预应力混凝土连续刚构桥腹板开裂及加固治理研究

梁志成

(山西省交通科学研究院，太原 030032)

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥凭借优良的跨越能力和结构性能、以及造价较低、施工简单等特点，逐渐在大、中跨径桥梁中得到广泛应用[1]。 由于设计承载力不足、施工质量不达标等原因， 造成许多已建桥梁在运营阶段出现腹板开裂、主梁下挠以及箱梁裂缝等病害，因此及时加固治理病害桥梁对维护桥梁的安全运营具有重要意义[2]。

国内外关于病害桥梁的加固方法展开了大量研究[3-4]。如，赵慧君等[5]关于超强高韧性树脂混凝土加固桥梁施工技术展开研究， 通过超强高韧性树脂混凝土在旧桥加固中的应用实践，对其施工技术进行了全面地验证、总结，并进行加固效果分析，得出相应结论。 陈亮等[6]关于某连续箱梁病害分析及维修加固展开分析，针对桥梁病害，采用有限元程序对结构进行分析给出了相应的维修措施，桥梁维修加固后，经通车前的荷载试验评定，验证了加固措施的效果，桥梁的使用性能得到恢复。 朱春东等[7]关于公路钢桥梁桥面加固技术及应用实例展开分析， 采用树脂沥青组合体系钢桥面铺装和超高韧性混凝土轻型组合钢桥面铺装两类典型桥面铺装技术进行加固修复，并对加固修复方案使用效果进行了对比分析。 上述研究主要分析了混凝土加固方法、 箱梁病害治理及桥面铺装加固技术的实用效果， 而关于体外预应力加固方法的研究还相对较少[8]。 基于此，针对出现承载力不足的预应力混凝土连续刚构桥采取体外预应力加固方法进行治理，全面分析了该方法的实际加固效果， 为以后类似桥梁加固研究提供有利参考。

1 工程概况

1.1 桥梁结构

以某预应力混凝土连续钢构桥梁为例， 该桥全长430m，跨径布置为3×28m+46m+2×75m +42m+4×28m。 左右两侧为引桥部分，总长196m，桥梁结构为先简支后连续预应力混凝土T 梁桥，桥墩采用空心薄壁墩，桩基础采用钻孔灌注桩。 主桥跨径为46m+2×75m+42m=234m，桥梁结构为预应力混凝土连续刚构桥， 上部结构采用单箱单室截面预应力混凝土现浇箱梁，顶板宽度为11.5m，底板宽度为5.75m， 翼缘板长度为3.25m。 箱梁墩顶梁高5.2m， 中跨合龙段梁高为2.4m， 梁高按1.8 次抛物线变化，箱梁顶板底板厚为600mm，跨中段底板厚为230mm，顶板厚度为260mm。 桥面宽度为20.5m，车道设计为双向四车道，桥面铺装为10cm 厚混凝土层+防水层+9cm 厚沥青混凝土层，设计行车荷载为公路Ⅰ级，最高行车速度为80km/h，抗震强度为Ⅳ级。 桥梁总体布置如图1 所示。

图1 桥梁总体布置

1.2 病害分析

该桥采用悬臂浇筑法施工，浇筑节段共18 个，合龙施工段4 个，根据近期检测发现，桥梁主桥段出现以下病害：

(1) 主梁第二跨与第三跨跨中下挠程度达到10.4cm和12.7cm；

(2)主梁跨中腹板出现大量竖向裂缝，受弯裂缝呈上窄下宽分布，部分裂缝宽度达到0.3～0.4mm，超出规范上限值0.2mm；

(3)梁端腹板出现大量斜向裂缝，部分裂缝超过0.2mm，最大长度达到75cm，钢筋外露现象明显。

根据调查发现，该公路自通车以来货运车辆、客运车辆等重型车占比较大，而原桥设计承载力相对偏低，因此在长期超重荷载作用下导致桥梁出现以上病害特征，若不及时对桥梁腹板裂缝进行加固治理， 将给桥梁正常运营带来严重安全隐患。

