PC连续箱梁桥腹板斜裂缝病害分析与加固设计研究

2021-01-25曹博成

中华建设 2021年1期

曹博成

在过去的几十年里，我国建造的桥梁不计其数，但是由于使用过程中桥梁的耐久性降低，抗疲劳性能减小出现了很多病害，而箱梁桥表现出来的主要病害是腹板受拉区混凝土产生的斜裂缝。本文主要针对这一现象进行研究，通过构建模型对腹板斜裂缝进行分析，通过预应力、温度、车辆荷载作为变量进行分析，分别给出了三个因素对斜裂缝的影响程度。通过加固的原则和方法研究，为指导以后桥梁加固设计提供了理论依据。

我国在桥梁建设过程中依据上部结构形态的分类箱梁桥的建设最为多见，有等截面形式以及变截面形式，而箱梁桥也存在一定缺点，在使用过程中会因疲劳程度降低，耐久性降低导致腹板出现斜裂缝。针对斜裂缝的产生本文主要在以下几方面进行研究并得到不同结论：

通过理论分析斜裂缝成因主要是主拉应力过大引起的；通过建立模型来分析预应力、温度、汽车荷载对主拉应力的影响程度；产生斜裂缝箱梁的加固原则和方法。

一、腹板斜裂缝研究

1.斜裂缝成因

结合施工经验及试验研究分析可知主拉应力较大是引起裂缝的主要原因，如果箱梁的预应力钢筋产生了预应力损失或者预应力钢筋的抗拉作用没发挥作用，则腹板会在结构自重以及荷载作用下产生过大的主拉应力，从而导致腹板下部斜向裂缝的产生及扩大。主拉应力通过以下公式计算：

式中：σtp表示作用点的主拉应力；σcx表示弯矩作用下受拉区混凝土所产生的法向应力；σcy弯矩作用下受拉区混凝土所产生的压应力；τ表示受拉区混凝土产生的剪应力。

二、裂缝分析

1.模型建立

本文通过桥梁计算软件Midas Civil 建立桥梁上部结构的计算模型，模型建立时考虑的荷载有：梁体的自重、钢筋的预应力损失、桥梁的收缩徐变、温度效应、基础沉降以及车辆荷载等。通过对模型结构的计算分析最大限度地仿真模拟出导致箱梁腹板开裂的主要原因。桥梁上部结构的计算模型如图1 所示,腹板应力集中的节点位置如图2 所示。

图1 桥梁上部结构模型图

图2 节点示意图

2.预应力损失对裂缝的影响

文章通过模型的建立与计算来分析预应力损失对箱梁腹板开裂的影响，通过计算无预应力损失时、预应力损失为20%时、预应力损失为30%时截面5、7、9 的主拉应力，经过数据处理及分析得到当预应力损失达到20%时，腹板上部位置5 号点的预应力损失最大值为-1.41MPa；腹板中部位置7 号点的预应力损失最大值为-1.27MPa；腹板下部位置9 号点的预应力损失最大值为-0.89MPa。

当预应力损失达到30%时，腹板上部位置5号点的预应力损失最大值为-1.85MPa，应力增长31%；腹板中部位置7 号点的预应力损失最大值为-1.53MPa，应力增长26%；腹板下部位置9 号点的预应力损失最大值为-1.13MPa，应力增长32%。

通过数据分析得出，预应力损失越大，应力增长越严重，越容易在该点产生应力集中，从而导致箱梁腹板上该点的主拉应力增大，产生斜裂缝。

3.温度对裂缝的影响

本节主要研究新旧规范不同规定下，温度对箱梁开裂的影响，通过计算主拉应力值的大小作为评定依据。

通过应力数值变化可以看出：不同规范下5 号节点的主拉应力差值为0.15MPa，应力增长24%；7 号节点的主拉应力差值为0.13MPa，应力增长14%；9号节点的主拉应力差值为0.06MPa，应力增长9%。通过应力增长的数值可以看出温度荷载对箱梁腹板斜裂缝的影响较小。

