预应力混凝土小箱梁桥梁加固及有限元分析

孙鹏飞

摘要 文章分析了桥梁加固方法，对比了桥梁不同加固方法的优缺点，并以A预应力小箱梁桥为工程实例，通过ANSYS有限元分析软件对其进行受力分析：主要计算纵向受力与结构设计承载力，然后进行对比分析；通过荷载实验，计算梁底纵向应力和挠度值；最后结合有限元分析和荷载实验，分析预应力小箱梁病害原因，选择适应加固方案。

关键词 预应力小箱梁桥；加固技术；有限元分析

中图分类号 U445.72文獻标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0069-03

0 引言

该文以A预应力小箱梁桥作为工程案例，根据有限元分析软件ANSYS架构小箱梁空间板壳单元模型，由此计算箱梁桥在极限承载力状态下对应的应力和应变情形，分别进行静载和动载实验，分析A桥实际承载力与原设计冲击系数是否合适，以此总结以预应力小箱梁结构特征的A桥病害产生的原因，提出相应的加固方案。

1 桥梁加固常规方法及优缺点分析

由于起初设计载荷等级较低，不适应目前标准和车辆载荷增加等方面的需求，需要采取措施以满足桥梁结构承载力要求。总结桥梁加固的方法，发现工程上主要采用内在措施和外在措施对桥梁加固改造[1-4]。国内常规加固方法及优缺点分析见表1。

2 有限元分析模型

2.1 工程概况

某工程A小箱梁桥梁设计荷载汽-20，桥梁长度2.0 km，预应力混凝土小箱梁作为主梁结构，下部的桥墩结构是空心薄壁箱型，墩宽1.56 m。现状桥梁设计施工较早，建成通车年数久，病害多。主要病害列举如下：

（1）该桥梁表面损害严重，存在大范围的混凝土剥落现象和桥梁渗水、漏水现象。

（2）由于桥梁渗水导致桥梁端头和桥墩一直处于泡水状态，造成水损害，引起混凝土的大面积脱落，致使钢筋裸露产生锈蚀，结构承载力降低。

（3）该桥箱体高度为1.2 m，桥下净空受限，由于车辆撞击造成破损严重。

2.2 计算模型

采用横向分布系数，将桥梁三维空间模型问题转化为平面模型问题。该文应用受力分析软件ANSYS程序建立三维立体模型，应用横向分布系数对预应力混凝土小箱梁进行模拟分析计算。有限元分析模型如图1所示。

3 试验分析

3.1 静载试验

对试验段梁进行选取时，选择较好的梁进行相关试验，明确各测点，详细分布点位如图2所示。

采取有限元分析模型计算得到内力值、变形值与荷载试验结果比对，主梁应力和挠度比较见表2。

由表2可得出该桥梁结构的刚度较小，梁底的应力实测值和挠度实测值均大于理论计算值，这表明跨中梁底在静止荷载下产生的实际作用效果会导致裂缝，同时经现场状况核查，桥面板亦有开裂现象，裂缝延展会不利于桥梁结构的使用耐久性，需对桥梁进行必要的加固。

3.2 动载试验

采取标准载重为30 t的车辆，分别以行驶速度5 km/h、

10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h行驶于桥梁，测试箱梁底部动挠度和动应变得到的冲击系数见表3。

由表3数据可知，在载重30 t车辆低于40 km/h行驶速度下的桥梁冲击系数均能满足工程相关要求，同时表明随着车辆行驶速度的增加，桥梁冲击系数也随之增加，因而应重视车辆速度对冲击系数这一指标的影响。

4 具体加固方案

根据以上试验研究分析，该预应力混凝土小箱梁产生裂缝病害的原因是由于桥梁横向刚度和桥面板承载力不足。结合病害原因，根据前文桥梁加固方法，得到以下加固方案：

方案一：在主梁间加设横隔板，增强横向结构联系，以此来提高小箱梁结构的横向刚度，提升整体的稳定性能。

方案二：同时在主梁和纵梁中加设横隔板。方案一只考虑主梁设置，该方案将导致腹板产生较大受力，对腹板的不利影响不言而喻，因此，考虑该影响应对纵梁也设置横隔板。

方案三：在主梁间设置斜支撑。一是由于采取方案一会破坏主梁腹板，二是采取方案二，多处设置横隔板会加大桥梁自重，因而考虑采用该方案三加设斜向支撑加强横向刚度。

方案四：对桥梁面板进行加厚。经现场观测和前述受力分析，老桥的桥面板结构承载力不足，可对其进行加厚处理达到加固目的。

对方案一和方案二的加固方案进行比较，以是否位于桥梁腹板施加横梁结构对比分析其正向应力和主拉应力，从而分析两种横隔板设置方案对小箱梁的加固有无效果，是否方案二同时位于纵梁处加设横隔板要优于方案一。

根据图3～4分析可知，加横梁的桥梁受力效果明显改善。梁中加横梁后，腹板正应力减少，最大减少比例为15%，另外腹板主拉应力也相应减少，降低比例为21%。这表明小箱梁位于主梁和纵梁之间均设置横梁其加固效果更佳。

根据图5分析可知，将方案三和方案一进行分析对比，即确定加设斜撑和加设横隔板何种方案更优。从图5得知在直接荷载下加设横梁和加设斜撑，最大的挠度值相差百分比为1.3%。在荷载作用情况下加设横梁和加设斜撑，最大的挠度值百分比相差为2%。两种工况情况下的梁底挠度值基本重叠，相差无几，由此分析可知，设置斜向支撑和设置横隔板基本等效，而仅设置斜撑相比而言可大幅降低桥梁自重，该方案可取代横梁提高小箱梁横向高度，加固效果更好。

5 结论

该文通过对比研究各类桥梁加固方案的优缺点，再结合有限元分析对预应力混凝土小箱梁进行荷载检测实验。通过以上手段得到桥梁裂缝病害原因，并针对该类病害，提出针对性的加固措施。主要研究结论如下：

（1）经过基于横向分布系数下的ANSYS分析计算结果，箱梁结构极限承载力大于纵向应力，因而纵向受力满足需求。

（2）梁底的应力实测值和挠度实测值均大于理论计算值，由此表明跨中梁底在静止荷载下产生的实际作用效果会导致裂缝。

（3）随着车辆行驶速度的增加，桥梁冲击系数也随之增加，因而应重视车辆速度对冲击系数这一指标的影响。

（4）基于前文桥梁加固方案比选，并对小箱梁横隔梁和斜撑方案进行力学变形分析，得到采取斜撑的方法可以有效增加结构横向刚度、减少桥梁自重，因而采取该方案对小箱梁加固是适宜的。

参考文献

[1]王亚军. 桥梁加固方法的对比分析[J]. 交通标准化， 2004（8）： 70-73．

[2]彭华荣. 粘贴钢板技术在桥梁加固中的应用[J]. 山西建筑， 2008（4）： 320-321．

[3]余天庆， 蒋永红. 拱式桥梁加固技术的研究与应用[J]. 世界桥梁， 2006（1）： 74-76．

[4]胡尔华. 桥梁加固的方法探讨[J]. 山西科技， 2011（1）： 100-101．