支架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

(2)模板安裝完畢、梁體鋼筋安裝前工況，應(yīng)組合風(fēng)荷載對(duì)支架整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

(3)在梁體預(yù)應(yīng)力張拉前拆除側(cè)模時(shí)，應(yīng)按拆除側(cè)模工況對(duì)支架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

(4)連續(xù)梁分段施工時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后梁體荷載重分布對(duì)支架強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

3.3 豎向荷載計(jì)算

采用Midas FEA有限元程序建立整體分析模型對(duì)托架體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算[6]，托架牛腿反力見(jiàn)表1。

表1 荷載反力匯總

實(shí)芯鋼棒直徑140 mm，采用45＃鍛鋼，選取最大荷載進(jìn)行截面剪應(yīng)力及拉應(yīng)力計(jì)算[7]。

(1)豎向力作用下的力矩

M＝Pe＝1 106.0×0.2＝221.2 kN·m

(2)力矩作用下上支鋼棒拉力

F＝M/h＝221.2/0.3＝737.3 kN

(3)單支鋼棒剪力

Q＝P/2＝1 106.0/2＝553.0 kN

(4)拉應(yīng)力

(5)剪應(yīng)力

(6)折算應(yīng)力

(7)鋼棒懸臂端下?lián)现?/p>

3.4 局部分析模擬

接觸分析假設(shè)空間中兩個(gè)對(duì)象可以發(fā)生接觸，但不能穿透對(duì)方(非穿透條件)，在物理學(xué)角度上為非線(xiàn)性行為或條件。接觸類(lèi)型分為一般接觸(考慮兩個(gè)物體之間的擠壓和摩擦)、粗糙接觸(不考慮滑動(dòng))、焊接接觸(兩個(gè)對(duì)象為焊接)和滑動(dòng)接觸(僅考慮切向上的滑動(dòng))。一般接觸和粗糙接觸取決于在分析開(kāi)始時(shí)兩個(gè)對(duì)象相對(duì)位置且可看作為線(xiàn)性接觸[8]。

本文采取一般接觸法模擬鋼棒與襯管、襯管與混凝土之間的擠壓和摩擦行為。一般接觸可用于非線(xiàn)性(靜態(tài)、動(dòng)態(tài))和完全耦合分析。

采用Midas FEA有限元程序構(gòu)建模型，墩身混凝土、鋼棒、襯管均采用實(shí)體單元模擬，預(yù)埋處加強(qiáng)筋采用植入式鋼筋單元模擬，在鋼棒與襯管之間、襯管與墩身混凝土之間均采用接觸單元模擬。

根據(jù)前文整體計(jì)算結(jié)果，對(duì)實(shí)體模型鋼棒端部施加豎直向下的強(qiáng)制位移，位移值等同于上文計(jì)算得到的外側(cè)鋼棒懸臂端豎向位移。

在模型中外側(cè)牛腿預(yù)埋位置采用植入式鋼筋單元進(jìn)行錨固區(qū)應(yīng)力分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖3(受拉為正，受壓為負(fù))。

根據(jù)第一強(qiáng)度理論(適用于混凝土、石材等脆性材料)可知:

(1)在外側(cè)鋼棒預(yù)埋處配置加強(qiáng)鋼筋后，孔道上緣主拉應(yīng)力σ＝1.42 MPa＜ftk＝2.4 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)在未配置加強(qiáng)鋼筋的內(nèi)側(cè)鋼棒預(yù)埋處，主拉應(yīng)力σ＝3.4 MPa＞ftk＝2.4 MPa，不滿(mǎn)足規(guī)范要求?？卓诨炷翂簯?yīng)力σ＝2.67 MPa＜fck＝26.8 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)為清晰表達(dá)孔口的應(yīng)力分部狀態(tài)，以孔道中心為原點(diǎn)，建立局部平面-極坐標(biāo)系，見(jiàn)圖4。

