杜　元(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430050;2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京　210061)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁加固計(jì)算研究

杜元1，2
(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050;2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇南京210061)

摘要:徐州一京杭運(yùn)河橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，目前存在較嚴(yán)重病害，橋梁總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為4類，主要表現(xiàn):邊、中跨箱梁合龍段底板存在橫向及縱向裂縫;邊、中跨箱梁腹板厚度漸變段存在斜向裂縫;邊跨箱梁合龍段底板存在不同程度空鼓及崩裂現(xiàn)象。結(jié)合平面有限元程序SCDS和空間有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，模擬橋梁實(shí)際通行荷載，分析預(yù)應(yīng)力偏差對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，研究結(jié)論驗(yàn)證了橋梁病害產(chǎn)生的原因。在箱梁內(nèi)部采取主動(dòng)施加體外預(yù)應(yīng)力以及腹板內(nèi)、外側(cè)粘貼鋼板等措施對(duì)結(jié)構(gòu)予以補(bǔ)強(qiáng)。最后通過(guò)成橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)及運(yùn)營(yíng)情況驗(yàn)證了大橋加固計(jì)算分析準(zhǔn)確，加固措施有效，滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫有限元程序體外預(yù)應(yīng)力粘貼鋼板加固計(jì)算

1　工程概況

徐州一京杭運(yùn)河橋?yàn)?62 + 100 + 62)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，截面為單箱單室。頂板寬12.75 m，底板寬6 m，支點(diǎn)附近截面高5.8 m，跨中合龍段截面高2.5 m，梁底按1.8次拋物線變化。

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主橋存在嚴(yán)重病害:底板橫向、縱向裂縫，腹板斜向、豎向裂縫，頂板縱向裂縫，橫隔板斜向裂縫;混凝土破損露筋，箱內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨頭處預(yù)應(yīng)力筋外露;底板裂縫附近存在不同程度的空鼓現(xiàn)象。主橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為4類。橋梁總體布置(1/2結(jié)構(gòu))如圖1所示。

圖1　橋梁總體布置(1/2結(jié)構(gòu))(單位:cm)

2　橋梁病害分析

2.1實(shí)際橋梁通行荷載

2.1.1交通調(diào)查

大橋所在道路車輛超限、超重現(xiàn)象十分嚴(yán)重，導(dǎo)致梁體應(yīng)力過(guò)大。車輛超載是直接導(dǎo)致底板橫向開(kāi)裂、腹板縱向開(kāi)裂最主要的原因，并加快了結(jié)構(gòu)的下?lián)稀?/p>

1)通行車輛數(shù)量及類型

2014年3月15日，調(diào)查時(shí)間段取9:00～19:30，主要記錄以下車型:小汽車、大客車、雙軸卡車、三軸卡車、四軸卡車、五軸掛車、六軸掛車。調(diào)查結(jié)果表明砂石車和罐車所占比例較大，罐車主要以運(yùn)輸商品混凝土、水泥、粉煤灰為主。

2)通行特點(diǎn)

砂石車、罐車、商品混凝土運(yùn)輸車、水泥、粉煤灰運(yùn)輸車主要集中在18:00以后過(guò)橋，在18:48開(kāi)始有一列5輛運(yùn)輸碎石的車隊(duì)過(guò)橋，每一輛車均為六軸掛車。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，運(yùn)輸碎石的六軸掛車重量約210～230 t。

2.1.2超載車隊(duì)模擬

通行車輛主要為重型貨車，按照三軸卡車30 t考慮。車隊(duì)中還包括五軸掛車，不超載時(shí)按照規(guī)范55 t考慮，超載時(shí)按照110 t考慮。對(duì)于運(yùn)輸鋼材及砂石六軸掛車按照實(shí)測(cè)值220 t考慮。車輛荷載示意如圖2，通行車隊(duì)布置示意如圖3。

圖2　車輛荷載示意(荷載:kN;距離:m)

圖3　通行車隊(duì)布置示意(荷載:kN;距離:m)

2.2縱向預(yù)應(yīng)力損失

主橋運(yùn)行不到4年，左、右幅橋跨中高程相對(duì)設(shè)計(jì)值分別下?lián)?.4，3.7 cm。說(shuō)明橋梁在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，主梁內(nèi)部有效預(yù)應(yīng)力值低于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致橋梁建成初期下?lián)现递^大。預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主跨跨中撓度的影響見(jiàn)表1?？紤]施工測(cè)量誤差因素，預(yù)應(yīng)力損失暫時(shí)按10%考慮。

表1　預(yù)應(yīng)力損失對(duì)主跨跨中撓度的影響

2.3豎向預(yù)應(yīng)力損失

實(shí)際施工過(guò)程中，由于受鋼筋回縮、錨具變形等因素的影響，施工質(zhì)量往往達(dá)不到技術(shù)要求，豎向預(yù)應(yīng)力損失較大，暫時(shí)按全部損失考慮。

