某混凝土空心板橋預(yù)應(yīng)力筋斷裂后承載力分析及加固評(píng)定

王中強(qiáng)， 龔超超， 李昌霖

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋與普通混凝土橋相比，具有自重輕、橋下凈空限制小、方便制作和架設(shè)，且破壞后易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。預(yù)應(yīng)力筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋重要受力材料，一旦在外力作用下發(fā)生預(yù)應(yīng)力筋斷裂，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋承載力易出現(xiàn)較大程度的降低，極有可能引起整個(gè)橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞，給橋梁的使用安全帶來(lái)隱患。因此，對(duì)于這種因預(yù)應(yīng)力筋斷裂而導(dǎo)致橋梁承載力不足的加固研究非常重要。該文對(duì)某預(yù)應(yīng)力筋斷裂后的裝配式混凝土空心板橋采用縱向張拉體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，并利用有限元分析軟件Midas/Civil，采用梁格法對(duì)橋梁進(jìn)行建模分析計(jì)算，并對(duì)該橋加固前、后的承載力進(jìn)行分析驗(yàn)算，以評(píng)價(jià)加固效果。

1 計(jì)算模型建立

1.1 工程概況

某裝配式混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)為2×13 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，每跨共5塊板，左、右邊板寬1.87 m，中板寬1.24 m，板與板之間為鉸縫，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于架設(shè)自來(lái)水管工作人員鉆孔疏忽，使北側(cè)一跨預(yù)應(yīng)力空心邊板預(yù)應(yīng)力鋼束N1中鋼絲遭受較嚴(yán)重機(jī)械損傷，鋼絲損傷后截面減小，應(yīng)力急劇增長(zhǎng)導(dǎo)致鋼束N1中一根鋼絞線的預(yù)應(yīng)力鋼絲先后斷裂。為了消除安全隱患，確保該橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，必須對(duì)橋梁進(jìn)行承載力分析,并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果給出合理的處理建議。

空心板橋主要材料性能為：空心板、橋面鋪裝采用C40混凝土，C40強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 MPa，ftk=2.39 MPa；普通鋼筋采用HRB400鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fsk=400 MPa;HPB300鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fsk=300 MPa；縱向預(yù)應(yīng)力筋N1、N2分別為4φs15.2及3φs15.2兩種規(guī)格，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpTk=1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa；混凝土重度為γ=26 kN/m3，彈性模量為3.45×104MPa；瀝青混凝土重度為γ=24 kN/m3。全橋橫斷面圖、板的橫斷面配筋圖分別如圖1～3所示。

圖1 全橋橫斷面圖(單位:mm)

1.2 計(jì)算模型

運(yùn)用Midas/Civil有限元程序，采用梁格法對(duì)橋梁進(jìn)行有限元建模。在進(jìn)行有限元建模時(shí)，橋面鋪裝的C40混凝土、瀝青混凝土及鋼筋混凝土防撞護(hù)欄，均通過(guò)梁?jiǎn)卧奢d定義為均布荷載，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、溫度荷載及汽車(chē)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。將全橋劃分為200個(gè)梁?jiǎn)卧渲刑摂M橫梁120個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)200個(gè)，共設(shè)支座20個(gè)。為模擬主梁與支座整體受力的真實(shí)情況，將梁頂節(jié)點(diǎn)與支座頂節(jié)點(diǎn)之間采用剛性連接。為較真實(shí)地模擬出實(shí)際橋梁的支座約束，對(duì)支座頂節(jié)點(diǎn)與支座下端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行彈性連接，并以實(shí)際支座剛度定義一般彈性連接的剛度。橋墩部分由于剛度很大，不另外建立模型只輸入邊界條件，考慮墩頂處結(jié)構(gòu)是全約束的，對(duì)所有的支座下端節(jié)點(diǎn)按固結(jié)約束。由于板與板之間采用鉸縫連接，只考慮剪力的傳遞，故梁格法中對(duì)虛擬橫梁鉸接縫通過(guò)釋放梁端約束來(lái)模擬。

圖2 中板跨中橫斷面配筋圖(單位:mm)

圖3 邊板跨中橫斷面配筋圖(單位:mm)

在計(jì)算模型中，為了分析邊板預(yù)應(yīng)力筋斷裂對(duì)該橋承載性能的影響，真實(shí)地反映橋梁在多種荷載組合作用下的力學(xué)行為，在Midas/Civil中建立了5種荷載工況：工況1：自重；工況2：二期恒載；工況3：預(yù)應(yīng)力荷載；工況4：溫度荷載；工況5：汽車(chē)荷載。根據(jù)JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)溫度荷載和汽車(chē)荷載進(jìn)行取值。針對(duì)上部結(jié)構(gòu)空心板持久狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，得到中板、邊板的正截面抗彎及斜截面抗剪承載力，對(duì)比分析該橋預(yù)應(yīng)力筋斷裂前后承載力的變化，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)該橋給出安全合理的處理建議。

