预应力砼连续刚构桥加固设计及效果分析

沈青青

(新疆交通规划勘察设计研究院有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830000)

由于设计或施工不足，早期修建的预应力砼连续刚构桥常出现跨中梁体下挠、预应力损失及梁体裂缝等病害，如何有效对病害桥梁进行加固成为急需研究的重要课题。目前，针对跨中梁体下挠和梁底裂缝等常见病害的修复展开了大量研究，如程炜等对预应力砼连续刚构桥主桥箱梁采用增加腹板厚度+体内预应力的方法提高结构刚度，并对顶、底板纵向裂缝采用粘贴碳纤维布等进行处治，加固效果明显；姚国文等通过对交界墩纠偏、增大端横梁截面、更换支座等措施解决了端横梁病害，且加固效果满足桥梁使用要求；吕宏奎采用更换底板、重新布设预应力钢束的恢复结构完整性方案处治连续刚构桥底板崩裂问题，加固后桥梁结构强度、刚度均满足设计荷载要求；王若谷等研究了腹板参数对增设中腹板的连续刚构桥加固方法的影响，发现选取相对较薄的单腹板，在适量增加钢束用量的情况下进行加固效果较好。由于桥梁病害的形成原因较复杂且影响因素较多，在对病害桥梁进行加固前需针对病害成因进行分析与判断，从而设计最合理的加固方案。该文以某连续刚构桥为例，针对其病害情况及成因设计更换部分桥面铺装、增设体外预应力钢束、修复裂缝的加固方法，并运用有限元软件对加固效果进行模拟分析。

1 工程概况

1.1 桥梁结构

某预应力砼连续刚构桥跨径布置为45 m+75 m+75 m+45 m，全长240 m，桥面总宽25 m，单幅桥面宽11.5 m，左右幅桥梁间隔2 m，桥面两侧设置0.5 m防撞护栏。双向六车道，最高行驶速度为100 km/h，桥面横坡为2%。主梁采用单箱单室变截式连续箱梁，支点处梁高4.8 m，跨中处梁高2.2 m，底板宽5.8 m，支点处厚70 cm、跨中处厚25 cm，顶板厚30 cm，腹板支点处厚50 cm、跨中处厚30 cm。下部结构采用薄壁柔性墩、直径为0.5 m的钻孔灌注桩，桩间距1.5 m。桥梁总体布置见图1。

图1 连续刚构桥总体布置(单位：m)

1.2 病害分析

该桥正常运营7年后，对其结构进行质量检测，结果显示：箱内体外预应力损失较大；桥面铺装损坏严重；主梁腹板、顶板及梁底均出现大量裂缝，部分裂缝已沿腹板延伸至翼缘根部，最大宽度达0.5 mm；主梁跨中下挠现象明显(见图2)。通过对设计资料及检测资料进行敏感性分析，初步判定该桥出现病害的主要原因为车流量及重载车辆的增加增大了结构受力、原设计结构预应力偏低、原设计对砼收缩徐变和温度作用考虑不足。

图2 桥梁主要病害情况

1.3 加固方案

为保证桥梁达到运营要求，同时从施工难易程度、运营风险及方案可行性等方面考虑，采用更换部分桥面铺装、增设体外预应力钢束及修复裂缝的方法对该桥进行加固，提高其稳定性及承载能力。具体方法如下：

(1) 在箱内增设体外纵向预应力钢束，横向同时设置4束预应力钢束，边、中跨箱梁分别采用12φs15.2 mm和19φs15.2 mm预应力钢束，预应力钢束的标准抗拉强度为1 860 MPa，张拉控制应力为0.6 MPa。预应力钢束增设位置见图3。

图3 预应力钢束增设位置(单位：cm)

(2) 采用填充灌注胶的方法修复箱梁处宽度大于0.15 mm的裂缝，涂刷树脂胶修复宽度小于0.15 mm的裂缝，同时在箱梁边、中跨合龙段底板和腹板内侧粘贴钢板条进行加固(见图4)。

图4 箱梁钢板条粘贴位置(单位：cm)