2.4平面有限元計(jì)算(SCDS)

在恒載(結(jié)構(gòu)自重+縱向預(yù)應(yīng)力損失10% +豎向預(yù)應(yīng)力全部損失)+超載車隊(duì)+溫度荷載組合作用下，分別對(duì)主橋箱梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行檢算。其中，3種超載車隊(duì)分別代表3種荷載工況。

1)實(shí)際通行荷載超載系數(shù)

3種超載車隊(duì)作用下主橋邊跨、中跨產(chǎn)生的最大彎矩與原設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值為實(shí)際通行車輛荷載超載系數(shù)。車隊(duì)1、車隊(duì)2和車隊(duì)3實(shí)際通行荷載超載系數(shù)分別為1.3，1.9，2.0。

2)承載能力極限狀態(tài)檢算

計(jì)算主橋箱梁正截面抗彎承載能力安全系數(shù)。在工況1作用下＞1，滿足要求，在工況2與工況3作用下均＜1，不滿足規(guī)范要求。斜截面抗剪承載能力最小安全系數(shù)為1。

3)正常使用極限狀態(tài)檢算

正截面抗裂檢算。在工況1作用下，邊、中跨12#，13#塊及合龍段附近截面混凝土均出現(xiàn)拉應(yīng)力;在工況2、工況3作用下，邊、中跨11#～13#塊及合龍段附近截面混凝土均出現(xiàn)拉應(yīng)力。不滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件規(guī)范要求，部分截面不能滿足A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求。

斜截面抗裂檢算。在工況1作用下，中跨9#～11#塊附近截面(腹板厚度漸變段)出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力;在工況2、工況3作用下，邊跨9#～10#塊、中跨8#～13#塊附近截面(腹板厚度漸變段)出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力。不滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件規(guī)范要求，部分截面不能滿足A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求。

2.5空間有限元計(jì)算(ANSYS)

采用空間有限元軟件ANSYS對(duì)主橋箱梁進(jìn)行整體及局部專項(xiàng)計(jì)算分析，整體計(jì)算結(jié)果與平面有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，局部專項(xiàng)計(jì)算結(jié)果有效補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)。

1)考慮縱向預(yù)應(yīng)力與豎向預(yù)應(yīng)力損失，在原設(shè)計(jì)荷載(公路—Ⅰ級(jí))作用下，中跨跨中底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，邊跨跨中底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備也很小，若常有超重車輛活載作用，箱梁底板下緣很容易出現(xiàn)橫橋向裂縫。8#～13#塊(腹板厚度漸變段)腹板出現(xiàn)較大的主拉應(yīng)力，腹板內(nèi)側(cè)主拉應(yīng)力大于外側(cè)，表明箱梁腹板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)斜裂縫的可能性要大于外側(cè)表面，與橋梁實(shí)際開(kāi)裂情況基本一致。

2)主橋箱梁在邊、中跨合龍段底板附近存在較多崩裂與空鼓缺陷。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力定位偏差影響進(jìn)行專項(xiàng)分析:單截面偏差，邊跨箱梁11#截面預(yù)應(yīng)力位置上浮15 cm;三截面反向偏差，11#截面向上15 cm，10#和12#截面向下10 cm。比較縱向預(yù)應(yīng)力豎向定位偏差與原設(shè)計(jì)狀態(tài)的差別，箱梁底板預(yù)應(yīng)力定位偏差時(shí)底板下表面正應(yīng)力對(duì)比曲線見(jiàn)圖4。

圖4　箱梁底板預(yù)應(yīng)力定位偏差時(shí)底板下表面正應(yīng)力對(duì)比曲線

對(duì)于11#截面而言，單截面偏差和三截面反向偏差相對(duì)于原設(shè)計(jì)應(yīng)力變化情況:縱橋向正應(yīng)力分別增大2.89，4.42 MPa;橫橋向正應(yīng)力分別增大1.52，2.55 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明:若底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束定位存在偏差，如小半徑拐點(diǎn)、節(jié)段錯(cuò)臺(tái)等，局部預(yù)應(yīng)力鋼束曲率會(huì)變大，預(yù)應(yīng)力鋼束引起的下崩力將相應(yīng)增大，造成底板應(yīng)力集中。加上縱向預(yù)應(yīng)力鋼束管道對(duì)截面的消弱，容易導(dǎo)致底板混凝土分層劈裂或局部剝落。