1.3 計(jì)算理論

目前利用有限元分析橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法，主要包括空間梁?jiǎn)卧?、板殼元法、三維實(shí)體元法和梁格法。其中，空間梁?jiǎn)卧m然可以計(jì)算截面內(nèi)力和變形，但是不能得到內(nèi)力的橫向分布；板殼元法和三維實(shí)體元法建立的模型比較復(fù)雜，計(jì)算工作量大且花費(fèi)高昂；梁格法因理論清楚便于理解、計(jì)算速度快、精度較高的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中作為橋梁上部結(jié)構(gòu)空間分析的一種有效方法而被廣泛使用。梁格法的基本原理是將橋梁上部結(jié)構(gòu)用等效梁格來(lái)代替，將板、梁在每一區(qū)段內(nèi)分散的彎曲剛度和抗扭剛度集中到最鄰近的等效梁格內(nèi)，縱向梁格構(gòu)件內(nèi)集中了實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度，橫向梁格構(gòu)件內(nèi)集中了實(shí)際結(jié)構(gòu)的橫向剛度?；诹焊穹ㄔ恚瑢⒃桶辶褐行木€作為縱梁，各片縱梁間的連接用虛擬的短橫梁模擬，短橫梁截面近似按工字形截面考慮，對(duì)空心板梁之間實(shí)際鉸縫連接設(shè)為鉸接，更真實(shí)地模擬出裝配式空心板橋上部結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 加固前持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

在進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，考慮普通鋼筋影響，作用效應(yīng)采用基本組合分析計(jì)算，該橋北側(cè)邊板預(yù)應(yīng)力筋斷裂后受損邊板、相鄰中板持久狀況承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 加固前受損邊板、相鄰中板持久狀況承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

由表1可知：該橋在使用過(guò)程中由于邊板預(yù)應(yīng)力筋N1一根鋼絞線斷裂引起預(yù)應(yīng)力損失，雖然相鄰中板正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力儲(chǔ)備仍有較大富余，但受損邊板正截面的抗彎承載力儲(chǔ)備明顯降低?？紤]到橋梁運(yùn)營(yíng)后期交通量會(huì)增大，以及運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)的其他病害，為了提升該橋梁的承載能力，從安全性和經(jīng)濟(jì)性等其他方面綜合考慮，選擇對(duì)受損的邊板采用體外預(yù)應(yīng)力加固。

2.2 加固后持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

對(duì)受損邊板采用斜撐式體外預(yù)應(yīng)力筋加固方式，水平筋選用2φs15.2無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，斜撐選擇槽形鋼，采取張拉水平筋的方式對(duì)邊板施加預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)錨下張拉控制應(yīng)力1 395 MPa，受損邊板體外預(yù)應(yīng)力加固示意圖如圖4所示。通過(guò)有限元分析程序Midas/Civil對(duì)加固后結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行計(jì)算，加固后受損邊板、相鄰中板持久狀況承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 受損邊板體外預(yù)應(yīng)力加固示意圖

表2 加固后受損邊板、相鄰中板持久狀況承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

由表1、2計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知：對(duì)該橋受損邊板采用斜撐式體外預(yù)應(yīng)力筋加固后，受損邊板正截面抗彎承載力富余量提升8.87%，而相鄰中板的正截面抗彎承載力富余量提升1.06%；受損邊板的斜截面抗剪承載力富余量提升0.41%，而相鄰中板的斜截面抗剪承載力富余量提升0.11%。結(jié)果表明：該橋加固后受損邊板正截面抗彎承載力提高明顯，而相鄰中板的正截面抗彎承載力無(wú)明顯提高；雖然受損邊板和相鄰中板斜截面抗剪承載力提升不明顯，但仍能滿(mǎn)足其斜截面抗剪承載力的要求。

3 加固效果評(píng)定

為評(píng)定該空心板橋加固后的承載性能能否滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)范要求,根據(jù)結(jié)構(gòu)理論分析的3項(xiàng)承載性能指標(biāo)對(duì)該加固橋梁進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 承載性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由表3可得：

(1) 在承載能力極限狀態(tài)的基本組合作用下，加固后的結(jié)構(gòu)有超過(guò)40%的承載能力富余量，說(shuō)明該橋梁結(jié)構(gòu)通過(guò)采用斜撐式體外預(yù)應(yīng)力筋加固可以在持久狀況下滿(mǎn)足承載能力的要求。

(2) 由承載能力提高率KR=18.43%可知：加固后的結(jié)構(gòu)有接近20%的承載能力提高率，從橋梁承載能力角度來(lái)說(shuō)加固后的結(jié)構(gòu)比加固前有了較大幅度的提高，也從另一方面更直觀地證明采用斜撐式體外預(yù)應(yīng)力筋加固對(duì)提高原有結(jié)構(gòu)承載力具有顯著的效果。

(3) 由活載評(píng)定系數(shù)可知：加固后的橋梁結(jié)構(gòu)能夠較好地適應(yīng)當(dāng)前交通量下的荷載狀況。

4 結(jié)論

(1) 裝配式混凝土空心板邊板預(yù)應(yīng)力筋的斷裂，雖然對(duì)相鄰中板正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力的影響并不明顯，但是受損邊板的正截面抗彎承載力明顯降低，而斜截面抗剪承載力仍有較大富余。

(2) 采用縱向體外預(yù)應(yīng)力加固裝配式混凝土空心板橋?qū)σ蛲饬υ斐煽招陌鍢蚓植磕骋话辶撼休d能力不足的加固效果比較明顯，對(duì)提高橋梁上部結(jié)構(gòu)整體的承載能力有一定的局限性。

(3) 依據(jù)綜合評(píng)定法及結(jié)構(gòu)理論分析計(jì)算，將承載能力安全程度、承載能力加固效率以及活載評(píng)定系數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)承載性能的方法，并通過(guò)對(duì)混凝土空心板預(yù)應(yīng)力筋斷裂加固前、后的極限承載力的計(jì)算分析，驗(yàn)證了這3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)承載性能評(píng)估的合理性。