预应力混凝土梁桥加固及静动载试验评价研究

王 霖

(新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016)



预应力混凝土梁桥加固及静动载试验评价研究

王 霖

(新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016)

文章根据国内外预应力混凝土桥梁加固的研究进展，对预应力混凝土桥梁常见病害和受力特点进行分析，介绍了槽形截面封闭加固和转换结构体系加固两种方法。同时，以一个槽型梁桥加固工程为例，利用ANSYS软件建立有限元数学模型，研究加固后该梁桥的静载和动载荷分情况，对加固效果进行评价。

预应力；混凝土；桥梁；加固；静载试验；动载试验

0 引言

预应力混凝土槽型梁桥属于我国常见的桥梁结构形式，广泛应用于40～300 m跨度内[1]。与其他桥梁相比，预应力混凝土桥梁结构具有很好的跨越性和很强的结构刚度，并且其受力合理、便于分析、施工技术成熟。但是随着桥梁服役时间的推移，我国面临的桥梁养护工作日益繁重。从混凝土槽型梁桥的使用现状看，存在许多缺陷。考虑到一些地区建设资金有限，不可能对槽型梁桥进行拆除重建，因此对旧桥进行加固改造延长其使用年限十分必要。

预应力混凝土梁桥加固是采用一些方法使受损桥梁恢复其原有的技术功能，根据前人的研究进展，概况出桥梁需要加固处理有以下3种情况[2-3]：

(1)桥梁使用一段时间后，出现老化破损并危及安全运行；

(2)桥梁结构没有损伤，但是不能满足新交通载荷需求；

(3)桥梁设计完善结构完好，但是遇到特殊情况使载荷发生变化。

基于国内外研究现状，首先对预应力混凝土桥梁常见病害和受力特点进行研究。介绍了槽形截面封闭加固和转换结构体系加固两种方法。随后以一个槽型梁桥为研究对象，对其实施加固处理，并利用ANSYS软件建立有限元数学模型，重点研究加固后桥梁的静载和动载荷分情况，对加固后的预应力混凝土槽形梁桥的加固效果进行评价。

1 常见病害及加固方法

1.1 常见病害及受力特点

工程实际中，预应力混凝土桥梁的施工一般采用分段完成，在整个施工过程中，桥梁结构需要完成多次预应力体系转换。研究表明，每次转换都会对桥梁结构带来变形和应力分布不均。这种应力分布不均直接导致的病害就是混凝土裂缝，按照裂缝的成因不同，预应力混凝土槽型梁桥裂缝主要有：腹板斜裂缝、腹板竖向裂缝、横向裂缝、纵向裂缝、表面龟裂等[4-5]。

预应力混凝土桥梁各片梁的截面一般认为是U形开口的，当偏心的交通载荷作用在桥梁上时，会对单片梁产生一个扭矩，其扭转切应力会沿着U形槽截面形成环流。其扭转切应力方程为：

(1)

式中：T——扭矩；

δi——第i个矩形单元的厚度；

hi——第i个矩形单元的边长；

η——载荷效率系数。

预应力混凝土桥梁受到弯曲应力作用，U形截面右侧腹板比左侧腹板承受的应力值大，因此右侧腹板的裂纹也就较多。这就是槽型梁桥出现病害的主要原因。

1.2 加固方法

由预应力混凝土桥梁出现裂缝的原因可知，病害主要是由偏心载荷作用在槽型截面上的扭转应力导致的。即设计时槽形截面应该选择抗扭性好的材料，但是从设计角度出发，箱形截面的抗扭性能比U形截面好得多。因此，在对槽形梁桥进行加固时，可将槽形截面闭合形成箱型截面以提高其抗扭强度。对于闭合箱形截面，当受到偏心扭矩作用时，切应力会沿着箱形面形成环流。计算可得，在相同偏心扭矩作用下，箱形截面受到的切应力比U形截面小得多。在U形截面开口处浇筑混凝土可有效地降低截面切应力，对原有桥梁起到加固作用。

对于简支梁，其普遍存在的问题就是跨中截面承载力较差。多跨简支梁可以通过转换结构体系进行加固，减小承重件的应力，改善桥梁性能。转换结构体系加固的力学特点是[6]：

(1)桥面铺装与车辆载荷由连续梁承担，其正弯矩小于简支梁，因此可以提高桥梁承载能力；

(2)桥面铺装的混凝土也会承担一部分应力，截面的抗扭强度和整体刚度提升；

(3)将简支梁的中间支撑改为双支撑，降低了负弯矩。

简支梁改造成连续性桥梁的截面设计和内力计算十分简单，改造后的加固效果明显，只是施工过程中需要进行断交处理。

2 加固桥梁的静载和动载分析

2.1 模型建立

试验桥梁全长804m，由南北引桥、主桥三部分组成，设计时速60km。桥梁跨径布置为北引桥1～11孔、南引桥23～28孔上均采用预应力混凝土简支梁，上部结构均为20m；北引桥12～17孔、南引桥22孔上部结构为30m、34m、35m的预应力混凝土组合箱梁；主桥长度为235m，分为4个预应力混凝土箱梁。由北至南各孔上部结构依次是：11m×20+35m+30m+30m+35m+34m+30m+45.8m+52m+80m+57.2m+30m+6×20m，共计28个孔。

该桥梁已经服役18年，加固前对其进行评价，发现桥跨的边梁处有一些宽度<0.2mm的裂缝；主梁存在一定下挠，以13～15孔的桥面挠度最大；各跨梁的混凝土抗压强度在32～37MPa之间，均小于设计强度40MPa。对13～15孔的30m、35m跨径混凝土组合箱梁进行载荷试验，计算并测量其挠度变化情况见表1。