3　維修加固

3.1加固措施

3.1.1原結(jié)構(gòu)備用束

原結(jié)構(gòu)底板與頂板均設(shè)置備用束，其中底板備用束在邊跨布置2束，中跨布置4束，共計(jì)8束。

利用原預(yù)應(yīng)力備用束可以增加箱梁底板應(yīng)力儲(chǔ)備，提高結(jié)構(gòu)承載能力。由于原結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重病害，若啟用備用束，按照張拉控制應(yīng)力為0.5fpk= 930 MPa考慮，邊跨箱梁底板壓應(yīng)力會(huì)增加0.75 MPa，中跨增加0.53 MPa，但箱梁邊、中跨跨中底板會(huì)分別增加0.65和0.34 MPa的橫向拉應(yīng)力。另外，考慮該橋底板存在較多空鼓、縱向裂縫、混凝土崩裂等病害，特別是預(yù)應(yīng)力鋼束定位可能存在一定的偏差，若張拉備用束，很可能會(huì)再次引起底板混凝土崩裂，加重橋梁病害。故本次維修加固設(shè)計(jì)不考慮啟用備用束，采用鋼板對(duì)齒塊端部進(jìn)行密封。

3.1.2箱內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力

增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力是解決預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備不足最有效的方法:在兩側(cè)62 m邊跨箱內(nèi)各布置6束12-7φ5環(huán)氧涂層鋼鉸線體外索;100 m中跨箱內(nèi)布置8束12-7φ5環(huán)氧涂層鋼鉸線體外索，張拉控制應(yīng)力為0.6fpk，張拉力為1 870 kN。

體外預(yù)應(yīng)力鋼束利用7#墩、8#墩橫隔板以及鋼結(jié)構(gòu)支架作為轉(zhuǎn)向支點(diǎn)，在6#墩、9#墩底板厚度漸變段及7#墩、8#墩橫隔板設(shè)置錨固塊，通過(guò)植筋與端橫梁連接。

3.1.3腹板粘貼鋼板

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，邊跨8#～11#塊、中跨7#～12#塊腹板存在較大的主拉應(yīng)力，故在腹板內(nèi)側(cè)與外側(cè)粘貼一層鋼板。腹板外側(cè)為45°斜向鋼板，腹板內(nèi)側(cè)采用縱向粘貼鋼板方式加固。

3.1.4橋面鋪裝改造

原設(shè)計(jì)橋面鋪裝構(gòu)造為8 cm混凝土調(diào)平層+12 cm瀝青混凝土，總厚度為20 cm。本次維修通過(guò)減薄瀝青鋪裝層厚度從而減輕結(jié)構(gòu)恒載，鑿除原橋面鋪裝層瀝青混凝土，重新鋪裝5 cm厚SMA-13。橋面鋪裝實(shí)際減薄7 cm，單幅橋恒載減輕19.3 kN/m。

3.1.5主梁底板混凝土局部崩裂處理

維修施工前通過(guò)在邊跨合龍段底部增設(shè)臨時(shí)支點(diǎn)，布置2×2臺(tái)50 t千斤頂，總頂升力為800 kN，為整個(gè)施工過(guò)程提供可靠的安全保障。

針對(duì)輕微崩裂或空鼓部位，鑿除破損混凝土，清理干凈后采用改性環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)，在底板上、下面粘貼縱向鋼板并植入M12鋼螺桿進(jìn)行固定。針對(duì)嚴(yán)重崩裂部位，先沿橫向設(shè)置臨時(shí)槽鋼進(jìn)行固定，保證結(jié)構(gòu)安全，再仔細(xì)清理底板崩裂區(qū)域，鉆孔植筋，并將底板預(yù)應(yīng)力鋼束逐段固定，修復(fù)底層鋼筋網(wǎng)。修復(fù)完成后拆除臨時(shí)槽鋼，粘貼底板上、下面鋼板，并采用加壓方式灌注高強(qiáng)度自密實(shí)砂漿，形成整體。

3.2加固效果

3.2.1主要加固措施作用效應(yīng)

針對(duì)箱內(nèi)增加體外預(yù)應(yīng)力和橋面鋪裝減薄7 cm兩種主要加固措施對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，分析邊、中跨箱梁跨中截面撓度和底板應(yīng)力變化，以及邊、中跨箱梁腹板厚度漸變段處截面主拉應(yīng)力變化，見(jiàn)表2。

表2　主要加固措施作用效應(yīng)

3.2.2主要計(jì)算結(jié)果

維修加固設(shè)計(jì)按照恒載(結(jié)構(gòu)自重+縱向預(yù)應(yīng)力損失10% +豎向預(yù)應(yīng)力全部損失)+車輛荷載+新增體外預(yù)應(yīng)力+橋面鋪裝減薄7 cm +溫度荷載組合工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，車輛荷載為公路—Ⅰ級(jí)荷載、車隊(duì)1和車隊(duì)3荷載，分別代表3種荷載工況。

1)承載能力極限狀態(tài)檢算

對(duì)主梁正截面抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力進(jìn)行檢算，安全系數(shù)如表3和表4所示。