(3) 清除桥面原沥青砼铺装层，在1#～3#主墩墩顶两侧增铺长度为10 m的纵向钢筋网，再铺设厚度为9 cm的新沥青砼层。

2 建立模型

以原设计参数为依据，运用软件MIDAS/Cilvi建立该桥有限元数值模型，对加固前后主梁结构的砼应变及挠度进行计算分析。计算过程中假定钢筋与砼间黏结良好，不考虑相对滑移作用；钢板视为完全线弹性材料，钢筋考虑为理想塑性，不考虑胶层的影响。主梁、桥墩均采用梁单元模拟，共包含206个单元和278个节点(见图5)。

图5 全桥有限元模型

考虑偏心加载和对称加载2种情况，模拟6辆重载货车通行荷载，平均荷载为350 kN。计算截面选取左、右幅桥梁跨中位置2个截面，对加固前后该截面箱梁内1#～20#测点的砼应变及主梁顶部Ⅰ～Ⅹ号测点的挠度进行计算分析。加载方式及测点位置见图6。

图6 加载方式及测点位置示意图(左幅桥梁)

3 计算结果与分析

3.1 对称加载加固效果分析

运用有限元软件建立对称加载方式下连续刚构桥计算模型，对加固前后主梁结构砼应变及挠度进行对比分析。

3.1.1 砼应变

经计算，对称加载方式下左幅桥梁跨中截面各测点的砼应变均大于右幅桥梁，说明左幅桥梁受病害影响比右幅桥梁严重。加固前后左幅桥梁跨中截面1#～10#测点的砼应变见图7。

图7 对称加载方式下加固前后左幅桥梁跨中截面1#～10#测点的砼应变

由图7可知：采用上述加固方案对桥梁进行维修后，对称加载方式下左幅桥梁跨中截面各测点的砼应变均不同程度减小，1#～10#测点的砼应变分别减小22.3%、22.1%、23.5%、22.7%、21.8%、7.1%、13.9%、17.4%、18.1%和7.6%。说明该加固方案可降低桥梁的砼应变，大幅提升结构的纵向刚度，从而改善桥梁的整体安全性能。

3.1.2 结构挠度

经计算，对称加载方式下左幅桥梁跨中截面的下挠幅度比右幅桥梁大，说明左幅桥梁结构变形比右幅桥梁大。加固前后左幅桥梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点的挠度见图8。

图8 对称加载方式下加固前后左幅桥梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点的挠度

由图8可知：采用该加固方案对桥梁进行维修后，左幅桥梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点的挠度下降明显，分别减小21.5%、19.3%、22.5%、26.5%和23.6%。说明该加固方案可大幅降低桥梁跨中截面的下挠幅度，防止桥梁结构变形过大。

3.2 偏心加载加固效果分析

运用有限元软件建立偏心加载方式下连续刚构桥计算模型，对加固前后主梁结构的砼应变及挠度进行对比分析。

3.2.1 砼应变

经计算，偏心加载方式下加固后左、右幅桥梁跨中截面各测点的砼应变均减小，其中左幅桥梁跨中截面1#～10#测点的砼应变见图9。

图9 偏心加载方式下加固前后左幅桥梁跨中截面1#～10#测点的砼应变

由图9可知：偏心加载方式下，加固前左幅桥梁跨中截面的最大砼应变为96 με，加固后为70 με，下降约27.1%。说明该加固方案在偏心加载方式下可降低桥梁的砼应变，提升桥梁结构的纵向刚度。

3.2.2 结构挠度

经计算，偏心加载方式下加固后左、右幅桥梁跨中截面各测点的挠度均大幅减小，其中左幅桥梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点的挠度见图10。

图10 偏心加载方式下加固前后左幅桥梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点的挠度

由图10可知：偏心加载方式下，加固前左幅桥梁跨中截面的最大挠度为50.7 mm，加固后为37.6 mm，下降约25.8%。说明该加固方案在偏心加载方式下可降低桥梁的结构挠度，有效控制桥梁整体结构变形。

4 结论

(1) 对称加载和偏心加载方式下左幅桥梁的砼应变及挠度均大于右幅桥梁，说明左幅桥梁的受损程度较大，右幅桥梁的受损程度较小。

(2) 对称加载方式下，加固后左幅桥梁的砼应变减小7.1%～23.5%，结构挠度减小19.3%～26.5%；偏心加载方式下，加固后左幅桥梁的最大砼应变减小约27.1%，最大结构挠度减小约25.8%。说明该加固方案在2种加载方式下均可降低桥梁的砼应变和挠度，提升桥梁结构的纵向刚度，降低整体结构变形。