刚构公路桥梁体外预应力加固后承载能力分析

张永军

（山西路桥建设集团有限公司,山西 太原 030031）

0 引言

连续刚构桥具有施工简便、跨度大、承载力强等优点，在大跨径桥梁建设中应用较为广泛。但由于施工不当及设计缺陷等各方面因素影响，箱梁预应力张拉施工时，极易产生底板混凝土保护层崩裂等质量问题[1]，通常采用体外预应力加固措施进行维修加固。为此，该文针对刚构桥体外预应力加固后承载能力进行探究，以保证桥梁运营安全。

1 工程概况

某混凝土连续刚构桥，桥跨组合为（62+2×100+62）m，见图1。上部结构采用分离式单箱单室预应力箱梁，为纵、横、竖三项预应力结构。基础形式为整体式承台结构，桥墩为单薄壁空心墩。

图1 某连续刚构桥桥型布置示意图（m）

桥梁主跨预应力张拉时，箱梁10#～13#段底板保护层出现崩裂质量病害，为最大限度确保桥梁施工质量，避免后期张拉施工中出现类似状况，设计方针对预应力孔道偏差过大的情况，将M6、M7、M8 体内14φ15.24 预应力筋变更为19φ15.24 预应力，采用体外布置[2]，并增加横隔板与加劲肋，具体布设形式见图2。

图2 跨中截面预应力束布置示意图（cm）

2 桥梁承载能力验算

2.1 桥梁模型参数

桥梁模型预应力钢绞线相关技术指标如表1 所示。

表1 预应力钢绞线的力学指标

桥梁承载力验算时，荷载主要包括恒载、动载两部分，其组合形式如下：

组合Ⅰ：恒载+汽车荷载；组合Ⅱ：恒载+汽车荷载+温度+基础沉降；组合Ⅲ：恒载+挂车荷载。

2.2 计算模型

借助Midas Civil 2015 软件构建有限元模型，对桥梁承载能力实施验算，共划分为1 567 个单元和1 642 个节点。边界设置：66#、70#边墩位置分别布设一个可自由移动的支座，对竖、横向位移加以约束；67#、68#、69#墩与主梁固结[3]。

2.3 成桥状态验算结果

2.3.1 承载能力极限状态验算

该桥梁工程成桥状态时，承载力极限状态下主梁弯矩、剪力验算结果如图3～4 所示，正截面抗弯、斜截面抗剪承载力验算结果如图5～6 所示。

图3 成桥状态时承载能力极限状态下主桥主梁弯矩包络图（kN·m）

图4 成桥状态时承载能力极限状态下主桥主梁剪力包络图(kN)

图5 成桥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6 成桥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

通过图3～6 能够看出：①桥梁承载力极限状态下，最大正、负弯矩分别位于边跨跨中和中间墩顶部位，其值依次为117 019.9 kN·m 和-533 185.1 kN·m；②最大、最小剪力分别位于大、小里程刚构墩顶部位置，其值依次为28 315.8 kN 和-28 204.8 kN[4]。

桥梁成桥状态承载力极限状态下重要部位承载力验算结果如表2 所示。

表2 成桥状态时关键受力截面承载能力极限状态验算结果

通过表2 能够看出：该桥梁结构各重要截面抗弯、抗剪性能全部符合相关标准要求。

2.3.2 正常使用极限状态验算

（1）挠度验算：按照最新实施的《预应力混凝土桥梁设计技术规程》相关规定，对成桥状态结构正常使用极限状态实施验算，其挠度变形规律如图7 所示。

图7 交通载荷作用下主梁下挠变形图（mm）

通过图7 能够看出：桥梁运营过程中，在交通荷载作用下，主梁最大下挠为18 mm，根据挠度发展系数，计算得到该桥梁长期挠度为18×1.43=26 mm，远远低于标准允许值100 m/600=167 mm；

（2）荷载Ⅰ：主梁结构在荷载Ⅰ条件下各部位应力分布情况如表3 所示，全部符合标准要求。

表3 荷载组合Ⅰ作用下应力验算结果 /MPa

（3）荷载Ⅱ：主梁结构在荷载Ⅱ条件下各部位应力分布情况如表4 所示，全部符合标准要求。

表4 荷载组合Ⅱ作用下应力验算结果 /MPa

（4）荷载Ⅲ：主梁结构在荷载Ⅲ条件下各部位应力分布情况如表5 所示，全部符合标准要求。

表5 荷载组合Ⅲ作用下应力验算结果 /MPa

根据上述分析结果可知：①承载力极限状态下，该桥梁结构各重要截面抗弯、抗剪性能全部符合相关标准要求，整体承载性能符合规范及设计要求；②桥梁运营过程中，三种荷载组合条件下，主梁上下缘应力及主拉、压应力均符合标准要求，下挠远远低于标准允许值，符合设计要求。

2.4 当前状况验算结果

按照现行《桥梁工程承载力检测评定技术标准》相关规定，钢筋混凝土结构承载力评定公式如下：

式中，γ0—— 结构关键系数；S—— 荷载函数；R(·)——抗力函数；fd——材料强度标准值；ξc——钢筋混凝土截面折减系数；adc——构件混凝土截面尺寸；ξs——钢筋截面折减系数；ads——构件钢筋截面尺寸；Z1——承载力验算系数；ξe——承载力恶化系数[5]。

2.4.1 验算系数的确定

该桥梁工程服役14 年后，承载力验算系数如表6～7所示。

表6 主桥承载能力验算系数评定标度D

通过表6、表7 能够看出，该桥梁结构运营14 年后，尽管材料性能存在少许下降，但整体承载能力仍旧满足规范及设计要求。

表7 主桥构件截面损伤的评定R

2.4.2 承载能力验算评定结果

按照现行《桥梁工程承载力检测评定技术标准》相关规定，对桥梁结构承载性能实施验算，其结果如表8所示。

表8 当前技术状况下主桥主梁承载能力验算结果

通过表8 能够看出：该桥梁各控制截面抗弯、抗剪性能均符合标准要求。

3 结论

综上所述，该文结合实际工程案例，针对刚构桥体外预应力加固后承载能力进行验算分析，得出如下结论：

（1）该桥梁工程经体外预应力加固处理后，服役14 年间，尽管结构表面产生一定程度的缺损、风化，但整体承载性能仍旧符合标准要求。

（2）承载力极限状态下，该桥梁结构各重要截面抗弯、抗剪性能全部符合相关标准要求，整体承载性能符合规范及设计要求。

（3）桥梁运营过程中，三种荷载组合条件下，主梁上下缘应力及主拉、压应力均符合标准要求，下挠远远低于标准允许值，符合设计要求。