PC连续刚构桥运营过程中承载力影响因素研究

2017-03-28王红伟相斌辉

城市道桥与防洪 2017年2期

关键词：主跨刚构桥梁体

王红伟，相斌辉，焦兴

（1.广西大学土木建筑工程学院，南宁广西 530004；2.南昌工程学院，南昌江西 330096；3.江西省建筑材料工业科学研究设计院，南昌江西 330001）

PC连续刚构桥运营过程中承载力影响因素研究

王红伟1，相斌辉2，焦兴3

（1.广西大学土木建筑工程学院，南宁广西 530004；2.南昌工程学院，南昌江西 330096；3.江西省建筑材料工业科学研究设计院，南昌江西 330001）

对PC连续刚构桥的主要病害进行归纳总结，以一座主跨98m的三跨PC连续刚构桥为工程实例，采用有限元分析的方法对PC连续刚构桥承载力影响因素进行研究，得出各个承载力影响因素对PC连续刚构桥的影响。结果表明，纵向预应力损失、跨中下挠和温度对PC连续刚构桥的承载力有着重要的影响，在PC连续刚构桥运营过程中加强对预应力损失和跨中下挠的监测，对同类桥梁的检测和加固有一定借鉴意义。

连续刚构桥；病害调查；承载力；有限元

0 引言

PC连续刚构桥作为我国桥梁建设的重要组成部分，在桥梁交通网中发挥着重要作用，发展比较迅速，大批PC连续刚构桥建立起来，如建于1989年主跨180m的广东洛溪大桥、建于1997年主跨240m的重庆高家花园大桥、建于2008年主跨268m苏通大桥辅航道桥等。然而在PC连续刚构桥大规模建设的同时，大量已建连续刚构桥在其设计使用寿命的初期或中期就出现了不同程度的病害，例如梁体开裂、跨中下挠等，其引起的PC连续刚构桥承载力和耐久性的变化也受到桥梁界的广泛关注。本文基于PC连续刚构桥的病害调查和荷载试验，依托PC连续刚构桥三维有限元模型，对其常见病害和承载力计算、施工、检测和加固等提供借鉴和参考。

1 工程概况

广西钦江三桥是钦州市跨越钦江的特大桥梁，为城市桥梁，主跨跨径布置55m+98m+55m，桥涵设计荷载为城A级，采用双幅分离式结构，主梁为变截面单箱单室箱梁，箱梁利用挂篮采用悬臂对称浇筑施工，全桥设置三向预应力体系。钦江三桥主桥立面图如图1所示。

2 有限元模型

依据钦江三桥设计图纸和结构特点，采用ANSYS有限元软件建立其三维有限元模型，模型中混凝土采用Solid65单元模拟，预应力钢筋采用Link10杆单元模拟，支座和桥墩基础采用约束的方式。有限元模型如图2所示。

图1 钦江三桥主桥立面图（单位：cm）

图2 钦江三桥主桥有限元模型

有限元建模完成后，分别进行了模态分析和灵敏度分析，并与实桥荷载试验结果进行对比分析，并采用一阶优化算法对有限元模型进行模型修正，零阶优化算法进行校核，模型修正后目标函数由0.196降到0.032，具有较高的计算精度。目标函数灵敏度分析截图如图3所示，自振频率修正前、后与测量值对比如图4所示。

图3 目标函数灵敏度（显著水平1）

图4 自振频率修正前、后与测量值对比

3 常见病害

3.1 梁体开裂

在连续刚构桥的运营养护期，梁体开裂是一种常见的病害，主要分布在梁体的顶板、底板和腹板，某PC连续刚构桥箱梁顶板开裂如图5所示。

图5 某PC刚构桥箱梁顶板开裂分布

梁体开裂的产生与多方面因素有关，例如预应力损失、混凝土收缩徐变、温度和基础不均匀沉降等。开裂会造成梁体内钢筋锈蚀和箱梁应力重分布，不仅会削弱箱梁的承载能力，也还会影响箱梁的耐久性。针对箱梁的梁体开裂，国内外的许多专家学者也开展了许多研究。

