預應力混凝土連續(xù)剛構橋腹板開裂及加固治理研究

梁志成

(山西省交通科學研究院，太原 030032)

0 引言

預應力混凝土連續(xù)剛構橋憑借優(yōu)良的跨越能力和結構性能、以及造價較低、施工簡單等特點，逐漸在大、中跨徑橋梁中得到廣泛應用[1]。 由于設計承載力不足、施工質量不達標等原因， 造成許多已建橋梁在運營階段出現(xiàn)腹板開裂、主梁下?lián)弦约跋淞毫芽p等病害，因此及時加固治理病害橋梁對維護橋梁的安全運營具有重要意義[2]。

國內外關于病害橋梁的加固方法展開了大量研究[3-4]。如，趙慧君等[5]關于超強高韌性樹脂混凝土加固橋梁施工技術展開研究， 通過超強高韌性樹脂混凝土在舊橋加固中的應用實踐，對其施工技術進行了全面地驗證、總結，并進行加固效果分析，得出相應結論。 陳亮等[6]關于某連續(xù)箱梁病害分析及維修加固展開分析，針對橋梁病害，采用有限元程序對結構進行分析給出了相應的維修措施，橋梁維修加固后，經(jīng)通車前的荷載試驗評定，驗證了加固措施的效果，橋梁的使用性能得到恢復。 朱春東等[7]關于公路鋼橋梁橋面加固技術及應用實例展開分析， 采用樹脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝和超高韌性混凝土輕型組合鋼橋面鋪裝兩類典型橋面鋪裝技術進行加固修復，并對加固修復方案使用效果進行了對比分析。 上述研究主要分析了混凝土加固方法、 箱梁病害治理及橋面鋪裝加固技術的實用效果， 而關于體外預應力加固方法的研究還相對較少[8]。 基于此，針對出現(xiàn)承載力不足的預應力混凝土連續(xù)剛構橋采取體外預應力加固方法進行治理，全面分析了該方法的實際加固效果， 為以后類似橋梁加固研究提供有利參考。

1 工程概況

1.1 橋梁結構

以某預應力混凝土連續(xù)鋼構橋梁為例， 該橋全長430m，跨徑布置為3×28m+46m+2×75m +42m+4×28m。 左右兩側為引橋部分，總長196m，橋梁結構為先簡支后連續(xù)預應力混凝土T 梁橋，橋墩采用空心薄壁墩，樁基礎采用鉆孔灌注樁。 主橋跨徑為46m+2×75m+42m=234m，橋梁結構為預應力混凝土連續(xù)剛構橋， 上部結構采用單箱單室截面預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁，頂板寬度為11.5m，底板寬度為5.75m， 翼緣板長度為3.25m。 箱梁墩頂梁高5.2m， 中跨合龍段梁高為2.4m， 梁高按1.8 次拋物線變化，箱梁頂板底板厚為600mm，跨中段底板厚為230mm，頂板厚度為260mm。 橋面寬度為20.5m，車道設計為雙向四車道，橋面鋪裝為10cm 厚混凝土層+防水層+9cm 厚瀝青混凝土層，設計行車荷載為公路Ⅰ級，最高行車速度為80km/h，抗震強度為Ⅳ級。 橋梁總體布置如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置

1.2 病害分析

該橋采用懸臂澆筑法施工，澆筑節(jié)段共18 個，合龍施工段4 個，根據(jù)近期檢測發(fā)現(xiàn)，橋梁主橋段出現(xiàn)以下病害：

(1) 主梁第二跨與第三跨跨中下?lián)铣潭冗_到10.4cm和12.7cm；

(2)主梁跨中腹板出現(xiàn)大量豎向裂縫，受彎裂縫呈上窄下寬分布，部分裂縫寬度達到0.3～0.4mm，超出規(guī)范上限值0.2mm；

(3)梁端腹板出現(xiàn)大量斜向裂縫，部分裂縫超過0.2mm，最大長度達到75cm，鋼筋外露現(xiàn)象明顯。

根據(jù)調查發(fā)現(xiàn)，該公路自通車以來貨運車輛、客運車輛等重型車占比較大，而原橋設計承載力相對偏低，因此在長期超重荷載作用下導致橋梁出現(xiàn)以上病害特征，若不及時對橋梁腹板裂縫進行加固治理， 將給橋梁正常運營帶來嚴重安全隱患。

