曾 鵬

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是梁式橋中可實(shí)現(xiàn)跨徑最大的結(jié)構(gòu)形式，其懸臂澆筑的施工方法、平順的行車性、高墩跨越、整體造價(jià)適中的優(yōu)勢(shì)，使得該橋型得到了相當(dāng)普遍的應(yīng)用。我國從1988年開始從國外引進(jìn)了連續(xù)剛構(gòu)橋，1990年建成主跨為180 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋——廣州洛溪大橋，其后陸續(xù)建成了一批大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。隨著這些橋梁建成運(yùn)營一段時(shí)間以后，問題逐漸顯現(xiàn)出來，陸續(xù)出現(xiàn)了一些病害，主要表現(xiàn)為主梁跨中下?lián)虾拖淞洪_裂(特別是箱梁腹板裂縫)，且兩大病害相互伴生，相互促進(jìn)和影響。這些病害的出現(xiàn)，輕則影響行車舒適性，重則大大降低橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至影響到橋梁安全，需要及時(shí)進(jìn)行加固處理。而對(duì)既有橋梁進(jìn)行損傷分析，找出最可能的橋梁真實(shí)損傷情況，是擬定合理的加固方案及評(píng)估加固效果的前提條件。

1 “參數(shù)→狀態(tài)→檢驗(yàn)”方法的步驟

該損傷分析方法其實(shí)可以看做一個(gè)迭代循環(huán)的過程，先分析出造成橋梁病害的主要因素，將這些因素歸納為計(jì)算模型中影響結(jié)果的參數(shù)，然后通過“參數(shù)→狀態(tài)→檢驗(yàn)”的多次迭代驗(yàn)算，以不斷改變參數(shù)來計(jì)算結(jié)構(gòu)狀態(tài)，待某狀態(tài)獲得檢測(cè)及荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí)，即宣告迭代結(jié)束。此時(shí)得到的狀態(tài)就是病害橋梁目前狀態(tài)的最接近模擬，此時(shí)的主要參數(shù)稱之為損傷參數(shù)，此參數(shù)下的計(jì)算模型稱之為主控模型，用于指導(dǎo)加固設(shè)計(jì)。該方法的基本步驟如下：

(1)原橋設(shè)計(jì)狀態(tài)驗(yàn)算，以判定結(jié)構(gòu)是否存在不正常的劣化和損傷；

(2)確定損傷分析的主要參數(shù)及其序列，損傷參數(shù)的確定需要參考類似橋梁的分析參數(shù)及學(xué)術(shù)研究情況；

(3)進(jìn)行“損傷參數(shù)→結(jié)構(gòu)狀態(tài)”的計(jì)算分析；

(4)以檢測(cè)數(shù)據(jù)和荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證的依據(jù)，終止“損傷參數(shù)→結(jié)構(gòu)狀態(tài)”分析，確定損傷因素(或者其范圍)及結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)(或者其范圍)。

2 某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的損傷分析

2.1 橋梁概況

某跨徑組合為(106.6+2×160+106.6) m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋?qū)?×15.75 m，左右幅分修，采用JTG D60-1985《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》簡稱《85規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。箱梁頂板寬15.75 m，底板寬8.0 m；部段梁高8.0 m，跨中及支點(diǎn)梁高3.0 m，梁高按二次拋物線變化。上部結(jié)構(gòu)箱梁為50號(hào)混凝土，采用縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向和橫向鋼束采用1 860 MPa的φ15.24高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，豎向采用750 MPa的φ32精軋螺紋粗鋼筋。主墩為雙肢薄壁墩，墩橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)?.4 m，每肢薄壁墩采用5根φ2.0 m嵌巖群樁，承臺(tái)厚3.5 m,橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置

該橋在建成通車七年后，檢測(cè)顯示在邊跨梁端腹板存在不同程度的斜裂縫。在第十年又連續(xù)做了兩次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)病害呈現(xiàn)出發(fā)展趨勢(shì)。腹板斜裂縫長度和寬度均加大，主要分布在邊跨梁端、邊跨的跨中附近、中跨以跨中為中心左右各0.05L～0.25L的范圍內(nèi)，裂縫已延伸至頂、底板倒角部位，大部分已貫通腹板厚度，最大寬度為0.7 mm左右；跨中底板橫向裂縫寬度繼續(xù)增加，最大寬度為0.6 mm，部分裂縫橫向貫通底板寬度，并向腹板延伸；0#塊和合攏段頂板出現(xiàn)縱向裂縫；中跨跨中下?lián)希畲笙聯(lián)狭?3 cm，橋梁總體布置見圖1。

