矮塔斜拉加固连续梁桥拉索张拉方案对比研究

2023-11-20武兆夏陈富琨张文学

国防交通工程与技术 2023年6期

武兆夏, 赵如, 陈富琨, 张文学

(1.北京工业大学城市建设学部,北京 100124;2.中国铁建昆仑投资集团有限公司,四川成都 610040)

为了适应我国经济的快速发展,近年来大量连续梁桥相继建造。然而随着服役时间的延长,越来越多的桥梁出现局部开裂和跨中下挠等病害,这些问题会导致桥梁的安全性、耐久性、适用性受到限制。合理的加固方法不仅能提高桥梁的承载力,还能提高加固工程的经济性;而传统被动加固方法虽然能够提升桥梁短期承载能力,但仍存在补强材料应力应变滞后和材料利用率低等问题。

连续梁桥变矮塔斜拉加固是一种新兴的主动加固方法[1-5],该方法虽然能提高主梁抗弯、抗剪承载力,并能抑制主梁裂缝的发展,但由于其改变原结构体系后受力性能不明确,目前仍未得到广泛应用。马修印[6]对该加固方法进行了不同布索形式、拉索数量以及桥塔高度等参数分析,确定了最优加固方案。徐刚年等[7]对该方法加固东明黄河公路大桥主梁锚固区段进行了对称加载和偏载试验研究,分析了不同加载大小对结构产生的影响。目前针对该方法的研究主要集中在最后的加固效果上,而对加固过程中的结构受力变化研究却鲜有涉足。损伤的桥梁由于严重的下挠、开裂等病害[8-9],导致内力分布不均。在加固过程中,拉索对其扰动可能会使结构受力急剧改变,产生不利影响,因此有必要对斜拉索张拉方案进行对比研究。本文以某座受损连续梁桥为研究对象,采用矮塔斜拉体系进行加固,并分析了两种不同拉索张拉顺序对结构受力的影响,为实际工程提供参考。

1 工程概况

某连续梁桥在经过10 a的服役期后,经桥梁检测发现主跨跨中底板、主梁根部顶板出现大量横向裂缝,腹板出现大量斜裂缝。该桥的跨度布置为(60+96+60)m,主梁采用C55混凝土,根部梁高5.8 m,跨中梁高2.8 m,按1.8次抛物线变化。悬臂施工段长47 m,直线段长11 m,合拢段长2 m,桥梁立面如图1(a)所示;桥面全宽为14.05 m,为两向预应力混凝土单箱双室梁,桥梁横截面尺寸如图1(b)、1(c)所示。

2 加固结构设计与有限元模型

2.1 矮塔斜拉体系设计

矮塔斜拉体系是由桥塔、拉索、组合型钢和焊接在组合型钢上的牛腿组成的结构。该结构通过连接装置将组合型钢锚固在箱梁顶板上,并将桥塔焊接在组合型钢上,同时使用拉索将桥塔和组合型钢连接起来。该结构的作用是提供竖向多点弹性支撑和纵向加劲,以增加主梁的承载能力。采用矮塔斜拉体系加固连续梁桥的结构如图2所示。

图2 矮塔斜拉体系加固连续梁桥

2.2 有限元模型

采用MIDAS/Civil软件建立了全桥的空间有限元模型。新增桥塔高14 m,采用Q345钢材,横截面如图3所示。斜拉索采用公称直径为15.2 mm、1×7股标准型高强度低松弛预应力钢绞线,共 55 股,横截面如图4所示。其抗拉强度为1 860 MPa,利用面积等效,在模型中采用直径10 cm 的圆形截面只受拉桁架单元模拟。斜拉索在主梁上的间距为8 m,在塔上的间距为1 m,主跨跨中无索区长度为10 m,索塔附近无索区长度为19 m。主梁由77个节点和76个单元组成,桥塔与主梁采用梁单元模拟。新增桥塔与主梁采用刚性连接,支座与主梁间采用弹性连接,边界条件按双支座三跨连续梁桥布置。加固后全桥空间有限元模型如图5所示。

3 连续梁桥损伤敏感度分析

连续梁桥的损伤是由多种因素相互耦合造成的[10],本文暂不考虑混凝土性能劣化引起的强度降低以及开裂引起的刚度降低等造成的影响,仅考虑预应力损失下连续梁桥的损伤状态。根据现有文献资料可知,部分连续梁桥纵向预应力损失达60%以上,竖向预应力损失由于锚固长度较短易松动,竖向预应力损失可达100%[11]。因此,本文对这两种因素进行损伤敏感度分析,旨在尽可能地模拟桥梁真实损伤状态。

图3 桥塔横截面 (单位:cm) 图4 平行钢绞线拉索截面

图5 加固后全桥有限元模型

3.1 纵向预应力损失分析

纵向预应力在抵抗主梁下挠方面发挥着主要作用,但随着混凝土的收缩徐变、预应力钢绞线的松弛,有效预应力逐渐降低,无法有效抵抗恒载和活载引起的下挠。这导致主梁出现过大下挠和开裂现象,加剧了预应力的损失,进一步降低了结构的稳定性和承载能力。本文暂不考虑各纵向预应力筋之间的损失差异,统一分析了预应力损失为20%、30%、40%、50%、60%时对主梁挠度及应力的影响,如图6～图8所示。