表1 混凝土组合箱梁跨中挠度值表

由表1可以看出，13～15孔桥面均存在一定挠度，最大挠度值可达10.626mm，同时也可以说明计算结果偏差很大，有的点计算值与实测值的重合度达98%，但是个别点只有77%。对该桥梁进行承载力检测试验，发现其抗弯截面抗力为6 859.68kN·m，没达到设计值7 060kN·m。说明此桥梁需要进行加固处理。

加固设计中考虑将主梁间搭板更换为浇筑混凝土桥板，使得槽形梁桥与桥面形成箱形结构。并将三跨简支梁的端部进行连接，将简支梁改造成连续梁以降低弯矩。加固流程图见图1。

图1 混凝土槽形梁桥加固流程图

利用GAMBIT软件，建立30m简支梁加固前后的桥梁有限元数学模型，见图2。

(a)原桥(30 m简支架)

(b)加固后桥梁

2.2 静载试验分析

载荷试验是评价桥梁性能的有效方法。利用ANSYS软件进行数值模拟，试验车辆共有4辆，每个车重30t，前轴重6t，后轴重12t。首先进行静载试验，验证设计结构是否满足现行要求。试验位置位于第1跨跨中，截面位置为15.175m，此处的设计载荷为1 000.09kN·m，试验得到的载荷为990.09kN·m，重合度为99%。软件数值模拟得到其静载荷下的应力分布情况见图3，其中黑色部分的应力值最大。

图3 静载荷下的应力分布情况示意图

在桥梁上安装测点测量其应变情况，与数值模拟出的结果进行对比。各测点应变情况见表2。

表2 各测点应变情况表

从数值模拟和试验测量的结果来看，加固改造后的最大应变重合度系数为0.81，符合设计规范中的强度要求。因此，加固后的预应力混凝土桥梁满足静载荷设计要求。

2.3 动载试验分析

动载实验是研究桥梁结构自振特性和交通载荷联振特性的重要手段。通过动载实验可以测得车辆在移动状态下桥梁结构的动态增量，得到桥跨结构的固有振动特性。其主要内容有：桥梁结构的受迫振动特性、动位移、冲击系数等。本次数值模拟中的竖向二阶频率选择5.262Hz，其振型见图4。

图4 竖向二阶频率振型图

实验选用1辆36t重的汽车，分别以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h6种时速在预应力混凝土桥梁上行驶。每个速度下采样一次，如果样本中是数据坏点较多则重新测量一次。图5给出了车辆速度在60km/h时，桥梁第2跨跨中位的时程曲线。

图5 60 km/h时的第2跨跨中位时程曲线图

通过对各种速度下的时程曲线进行分析，得到各跨的冲击系数。第1跨的最大动力冲击系数为1.22，第2跨的最大动力冲击系数为1.18，第3跨的最大动力冲击系数为1.19。最大冲击发生在第1跨，但冲击系数为1.22，说明改造后的桥梁性能良好。通过动荷载实验得出，加固后的预应力混凝土梁桥1号主梁的挠度值和应变值均大幅度降低，说明梁桥的加固效果十分明显。

3 结语

研究表明，预应力混凝土梁桥的跨越能力较高，结构刚度大。通过对预应力混凝土桥梁常见病害和受力特点进行研究，得出预应力混凝土桥梁受到弯曲应力作用，U形截面右侧腹板比左侧腹板承受的应力值大，因此右侧腹板的裂纹也就较多。文中以一个槽型梁桥为研究对象，对其实施加固处理，并利用ANSYS软件建立有限元数学模型进行数值分析，得出以下结论：

(1)采用槽形截面封闭加固方法和转换结构体系加固方法对槽型梁桥进行加固效果明显；

(2)最大冲击发生在第1跨，但冲击系数为1.22，说明改造后的桥梁性能良好。

[1]何天涛.大跨径预应力混凝土梁桥挠度研究[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[2]张开银，殷 亮，惠国旺.大跨径预应力混凝土梁桥纵向预应力筋优化布置研究[J].公路，2009(2)：1-5.

[3]汪 磊，李世安，陈孔令，等.反复荷载作用下部分预应力混凝土梁桥长期挠度计算研究[J].公路，2011(6)：56-62.

[4]许宏元，宋 宁，陈常明，等.大跨径混凝土梁桥体外预应力加固技术[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2011(S2)：1192-1196.

[5]王法武，石雪飞.大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究[J].中外公路，2006(4)：107-110.

[6]黄 侨，杨大伟，李忠龙.预应力混凝土梁桥的NURBS预应力束模型研究[J].公路交通科技，2007(1)：51-54.

Prestressed Concrete Girder Bridge Reinforcement and Static and Dynamic Load Test Evaluation Research

WANG Lin

(Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830016)

Based on domestic and foreign research progress of prestressed concrete bridge reinforcement，this article analyzed the common diseases and mechanical characteristics of prestressed con-crete bridges，and introduced two methods of channel-section enclosed reinforcement and conversion architecture reinforcement.Meanwhile，with reinforcement project of a channel girder bridge as the example，it established the finite element mathematical model by using ANSYS software，studied the stat-ic and dynamic load distribution conditions of this girder bridge after reinforcement，and evaluated the reinforcement effect.

Prestressed；Concrete；Bridge；Reinforcement；Static load test；Dynamic load test

王 霖(1979—)，研究方向：公路工程施工技术与管理。

U445.7+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.014

1673-4874(2015)11-0064-04

2015-10-10