2 模型建立及承载力分析

2.1 有限元模型

为设计最佳桥梁加固治理方案， 现针对出现病害连续钢构桥承载力情况进行建模分析， 通过运用有限元软件Midas Civil 建立连续钢构桥数值模型， 根据单元划分规则，主梁划分单元178 个，主墩划分单元48 个，全桥共包含226 个单元，352 个节点，桥梁有限元模型如图2 所示。

图2 桥梁有限元模型

计算过程中主要考虑以下荷载： 结构自重+二期横载；人群+行车荷载；箱梁温度荷载；底板钢束张拉荷载。原桥箱梁使用主要材料为C50 混凝土，桥墩采用C40 混凝土，桩基础采用C30 混凝土，受拉钢筋采用φ15.24 的低松弛高强度钢绞线，其材料参数如表1 所示。

表1 主要材料参数

2.2 承载力分析

为了解桥梁承载力分布规律， 通过运用结构分析软件建立主桥病害段数值模型， 并针对主梁L/4、L/2、3L/4和中跨3#、4#墩顶截面的正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力，以及中跨3#、4#墩顶与墩底承载力进行核算：

主梁正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力核算结果如图3 所示：

图3 主梁控制截面承载力

根据图3 可知，桥梁出现病害后，主梁正截面抗弯承载力呈对称分布，其中3#墩和4#墩控制截面的正截面抗弯承载力要远大于各跨跨中控制截面，3#墩和4#墩控制截面的正截面抗弯承载力为最大值，L/2 截面的抗弯承载力为最小值，L/4 和3L/4 截面抗弯承载力稍大于L/2 截面，说明主梁各截面的抗弯承载力大小不是呈均匀分布，靠近主墩附近主梁抗弯承载力较大，如3#墩和4#墩控制截面的抗弯承载力均为1024652.64kN·m，靠近跨中附近主梁抗弯承载力较小， 如L/4、L/2 和3L/4 控制截面的抗弯 承 载 力 分 别 为261530.76kN·m、108944.34kN·m 和283130.41kN·m。 主梁斜截面抗剪承载力大致呈对称分布，主梁左侧斜截面抗剪承载力要稍大于主梁右侧，其中L/4 和3L/4 截面抗剪承载力为较大值，3#墩和4#墩截面抗剪承载力为较小值，L/2 截面抗剪承载力要稍大于3#墩和4#墩截面， 说明主梁斜截面抗剪承载力呈两端较大， 中间较小分布，L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承载力分别为3418kN·m、12kN·m、34kN·m、12kN·m及3185kN·m。

主墩承载力核算结果如图4 所示：

图4 主墩承载力

根据图4 可知，桥梁出现病害后，桥梁3#墩和4#墩墩底及墩顶承载力分别为59261kN·m、62373kN·m、144217kN·m 及161342kN·m，其中3#墩和4#墩截面墩底承载力均要小于墩顶承载力，3#墩承载力要远小于4#墩承载力， 说明在重车荷载作用下， 桥梁主墩局部受力较大。 综合主梁及主墩主要控制截面承载力分布情况分析发现， 造成桥梁出现病害的主要原因是由于主梁局部截面抗弯承载力和抗剪承载力不足所致。

3 加固方案及承载力分析

3.1 加固方案

根据现场对桥梁运营情况和出现病害桥段的实地勘测，以及对桥梁主梁及主墩承载力核算结果的综合考虑，决定采用体外预应力加固的方法对桥梁进行加固治理，以提高桥梁整体承载能力： 在梁腹板两侧分别增设一根预应力束，桥梁第二、三跨共布置8 根预应力束，预应力束标准强度为1860MPa， 锚具张拉控制应力为744MPa；增设锚固区预应力齿板，材料为C50 混凝土；对开裂严重区域增设钢横梁，采用钢板焊接钢横梁和转向架；采用钢板对梁端两侧腹板进行抗剪加固。