2 模型建立及承載力分析

2.1 有限元模型

為設計最佳橋梁加固治理方案， 現(xiàn)針對出現(xiàn)病害連續(xù)鋼構橋承載力情況進行建模分析， 通過運用有限元軟件Midas Civil 建立連續(xù)鋼構橋數(shù)值模型， 根據(jù)單元劃分規(guī)則，主梁劃分單元178 個，主墩劃分單元48 個，全橋共包含226 個單元，352 個節(jié)點，橋梁有限元模型如圖2 所示。

圖2 橋梁有限元模型

計算過程中主要考慮以下荷載： 結構自重+二期橫載；人群+行車荷載；箱梁溫度荷載；底板鋼束張拉荷載。原橋箱梁使用主要材料為C50 混凝土，橋墩采用C40 混凝土，樁基礎采用C30 混凝土，受拉鋼筋采用φ15.24 的低松弛高強度鋼絞線，其材料參數(shù)如表1 所示。

表1 主要材料參數(shù)

2.2 承載力分析

為了解橋梁承載力分布規(guī)律， 通過運用結構分析軟件建立主橋病害段數(shù)值模型， 并針對主梁L/4、L/2、3L/4和中跨3#、4#墩頂截面的正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力，以及中跨3#、4#墩頂與墩底承載力進行核算：

主梁正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力核算結果如圖3 所示：

圖3 主梁控制截面承載力

根據(jù)圖3 可知，橋梁出現(xiàn)病害后，主梁正截面抗彎承載力呈對稱分布，其中3#墩和4#墩控制截面的正截面抗彎承載力要遠大于各跨跨中控制截面，3#墩和4#墩控制截面的正截面抗彎承載力為最大值，L/2 截面的抗彎承載力為最小值，L/4 和3L/4 截面抗彎承載力稍大于L/2 截面，說明主梁各截面的抗彎承載力大小不是呈均勻分布，靠近主墩附近主梁抗彎承載力較大，如3#墩和4#墩控制截面的抗彎承載力均為1024652.64kN·m，靠近跨中附近主梁抗彎承載力較小， 如L/4、L/2 和3L/4 控制截面的抗彎 承 載 力 分 別 為261530.76kN·m、108944.34kN·m 和283130.41kN·m。 主梁斜截面抗剪承載力大致呈對稱分布，主梁左側斜截面抗剪承載力要稍大于主梁右側，其中L/4 和3L/4 截面抗剪承載力為較大值，3#墩和4#墩截面抗剪承載力為較小值，L/2 截面抗剪承載力要稍大于3#墩和4#墩截面， 說明主梁斜截面抗剪承載力呈兩端較大， 中間較小分布，L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承載力分別為3418kN·m、12kN·m、34kN·m、12kN·m及3185kN·m。

主墩承載力核算結果如圖4 所示：

圖4 主墩承載力

根據(jù)圖4 可知，橋梁出現(xiàn)病害后，橋梁3#墩和4#墩墩底及墩頂承載力分別為59261kN·m、62373kN·m、144217kN·m 及161342kN·m，其中3#墩和4#墩截面墩底承載力均要小于墩頂承載力，3#墩承載力要遠小于4#墩承載力， 說明在重車荷載作用下， 橋梁主墩局部受力較大。 綜合主梁及主墩主要控制截面承載力分布情況分析發(fā)現(xiàn)， 造成橋梁出現(xiàn)病害的主要原因是由于主梁局部截面抗彎承載力和抗剪承載力不足所致。

3 加固方案及承載力分析

3.1 加固方案

根據(jù)現(xiàn)場對橋梁運營情況和出現(xiàn)病害橋段的實地勘測，以及對橋梁主梁及主墩承載力核算結果的綜合考慮，決定采用體外預應力加固的方法對橋梁進行加固治理，以提高橋梁整體承載能力： 在梁腹板兩側分別增設一根預應力束，橋梁第二、三跨共布置8 根預應力束，預應力束標準強度為1860MPa， 錨具張拉控制應力為744MPa；增設錨固區(qū)預應力齒板，材料為C50 混凝土；對開裂嚴重區(qū)域增設鋼橫梁，采用鋼板焊接鋼橫梁和轉向架；采用鋼板對梁端兩側腹板進行抗剪加固。