4.汽车荷载对裂缝的影响

汽车荷载作为桥梁结构分析的可变荷载，会使桥梁构件产生一定的弯矩和变形，所以在分析箱梁开裂因素影响时，汽车荷载必不可少。经过模型建立及数值分析得到以下结论：

不同规范下5 号节点的主拉应力差值为0.22MPa，应力增长36%；7 号节点的主拉应力差值为0.22MPa，应力增长34%；9 号节点的主拉应力差值为0.15MPa，应力增长34%。

通过结果可分析出：汽车荷载对预应力混凝土腹板的主拉应力数值变化受汽车荷载影响较大，但应力值变化幅度较小，且符合规范要求。

三、箱梁桥加固设计

1.加固原则

人口流动性的提升，交通流量的持续增长，在这些因素影响下对桥梁的质量和耐久性提出了更高要求，对于一些旧桥来说由于永久荷载和临时荷载的作用以及自然环境的变化，导致桥梁出现了各种各样的病害，影响桥梁的正常使用和耐久性。所以为保证桥梁的正常使用状态以及耐久性，对桥梁局部进行结构进行加固是最有效的，其加固原则应遵循以下几点：

（1）桥梁加固技术需要考虑耐久性和安全使用性，加固后的桥梁要有满足各方面的指标要求，同时加固的成本要比新建桥梁成本低很多。

（2）通过加固的效果和加固方法同时结合施工技术综合选定加固方案，保证加固的可行性。

（3）当遇到技术需要或地形障碍时可以优先考虑多种加固方法共同实施的方案。

2.加固方法

直接加固法主要是在原有结构的基础上进行截面的扩大或者在结构薄弱的结构面增设钢筋，提高承载能力，增加结构的耐久性和强度。直接加固又可以分为主动加固法和被动加固法。

（1）主动加固法

主动加固主要是通过提高预应力约束来实现加固，这种方法主要是在结构薄弱部位，或者结构主拉应力较大的部位增设钢筋，对结构起到加固补强的作用。主动加固法当中的加固材料和原结构同步受力，更好地发挥结构特性，保证结构的强度，提高材料的抗拉强度。

（2）被动加固法

被动加固法主要是通过在桥梁的薄弱部位或者损害部位进行相应材料的填充，填充材料有相应强度钢板、湿砂以及纤维布等。该加固方法目的是使加固材料和箱梁共同受力，但桥梁构件与加固材料受力不同步，所以加固材料与梁体不能完全协同工作，桥梁运营过程中受到荷载作用时，梁体产生的拉应力、压应力和剪应力对梁体本身会产生较大影响。所以梁体一般达不到设计规定的抗拉强度。

间接加固法是通过改变梁体的自身结构或受力特点，使梁体产生内力重分布，从而提高结构的承载能力，改善构件的使用性能，间接起到加固补强的作用。桥梁工程中经常用到的间接加固法有：加斜支撑法（减小因跨径过大而产生的过大弯矩）、简支梁转连续梁法，调整荷载横向分布系数等方法。

（1）加斜支撑法

在桥梁墩台的位置设置斜向钢架支撑从而将主梁进行撑架，这种结构相当于原桥梁结构的上部增加弹性支撑，使构件的跨径减小，从而弯矩减小，拉应力降低，这种方法间接的加固上部结构，这种方法适用于梁体本身会产生过大挠度，使承载力不足。

（2）斜拉索加固

利用斜拉索进行加固设计的方法是通过调整边中跨位置来改变体系类型，使内力的分布得到改善，优化变形结构。加固方法的主要内容有：通过对边跨增加桥墩的方式来减小边跨的距离。通过张拉斜拉索来改变桥梁的受力结构，通过增加多个弹性支承点的方式提高承载力，从而间接地起到了加固梁体的作用。