3.2 承载力分析

为验证该加固方案的效果， 通过运用结构分析软件对加固后桥梁重新建模， 在新建模型中导入新增预应力束及钢横梁等设计参数，核算时需考虑最不利效应，并针对加固后主梁L/4、L/2、3L/4 和中跨3#、4#墩顶截面的正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力，以及中跨3#、4#墩顶与墩底承载力进行分析。

图5 主梁控制截面承载力

主梁正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力核算结果如图5 所示：根据图5 可知，加固后桥梁主梁L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承载力分别为262784kN·m、1150031kN·m、127884kN·m、1145242kN·m 及272312kN·m，主梁正截面抗弯承载力分布规律与加固前大致相似，3#墩和4#墩控制截面的正截面抗弯承载力为最大值，L/2截面的抗弯承载力为最小值，L/4 和3L/4 截面抗弯承载力稍大于L/2 截面。主梁L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承载力分别为5482kN·m、165kN·m、35kN·m、14kN·m 及4726kN·m，主梁斜截面抗剪承载力分布规律与加固前基本一致。

主墩承载力核算结果如图6 所示：

根据图6 可知，加固后桥梁3#墩和4#墩墩底及墩顶承载力分别为57378kN·m、59466kN·m、152921kN·m 及169418kN·m， 其中3#墩和4#墩截面墩底承载力均要小于墩顶承载力，3#墩承载力要远小于4#墩承载力， 说明在重车荷载作用下，桥梁主墩局部受力较大。综合主梁及主墩主要控制截面的承载力分布情况分析发现， 采用设计加固方案对桥梁进行治理后， 主梁局部截面抗弯承载力和抗剪承载力以及主墩局部承载力均得到不同程度的提升。

图6 主墩承载力

4 加固效果分析

通过对比分析加固前后桥梁主梁主要截面的抗弯承载力和抗剪承载力， 以及主墩关键截面的承载力分布规律及核算结果，得到该方案的实际加固效果汇总如表2、表3 所示。

表2 主梁承载力增大值及百分比

根据表2 可知，加固后主梁在3#墩、L/2 和4#墩截面处抗弯承载力分别提升了12.2%、17.3%及11.7%，抗弯承载力得到较大程度提升，L/4 截面处抗弯承载力提升程度较小，仅提升了0.47%，在3L/4 截面处抗弯承载力下降了3.82%，虽然主梁局部截面抗弯承载力有所下降，但该加固方案对提升主梁整体抗弯承载力效果比较显著。 加固后主梁各关键截面抗剪承载力均得到不同程度提升，其中L/4 截面和3L/4 截面抗弯承载力提升效果达到60%和48.4%，效果非常明显。

表3 主墩承载力增大值及百分比

根据表3 可知，加固后桥梁3#墩墩底和墩顶承载力分别下降了3.2%和4.7%，4#墩墩底和墩顶承载力分别提升了6%和5%，4#墩承载力提升值要远大于3# 墩承载力。综合来看加固后桥梁主梁抗剪承载力、抗弯承载力及主墩承载力均得到一定程度改善，加固治理效果明显。

5 结语

本文介绍了某连续刚构桥桥梁结构， 以及桥梁病害特征，通过建模段对桥梁承载力分布规律进行分析，探究了病害成因是由原桥设计承载力不足与主梁局部截面抗弯承载力和抗剪承载力下降所致。 针对病害成因设计采取增设预应力束以及钢横梁的方案对桥梁进行加固治理，加固后桥梁主梁抗弯承载力、抗剪承载力以及主墩承载力均得到较大程度提升， 表明该加固措施是提升连续刚构桥承载力的有效手段，这对于提升桥梁承载力、类似病害治理以及保证桥梁的安全运营具有重要意义， 也为同类型桥梁的加固治理研究提供了参考与借鉴。