3.2 承載力分析

為驗證該加固方案的效果， 通過運用結構分析軟件對加固后橋梁重新建模， 在新建模型中導入新增預應力束及鋼橫梁等設計參數(shù)，核算時需考慮最不利效應，并針對加固后主梁L/4、L/2、3L/4 和中跨3#、4#墩頂截面的正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力，以及中跨3#、4#墩頂與墩底承載力進行分析。

圖5 主梁控制截面承載力

主梁正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力核算結果如圖5 所示：根據(jù)圖5 可知，加固后橋梁主梁L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承載力分別為262784kN·m、1150031kN·m、127884kN·m、1145242kN·m 及272312kN·m，主梁正截面抗彎承載力分布規(guī)律與加固前大致相似，3#墩和4#墩控制截面的正截面抗彎承載力為最大值，L/2截面的抗彎承載力為最小值，L/4 和3L/4 截面抗彎承載力稍大于L/2 截面。主梁L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承載力分別為5482kN·m、165kN·m、35kN·m、14kN·m 及4726kN·m，主梁斜截面抗剪承載力分布規(guī)律與加固前基本一致。

主墩承載力核算結果如圖6 所示：

根據(jù)圖6 可知，加固后橋梁3#墩和4#墩墩底及墩頂承載力分別為57378kN·m、59466kN·m、152921kN·m 及169418kN·m， 其中3#墩和4#墩截面墩底承載力均要小于墩頂承載力，3#墩承載力要遠小于4#墩承載力， 說明在重車荷載作用下，橋梁主墩局部受力較大。綜合主梁及主墩主要控制截面的承載力分布情況分析發(fā)現(xiàn)， 采用設計加固方案對橋梁進行治理后， 主梁局部截面抗彎承載力和抗剪承載力以及主墩局部承載力均得到不同程度的提升。

圖6 主墩承載力

4 加固效果分析

通過對比分析加固前后橋梁主梁主要截面的抗彎承載力和抗剪承載力， 以及主墩關鍵截面的承載力分布規(guī)律及核算結果，得到該方案的實際加固效果匯總如表2、表3 所示。

表2 主梁承載力增大值及百分比

根據(jù)表2 可知，加固后主梁在3#墩、L/2 和4#墩截面處抗彎承載力分別提升了12.2%、17.3%及11.7%，抗彎承載力得到較大程度提升，L/4 截面處抗彎承載力提升程度較小，僅提升了0.47%，在3L/4 截面處抗彎承載力下降了3.82%，雖然主梁局部截面抗彎承載力有所下降，但該加固方案對提升主梁整體抗彎承載力效果比較顯著。 加固后主梁各關鍵截面抗剪承載力均得到不同程度提升，其中L/4 截面和3L/4 截面抗彎承載力提升效果達到60%和48.4%，效果非常明顯。

表3 主墩承載力增大值及百分比

根據(jù)表3 可知，加固后橋梁3#墩墩底和墩頂承載力分別下降了3.2%和4.7%，4#墩墩底和墩頂承載力分別提升了6%和5%，4#墩承載力提升值要遠大于3# 墩承載力。綜合來看加固后橋梁主梁抗剪承載力、抗彎承載力及主墩承載力均得到一定程度改善，加固治理效果明顯。

5 結語

本文介紹了某連續(xù)剛構橋橋梁結構， 以及橋梁病害特征，通過建模段對橋梁承載力分布規(guī)律進行分析，探究了病害成因是由原橋設計承載力不足與主梁局部截面抗彎承載力和抗剪承載力下降所致。 針對病害成因設計采取增設預應力束以及鋼橫梁的方案對橋梁進行加固治理，加固后橋梁主梁抗彎承載力、抗剪承載力以及主墩承載力均得到較大程度提升， 表明該加固措施是提升連續(xù)剛構橋承載力的有效手段，這對于提升橋梁承載力、類似病害治理以及保證橋梁的安全運營具有重要意義， 也為同類型橋梁的加固治理研究提供了參考與借鑒。