剛構(gòu)公路橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固后承載能力分析

張永軍

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山西 太原 030031）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋具有施工簡(jiǎn)便、跨度大、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大跨徑橋梁建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛。但由于施工不當(dāng)及設(shè)計(jì)缺陷等各方面因素影響，箱梁預(yù)應(yīng)力張拉施工時(shí)，極易產(chǎn)生底板混凝土保護(hù)層崩裂等質(zhì)量問(wèn)題[1]，通常采用體外預(yù)應(yīng)力加固措施進(jìn)行維修加固。為此，該文針對(duì)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固后承載能力進(jìn)行探究，以保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

某混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨組合為（62+2×100+62）m，見(jiàn)圖1。上部結(jié)構(gòu)采用分離式單箱單室預(yù)應(yīng)力箱梁，為縱、橫、豎三項(xiàng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)形式為整體式承臺(tái)結(jié)構(gòu)，橋墩為單薄壁空心墩。

圖1 某連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置示意圖（m）

橋梁主跨預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，箱梁10#～13#段底板保護(hù)層出現(xiàn)崩裂質(zhì)量病害，為最大限度確保橋梁施工質(zhì)量，避免后期張拉施工中出現(xiàn)類(lèi)似狀況，設(shè)計(jì)方針對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道偏差過(guò)大的情況，將M6、M7、M8 體內(nèi)14φ15.24 預(yù)應(yīng)力筋變更為19φ15.24 預(yù)應(yīng)力，采用體外布置[2]，并增加橫隔板與加勁肋，具體布設(shè)形式見(jiàn)圖2。

圖2 跨中截面預(yù)應(yīng)力束布置示意圖（cm）

2 橋梁承載能力驗(yàn)算

2.1 橋梁模型參數(shù)

橋梁模型預(yù)應(yīng)力鋼絞線相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的力學(xué)指標(biāo)

橋梁承載力驗(yàn)算時(shí)，荷載主要包括恒載、動(dòng)載兩部分，其組合形式如下：

組合Ⅰ：恒載+汽車(chē)荷載；組合Ⅱ：恒載+汽車(chē)荷載+溫度+基礎(chǔ)沉降；組合Ⅲ：恒載+掛車(chē)荷載。

2.2 計(jì)算模型

借助Midas Civil 2015 軟件構(gòu)建有限元模型，對(duì)橋梁承載能力實(shí)施驗(yàn)算，共劃分為1 567 個(gè)單元和1 642 個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界設(shè)置：66#、70#邊墩位置分別布設(shè)一個(gè)可自由移動(dòng)的支座，對(duì)豎、橫向位移加以約束；67#、68#、69#墩與主梁固結(jié)[3]。

2.3 成橋狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

2.3.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

該橋梁工程成橋狀態(tài)時(shí)，承載力極限狀態(tài)下主梁彎矩、剪力驗(yàn)算結(jié)果如圖3～4 所示，正截面抗彎、斜截面抗剪承載力驗(yàn)算結(jié)果如圖5～6 所示。

圖3 成橋狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下主橋主梁彎矩包絡(luò)圖（kN·m）

圖4 成橋狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下主橋主梁剪力包絡(luò)圖(kN)

圖5 成橋狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果

圖6 成橋狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)圖3～6 能夠看出：①橋梁承載力極限狀態(tài)下，最大正、負(fù)彎矩分別位于邊跨跨中和中間墩頂部位，其值依次為117 019.9 kN·m 和-533 185.1 kN·m；②最大、最小剪力分別位于大、小里程剛構(gòu)墩頂部位置，其值依次為28 315.8 kN 和-28 204.8 kN[4]。

橋梁成橋狀態(tài)承載力極限狀態(tài)下重要部位承載力驗(yàn)算結(jié)果如表2 所示。

表2 成橋狀態(tài)時(shí)關(guān)鍵受力截面承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)表2 能夠看出：該橋梁結(jié)構(gòu)各重要截面抗彎、抗剪性能全部符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

（1）撓度驗(yàn)算：按照最新實(shí)施的《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，對(duì)成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)實(shí)施驗(yàn)算，其撓度變形規(guī)律如圖7 所示。

圖7 交通載荷作用下主梁下?lián)献冃螆D（mm）

通過(guò)圖7 能夠看出：橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在交通荷載作用下，主梁最大下?lián)蠟?8 mm，根據(jù)撓度發(fā)展系數(shù)，計(jì)算得到該橋梁長(zhǎng)期撓度為18×1.43=26 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)允許值100 m/600=167 mm；

（2）荷載Ⅰ：主梁結(jié)構(gòu)在荷載Ⅰ條件下各部位應(yīng)力分布情況如表3 所示，全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 荷載組合Ⅰ作用下應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 /MPa

（3）荷載Ⅱ：主梁結(jié)構(gòu)在荷載Ⅱ條件下各部位應(yīng)力分布情況如表4 所示，全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 荷載組合Ⅱ作用下應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 /MPa

（4）荷載Ⅲ：主梁結(jié)構(gòu)在荷載Ⅲ條件下各部位應(yīng)力分布情況如表5 所示，全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 荷載組合Ⅲ作用下應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 /MPa

根據(jù)上述分析結(jié)果可知：①承載力極限狀態(tài)下，該橋梁結(jié)構(gòu)各重要截面抗彎、抗剪性能全部符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，整體承載性能符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；②橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，三種荷載組合條件下，主梁上下緣應(yīng)力及主拉、壓應(yīng)力均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，下?lián)线h(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)允許值，符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 當(dāng)前狀況驗(yàn)算結(jié)果

按照現(xiàn)行《橋梁工程承載力檢測(cè)評(píng)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力評(píng)定公式如下：

式中，γ0—— 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵系數(shù)；S—— 荷載函數(shù)；R(·)——抗力函數(shù)；fd——材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ξc——鋼筋混凝土截面折減系數(shù)；adc——構(gòu)件混凝土截面尺寸；ξs——鋼筋截面折減系數(shù)；ads——構(gòu)件鋼筋截面尺寸；Z1——承載力驗(yàn)算系數(shù)；ξe——承載力惡化系數(shù)[5]。

2.4.1 驗(yàn)算系數(shù)的確定

該橋梁工程服役14 年后，承載力驗(yàn)算系數(shù)如表6～7所示。

表6 主橋承載能力驗(yàn)算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D

通過(guò)表6、表7 能夠看出，該橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)14 年后，盡管材料性能存在少許下降，但整體承載能力仍舊滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

表7 主橋構(gòu)件截面損傷的評(píng)定R

2.4.2 承載能力驗(yàn)算評(píng)定結(jié)果

按照現(xiàn)行《橋梁工程承載力檢測(cè)評(píng)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載性能實(shí)施驗(yàn)算，其結(jié)果如表8所示。

表8 當(dāng)前技術(shù)狀況下主橋主梁承載能力驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)表8 能夠看出：該橋梁各控制截面抗彎、抗剪性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合實(shí)際工程案例，針對(duì)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固后承載能力進(jìn)行驗(yàn)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）該橋梁工程經(jīng)體外預(yù)應(yīng)力加固處理后，服役14 年間，盡管結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生一定程度的缺損、風(fēng)化，但整體承載性能仍舊符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）承載力極限狀態(tài)下，該橋梁結(jié)構(gòu)各重要截面抗彎、抗剪性能全部符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，整體承載性能符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

（3）橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，三種荷載組合條件下，主梁上下緣應(yīng)力及主拉、壓應(yīng)力均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，下?lián)线h(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)允許值，符合設(shè)計(jì)要求。