梁鹏[1]等通过建立裂缝特征库实现混凝土梁桥承载能力的快速评定；张邵峰[2]等指出裂缝会导致氯离子侵入的速度加快和钢筋锈蚀时间的提前；贺志勇[3]等指出腹板裂缝与腹板的配筋和厚度有关；胡志红[4]等指出箱梁施工中底板开裂的主要原因是混凝土的温度梯度荷载效应；袁爱民[5]等通过试验研究的方法指出一侧腹板带纵向裂缝对梁体的开裂荷载和极限承载力影响较小；王凌波[6]等指出裂缝对预应力梁桥刚度和承载力的影响可以通过折减系数体现，并给出了承载能力折减计算方法；杨林虎[7]等指出当裂缝控制宽度小于0.3mm时，其对钢筋混凝土使用期维护成本的影响较小，当裂缝宽度超过0.3mm时，构件维护成本增加迅速。

目前针对连续刚构桥箱梁开裂的成因以及发展程度，常用的处理方法主要有表面封闭法、压力灌浆法、表面粘贴加固材料法、体外预应力法等几种。

3.2 跨中下挠

跨中下挠是目前已建PC连续刚构桥另一个出现较多的病害，影响桥梁的线形和承载力。目前已建的国内外连续刚构桥均出现不同程度的跨中下挠：国外主跨240m的帕劳共和国科巴大桥建成18年，跨中下挠达120cm；主跨301m的挪威Stolma桥建成3年下挠9.2cm;主跨195m的美国Parrotts渡桥建成12年，主跨下挠63.5cm；国内主跨270m的虎门大桥辅航道桥建成8年，弹性挠度达到了23.2cm;主跨120m的广东南海金沙大桥建成6年，跨中下挠达到了22cm。国内因下挠和开裂等严重病害拆除重建的湖北钟祥汉江大桥如图6所示。

图6 湖北钟祥汉江大桥拆除

跨中下挠的产生与多方面因素有关，例如预应力损失、混凝土收缩徐变和基础不均匀沉降等，跨中下挠会和梁体开裂相互作用，严重影响连续刚构桥的承载能力。针对连续刚构桥的梁体开裂，国内外的许多专家学者也开展了许多研究。孟新奇[8]等通过实桥研究指出，PC刚构桥的跨中下挠能得到抑制但是不能完全避免；杨晋文[9]通过对两座PC刚构桥理论分析指出PC刚构桥箱梁跨中上下缘随时间不断增大的应力差与跨中下挠有着直接关系；卜建清[10]等PC刚构桥跨中下挠的主要原因是混凝土收缩徐变及其引起的预应力损失。

由于跨中下挠是由多方面因素引起，因此跨中下挠病害的处理也应该从多方面入手，从设计、施工和运营维护多方面进行处理，减少预应力损失、混凝土收缩徐变、基础不均匀沉降对连续刚构桥的影响，将其控制在合理的范围内。

4 承载力影响因素

4.1 预应力损失

PC连续刚构桥的预应力损失主要包括横、纵和竖3个方向，直接影响连续刚构桥承载能力和安全性，在自重和预应力作用下，3个方向预应力损失变化对连续刚构桥影响如图7和图8所示。

图7 预应力损失对跨中竖向位移影响

图8 预应力损失对跨中底板纵向应力影响

由图7和图8可以看出，纵向预应力损失对中跨跨中竖向位移和底板纵向应力的影响较大，横向和竖向预应力损失对中跨跨中竖向位移和底板纵向应力的影响较小。

纵向预应力损失直接关系到PC连续刚构桥跨中下挠和梁体开裂的程度，影响PC连续刚构桥的承载能力和安全性，在PC连续刚构桥的施工和运营过程中应重点加强对纵向预应力损失的监测。

4.2 跨中下挠

跨中下挠不仅会影响PC连续刚构桥的线形，更会影响其承载力，基于PC连续刚构桥的受力特点，在跨中下挠单独作用下，分别求解中跨跨中下挠0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm对PC连续刚构桥的影响，结果如图9所示。

图9 跨中下挠对边跨和中跨弯矩影响

由图9可以看出，中跨跨中下挠对PC连续刚构桥中跨跨中弯矩的影响比边跨跨中弯矩的影响大，中跨跨中下挠对PC连续刚构桥中跨跨中弯矩的影响基本成线性关系，随着跨中下挠的增大，PC连续刚构桥的承载力发生变化，箱梁的应力发生重分布，直接影响桥梁的承载能力，因此应严格控制PC连续刚构桥的跨中下挠，在后期的运营养护中加强对PC连续刚构桥跨中下挠的监测。

4.3 温度

PC连续刚构桥是超静定结构，温度会在其内部产生附加内力，基于PC连续刚构桥的三维实体模型，自重和预应力作用下，分别考虑整体升温0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃对PC连续刚构桥的影响，结果见表1。