表3　正截面抗彎承載能力安全系數(shù)

表4　斜截面抗剪承載能力安全系數(shù)

2)正常使用極限狀態(tài)檢算

正截面抗裂檢算結(jié)果見(jiàn)表5。首先考慮結(jié)構(gòu)為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，按照短期荷載效應(yīng)組合對(duì)截面上、下緣應(yīng)力進(jìn)行檢算。若不滿足要求，再考慮結(jié)構(gòu)為A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，按照長(zhǎng)期和短期效應(yīng)組合進(jìn)行檢算。

斜截面抗裂檢算步驟同上:工況1中，斜截面滿足抗裂要求;工況2和工況3中，中跨9#塊與10#塊交界處斜截面不滿足抗裂要求，則考慮結(jié)構(gòu)為A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，按照短期荷載效應(yīng)組合進(jìn)行檢算，工況2和工況3中斜截面滿足抗裂要求。

表5　正截面抗裂檢算結(jié)果

4　建議

1)新橋設(shè)計(jì)宜結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌?，特別是資源型地區(qū)，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求下，可適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，降低橋梁社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

2)舊橋加固設(shè)計(jì)時(shí)，采用平面和空間有限元相結(jié)合的方法建模計(jì)算分析，才能充分分析病害原因，掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，并采用有效的加固措施。

3)實(shí)際施工過(guò)程中，豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉施工質(zhì)量往往達(dá)不到技術(shù)要求，加上鋼筋回縮、錨具變形等因素，預(yù)應(yīng)力損失較大，容易引起腹板出現(xiàn)斜向裂縫。建議在新橋設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮豎向預(yù)應(yīng)力筋參與結(jié)構(gòu)受力，僅按構(gòu)造要求考慮。

4)采用體外預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固的方法更能有效、直接地解決結(jié)構(gòu)抗彎不足的問(wèn)題，而采用腹板斜向粘貼鋼板加固的方法對(duì)于提高腹板抗剪承載力有顯著效果。

5)引起箱梁底板混凝土崩裂的因素有很多，而實(shí)際施工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼束管道不直、混凝土澆注不密實(shí)、底板上(下)層鋼筋網(wǎng)片內(nèi)豎向拉筋過(guò)少等現(xiàn)象較普遍，需要引起足夠重視。

5　結(jié)語(yǔ)

大橋經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的維修施工，于2015年順利通過(guò)檢測(cè)單位的靜、動(dòng)載試驗(yàn)，恢復(fù)通車，同時(shí)管養(yǎng)單位在橋頭設(shè)置限高架，加大力度查處超載車輛，確保大橋安全通行。

采用平面有限元程序SCDS并結(jié)合空間有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，模擬橋梁實(shí)際通行荷載，分析預(yù)應(yīng)力偏差對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，研究結(jié)論驗(yàn)證了橋梁病害產(chǎn)生的原因。在箱梁內(nèi)部采取主動(dòng)施加體外預(yù)應(yīng)力以及腹板內(nèi)、外側(cè)粘貼鋼板的措施對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，加固效果顯著。最后通過(guò)成橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)及運(yùn)營(yíng)情況驗(yàn)證了大橋加固計(jì)算分析準(zhǔn)確，加固措施有效，滿足規(guī)范要求。

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(責(zé)任審編鄭冰)

Calculation Study on Reinforcement of Prestressed Concrete Continuous Box Girder

DU Yuan1，2

(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China;2.China Railway Major Bridge(Nanjing)and Tunnel Inspect＆Retrofit Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210061，China)

Abstract:A bridge on Jinghang canal in Xuzhou with the main span(62 + 100 + 62)m is a variable cross-section prestressed concrete continuous box-girder.At present，there are serious diseases，the general technical condition rating of the bridge is class 4.T he main performance included:some transverse and longitudinal cracks at the bottom of the side and middle span box girder closure segments;some slant cracks on the web thickness gradient section of the side and middle span box girder;the empty drum and bursting crack at the side span box girder closure segments.Base on the plane finite element program SCDS and the space finite element program ANSYS to simulate the actual traffic load on continuous box girder，the reason of bridge disease is proved by the final research conclusion.T he structure is reinforced with the active application of external prestressing steel strand inside the box girder，the web of internal and external bonded steel plates.Finally，through a static and dynamic bridge load test and actual operation，the reinforcement calculation is proved accurate and the maintenance reinforcement measures are effective，it meets the specification requirements.

Key words:Prestressed concrete continuous box girder;Crack;Finite element program;External prestressing;Bonding steel plate;Reinforcement calculation

作者簡(jiǎn)介:杜元(1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-11-24;修回日期:2016-01-04

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0036-05

中圖分類號(hào):U445.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.09