某连续刚构桥体外预应力加固后承载能力评估

张恒， 罗雷

(1.佛山市交通运输事务中心， 广东 佛山 528000；2.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司， 广东 佛山 528041)

由于施工过程中预应力管道定位不准确、未设计防崩钢筋等，某新建预应力连续刚构桥张拉底板预应力时发生保护层崩裂，设计单位采用体外预应力代替部分原纵向预应力的方法进行维修加固处理。本文结合某连续刚构桥现场实测材料参数对加固后交工状态、运营14年后状态进行验算，评估桥梁整体承载能力，验证加固措施的有效性。

1 工程概况

某特大桥主桥上部结构为四跨一联预应力混凝土连续刚构，主桥跨径组合为(62+2×100+62) m(见图1)。上部结构主梁为分离式单箱单室箱梁，采用纵向、竖向及横向三向预应力体系。主桥主墩采用整体式承台，墩身采用单薄壁分离式空心墩，过渡墩采用分离式薄壁空心墩。

图1 某连续刚构桥桥型布置示意图(单位：m)

主桥主跨张拉底板预应力钢绞线M7、M8时，主跨箱梁10#～13#块底板混凝土保护层崩裂。原因如下：1) 底板预应力管道定位不准确，竖向出现较大偏差，局部产生较大径向力；2) 施工中没有按设计要求布置防崩钢筋和连接底板上下缘横向钢筋的系筋，底板无法实现整体受力。

为保证桥梁的质量和安全，防止后续施工中出现箱梁底板崩裂现象，设计单位对底板采取将中跨底板管道存在较大偏差的M6、M7、M8的体内索14φ15.24钢绞线束替换为体外索19φ15.24钢绞线束及增设横隔板和加劲肋的措施进行加强处理。加固箱梁跨中截面预应力束布置见图2。

图2 跨中截面预应力束布置示意图(单位：cm)

2 桥梁承载能力验算

2.1 桥梁模型参数

桥梁结构混凝土和钢绞线的力学指标分别见表1、表2。

表1 混凝土的力学指标

表2 预应力钢绞线的力学指标

结构验算主要考虑永久荷载(结构自重、二期恒载、加固荷载、收缩徐变、沉降)、可变荷载(汽车荷载、温度)，荷载组合如下：组合Ⅰ为恒载+汽车荷载；组合Ⅱ为恒载+汽车荷载+温度+基础沉降；组合Ⅲ为恒载+挂车荷载。

2.2 计算模型

采用MIDAS/Civil 2015建立全桥杆系有限元模型(见图3)进行验算，全桥离散为1 567个单元、1 642个节点。边界条件为：66#边墩和70#边墩设置两个纵向水平可动支座，约束竖向位移和横向位移；设置两个多向活动支座，约束竖向位移。67#、68#、69#主墩为刚构墩，与梁体固结。

图3 连续刚构桥主桥整体计算模型

2.3 交工完好状态验算结果

2.3.1 承载能力极限状态验算

该桥交工完好状态时承载能力极限状态荷载组合作用下主梁弯矩、剪力验算结果见图4、图5，正截面抗弯、斜截面抗剪承载能力验算结果见图6、图7。由图4～7可知：在承载能力极限状态下，全桥最大正弯矩为117 019.9 kN·m，出现在边跨中间位置；最大负弯矩为-533 185.1 kN·m，出现在中间墩墩顶处；最小剪力为-28 204.8 kN,出现在小里程侧刚构墩墩顶处；最大剪力为28 315.8 kN，出现在大里程侧刚构墩墩顶处。

图4 交工完好状态时承载能力极限状态下主桥主梁弯矩包络图(单位：kN·m)

图5 交工完好状态时承载能力极限状态下主桥主梁剪力包络图(单位：kN)

图6 交工完好状态时承载能力极限状态下正截面抗弯承载能力验算结果

图7 交工完好状态时承载能力极限状态下斜截面抗剪承载能力验算结果

交工完好状态时承载能力极限状态下关键受力截面承载能力验算结果见表3。由表3可知：主梁承载力抗弯和抗剪均满足JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》的要求。

表3 交工完好状态时关键受力截面承载能力极限状态验算结果

2.3.2 正常使用极限状态验算

(1) 挠度验算。根据JTJ 023—85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对交工完好状态时正常使用极限状态下桥梁结构进行验算，结果见图8。由图8可知：在使用阶段车道荷载作用下全桥产生的最大竖向挠度为18 mm,考虑挠度长期增长系数(对于C50混凝土，挠度长期增长系数为1.43)的长期挠度为18×1.43=26 mm<规范限值100 m/600=167 mm。

图8 车道载荷作用下主梁下挠变形图(单位：mm)

(2) 荷载组合Ⅰ应力验算。荷载组合Ⅰ作用下截面上下缘正应力及主应力验算结果见表4，均满足规范要求。

(3) 荷载组合Ⅱ应力验算。荷载组合Ⅱ作用下截面上下缘正应力及主应力验算结果见表5，均满足规范要求。

(4) 荷载组合Ⅲ应力验算。荷载组合Ⅲ作用下截面上下缘正应力及主应力验算结果见表6，均满足规范要求。

表4 荷载组合Ⅰ作用下应力验算结果 MPa

表5 荷载组合Ⅱ作用下应力验算结果 MPa

表6 荷载组合Ⅲ作用下应力验算结果 MPa

综上，在承载能力极限状态下，桥梁主桥连续刚构正截面抗弯及斜截面抗剪均满足规范要求，承载力满足要求；在正常使用极限状态荷载组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ作用下，桥梁主桥连续刚构截面上下缘正应力、主拉应力、主压应力均满足规范要求，挠度变形满足规范要求。

2.4 当前状况验算结果

根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，配筋混凝土桥梁承载能力极限状态根据桥梁检测结果按下式进行计算评定：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

式中：γ0为结构的重要性系数；S为荷载效应函数；R(·)为抗力效应函数；fd为材料强度设计值；ξc为配筋混凝土结构的截面折减系数；αdc为构件混凝土几何参数值；ξs为钢筋的截面折减系数；αds为构件钢筋几何参数值；Z1为承载能力验算系数；ξe为承载能力恶化系数。

2.4.1 验算系数的确定

该桥经过体外预应力加固并运营14年后，桥梁结构现场检测结果见表7～11。

表7 主桥承载能力验算系数评定标度D

表8 主桥承载能力恶化系数评定标度E

表9 主桥构件截面损伤的评定R

表10 主桥钢筋截面折减系数ξc

表11 桥梁活载修正系数

2.4.2 承载能力验算评定结果

根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》进行结构承载能力验算，结果显示：当前技术状况下主桥主梁抗弯承载能力和斜截面抗剪承载能力均满足规范要求(见表12)。

表12 当前技术状况下主桥主梁承载能力验算结果

3 结论

该连续刚构桥在经过体外预应力加固并运营14年后，虽然桥梁结构主要材质状况出现一定程度缺损和退化后，但桥梁结构承载能力仍然满足原设计规范要求。承载能力极限状态下，主桥正截面抗弯承载能力和斜截面抗剪承载能力均大于作用组合，满足原设计规范要求；正常使用极限状态下，主桥正应力、主应力均小于规范限值，主跨最大挠度小于规范限值，满足原设计规范要求。