經(jīng)Midas FEA有限元分析計(jì)算，對(duì)植入加強(qiáng)螺旋預(yù)埋鋼筋和未植入加強(qiáng)螺旋預(yù)埋鋼筋兩種工況進(jìn)行對(duì)比(墩身襯管外側(cè)加強(qiáng)鋼筋為直徑12 mm的螺旋筋)，主應(yīng)力和裂縫寬度見(jiàn)表2。

表2 孔口應(yīng)力及裂縫對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析，采用加固措施的外側(cè)孔道混凝土主拉應(yīng)力得到有效控制(主拉應(yīng)力大部分由鋼筋單元承受)，孔口周邊基本無(wú)裂縫產(chǎn)生；在未配置加強(qiáng)螺旋筋的內(nèi)側(cè)孔道處混凝土單元承受全部主拉應(yīng)力，而主拉應(yīng)力是混凝土產(chǎn)生裂縫的主要因素。本計(jì)算模型孔口周邊產(chǎn)生裂縫，裂縫模擬計(jì)算寬度最大0.52 mm，易發(fā)生開(kāi)裂，影響橋梁質(zhì)量，造成安全隱患。

采用配置加強(qiáng)螺旋鋼筋的加強(qiáng)措施，可通過(guò)調(diào)整鋼筋直徑、強(qiáng)度、間距等因素控制裂縫寬度，也可通過(guò)增加鋼筋網(wǎng)片的方式對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行有效控制。本工程因配置加強(qiáng)螺旋鋼筋已滿(mǎn)足裂縫有效控制要求，不需配置鋼筋網(wǎng)片。

3.5 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，在外側(cè)孔道周邊粘貼應(yīng)力應(yīng)變貼片，對(duì)孔道周邊應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。應(yīng)力應(yīng)變貼片粘貼方向?yàn)榇怪庇诳椎腊霃椒较?，距離孔道內(nèi)側(cè)邊緣2 cm。應(yīng)變片布設(shè)見(jiàn)圖5，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)圖6及表3。

表3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

實(shí)際施工[9]監(jiān)測(cè)表明:在孔口配置加強(qiáng)螺旋筋的情況下，孔口周邊應(yīng)力較小，能夠有效控制混凝土開(kāi)裂，且能將裂縫寬度控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。實(shí)際施工完成后孔口周邊光滑平整，無(wú)裂縫產(chǎn)生，施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析值吻合較好，誤差率不大于10%[10]。

4 構(gòu)造措施及安全控制

(1)鋼棒預(yù)埋時(shí)在后端安裝定位鋼板或者定位鋼筋，保證定位準(zhǔn)確且便于安裝[11]。

(2)鋼棒端部可車(chē)絲口，套裝粗牙螺母鎖口，或是加工保險(xiǎn)銷(xiāo)孔，防止牛腿脫落[12]。

(3)襯管周?chē)A(yù)埋HRB400級(jí)螺旋加強(qiáng)鋼筋，其規(guī)格應(yīng)通過(guò)應(yīng)力分析選擇，但直徑不宜小于12 mm，螺距不小于10 cm。

5 結(jié)論

本文對(duì)大豐華高速三渡水大橋(2×75)m T構(gòu)0＃塊托架牛腿預(yù)埋鋼套筒并在孔道周邊配置加強(qiáng)螺旋鋼筋進(jìn)行受力分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到如下結(jié)論:

(1)采用接觸分析法模擬了鋼棒孔道周邊混凝土的真實(shí)受力狀態(tài)，與實(shí)際應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合度較高，模型建立和假設(shè)合理可靠。

(2)采用螺旋鋼筋對(duì)鋼棒孔口周邊進(jìn)行加固，孔道周邊主拉應(yīng)力主要由鋼筋承受，混凝土開(kāi)裂得到有效控制，通過(guò)控制鋼筋參數(shù)使裂縫開(kāi)裂寬度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)采用本文支架搭設(shè)方案有效控制了裂縫產(chǎn)生，保證主體結(jié)構(gòu)安全可靠。

(4)采用先加固后穿入鋼棒的施工方法，解決了目前采用鋼棒搭設(shè)支架或托架進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆施工時(shí)，孔口周邊混凝土易開(kāi)裂的問(wèn)題，可為今后同類(lèi)型施工提供借鑒。