分析图6可知,随着纵向预应力的损失,主梁挠度的变化趋势是一致的,其中对中跨挠度的影响要远远高于边跨。预应力每损失10%,中跨跨中就会产生约12 mm的下挠,但主梁根部至边跨跨中反而有微小的增长趋势,主要是由于中跨下挠过大、产生“跷板”效应,使边跨下挠量远远减小。

分析图7、图8可知,随着纵向预应力的损失,桥墩左右各2L/3(L为边跨跨径)范围内主梁上缘应力变化比较明显,在预应力损失40%时墩顶上缘已产生0.90 MPa的拉应力。对于未布置底板钢筋的墩顶两侧位置,可见纵向预应力的损失并未对其下缘应力产生影响;而对于布置了底板钢筋的边跨1/4截面和中跨跨中截面来说,纵向预应力的损失产生了较大的影响。当纵向预应力损失达到30%时,主梁跨中下缘已经产生了0.62 MPa的拉应力,而边跨1/4截面的拉应力也接近规范限值。

图6 不同纵向预应力损失下主梁挠度图7 不同纵向预应力损失下主梁上缘应力图8 不同纵向预应力损失下主梁下缘应力

3.2 竖向预应力损失分析

竖向预应力筋多采用精轧螺纹粗钢筋,这种钢筋刚度较大、长度较短,容易使锚固体系松动,进而导致预应力损失加大,甚至完全失效。竖向预应力的损失会导致截面抗剪承载力不足、主拉应力增大,这也是斜截面产生大量裂缝的主要原因之一。本文暂不考虑各竖向预应力筋之间的损失差异,统一分析了预应力损失为30%、50%、70%、100%时对主梁主拉应力的影响,如图9所示。

图9 不同竖向预应力损失下主梁主拉应力

分析图9可知,随着竖向预应力的损失,主梁根部截面主拉应力急剧上升,而其他部位在竖向预应力损失至70%时才产生主拉应力。在竖向预应力全部失效时,主梁根部的主拉应力已由原结构的0.15 MPa增加到0.81 MPa,增加幅度达440%,而墩顶截面仅有0.2 MPa的拉应力,这主要是因为墩顶截面有横隔板的作用,横截面较大,应力分布相对均匀,抗裂性能较好。由上述分析可知,竖向预应力损失对主梁根部截面的主拉应力影响较大。

3.3 建立损伤模型

经过上述连续梁桥的损伤敏感性分析可知,预应力的损失对主梁的挠度和应力影响很大。考虑到桥梁实际受损情况,现选取纵向预应力损失40%和竖向预应力损失70%作为本次加固的损伤模型。以理论上10 a运营期后主梁挠度和正截面上下缘不产生拉应力,以及斜截面主拉应力在合理限制范围内为基本加固依据,采用未知荷载系数法[12],计算出最优索力。经过合理优化,最终成桥索力从长索至短索依次为5 000、4 500、3 300、1 900 kN,如图10所示。

图10 合理成桥索力

4 不同张拉方案对比分析

4.1 张拉方案设计

设计两种依次对称张拉方案:由短索至长索、由长索至短索,具体张拉序号如表1所示。

表1 拉索张拉方案

4.2 主梁挠度对比分析

不同张拉方案下主梁全截面挠度变化见图11。

分析图11可知,两种张拉方案对中跨的挠度影响较大。在方案一的工况一时,对主梁中跨跨中的影响仅有0.77 mm;当进行至工况三时,此处的挠度减少26.39 mm,已达到加固效果的43%。在方案二的工况一时,主梁中跨跨中挠度减少20.35 mm;当进行至工况二时,主梁最大挠度已减少36.39 mm,达到最大提升效果的74.8%,方案二下的主梁挠度变化速率较方案一快。

图11 不同方案下主梁挠度变化

4.3 主梁全截面应力对比分析

由于受损桥梁截面的应力分布不均匀,在进行加固过程中无法确定最危险的截面位置,所以应对主梁全截面进行分析。不同张拉方案下主梁全截面的应力变化如图12所示。

分析图12可知,在加固的过程中,两种方案对边跨无索区的影响有限,但对其他部位却有显著的改善效果;各工况下主梁全截面应力变化均在合理的范围内,结构强度是安全的。

4.4 主梁截面应力变化幅值分析

通过对每个张拉阶段后的截面应力与加固前的截面应力进行差值分析,可得到每一工况下截面应力的变化幅度,如图13所示。

分析图13可知,方案一不同工况下的主梁的截面应力变化较为均匀,而方案二各工况下有索区截面应力的变化不是很显著,这主要是因为长索索力大,对结构应力变化起主要作用,后续张拉短索只会对该索至主梁根部区域的应力变化产生较大影响。

4.5 关键截面应力对比分析

由上述分析可知,受损的主梁在墩顶截面和中跨跨中截面均有较大的拉应力存在,边跨跨中截面受力变化比较复杂,加固过程极其危险。现分析这几处截面应力随张拉过程的变化情况,如图14所示。

分析图14可知,边跨跨中截面下缘压应力储备在方案一的张拉顺序下逐渐变大,在方案二的张拉顺序下第一个张拉阶段减少了0.46 MPa,压应力储备减少19.3%,已接近受拉,方案二相对不利。中跨跨中截面和墩顶截面在方案二的张拉顺序下,前两个阶段应力变化幅值较大,截面应力从受拉急剧变化为受压,对结构的安全性有很大影响。