2.2 病害原因及損傷分析參數(shù)選擇

2.2.1 預(yù)應(yīng)力的額外損失

造成大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)病害的主要原因之一是有效預(yù)應(yīng)力不足或損失過大，造成主拉應(yīng)力過大。查閱國內(nèi)出現(xiàn)病害的幾座典型大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋檢測(cè)和加固資料，發(fā)現(xiàn)普遍存在預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量較差的情況，如壓漿不飽滿、孔道存在著空隙；孔道預(yù)應(yīng)力束銹蝕等。這些都將使得縱向鋼束的有效預(yù)應(yīng)力降低，造成橋梁預(yù)應(yīng)力度降低。同時(shí)，在一些大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計(jì)中，橋梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置主要采用頂板索和底板索，腹板的彎起鋼束極少，設(shè)計(jì)通過設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋，來降低結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力。但是實(shí)際情況是，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束長度較短，很小的錨固變形也會(huì)使預(yù)應(yīng)力損失大大增加。參考文獻(xiàn)的研究表明，沒有專門設(shè)備和嚴(yán)格施工控制的情況下，豎向預(yù)應(yīng)力施工完成后，其有效預(yù)應(yīng)力可能僅為理論值的3/4或2/3；同時(shí)，在橋梁運(yùn)營過程中，由于車輛荷載長期沖擊作用，精軋螺紋鋼筋錨頭的逐漸松動(dòng)，豎向有效預(yù)應(yīng)力因?qū)⑦M(jìn)一步降低，從而使得橋梁的抗剪能力下降，主拉應(yīng)力增大。

2.2.2 剛度折減

由于截面開裂，會(huì)造成橋梁的剛度下降，檢測(cè)報(bào)告顯示，邊跨合龍段處斷面在試驗(yàn)車作用下的撓度為12.45 mm；跨中斷面在試驗(yàn)車作用下的撓度為15.45 mm。通過建模計(jì)算兩斷面處的理論撓度值，得出校驗(yàn)系數(shù)(試驗(yàn)值/計(jì)算值)，可知本橋的剛度折減范圍應(yīng)該在20 %～30 %間。剛度折減下的計(jì)算撓度值及校驗(yàn)系數(shù)見表1。

表1 剛度折減下的計(jì)算撓度值及校驗(yàn)系數(shù)

2.2.3 結(jié)構(gòu)自重增加

檢測(cè)顯示，橋面的混凝土鋪裝厚度平均為14.1 cm，比設(shè)計(jì)的8 cm多了6 cm，增加的鋪裝層自重會(huì)使跨中下?lián)?5.4 mm，而引起的收縮徐變又使跨中下?lián)?4.2 mm，合計(jì)25.4+44.2=69.6 mm。而橋梁跨中下?lián)蠒?huì)加劇箱梁的開裂，從而引起箱梁下緣的混凝土失效，造成箱梁形心軸上移，又會(huì)進(jìn)一步加重箱梁的下?lián)稀＜由匣炷翆?shí)際的收縮徐變可能比原設(shè)計(jì)更大，造成跨中底板下緣混凝土的應(yīng)力儲(chǔ)備減少，進(jìn)一步使底板產(chǎn)生橫向裂縫?？缰械装寤炷灵_裂與跨中下?lián)蟽烧唛g互相作用，使得下?lián)线M(jìn)一步加劇。

2.2.4 梯度溫度的影響

原橋采用《85規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而梯度溫度對(duì)橋梁應(yīng)力影響較大。按TJG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》以下簡稱《04規(guī)范》梯度溫度與原設(shè)計(jì)《85規(guī)范》的頂板升溫工況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算顯示，梯度溫度使上緣壓應(yīng)力增加4 MPa左右，上緣拉應(yīng)力增加2.6 MPa左右；下緣壓應(yīng)力增加0.6 MPa左右，下緣拉應(yīng)力增加0.4 MPa左右。溫度效應(yīng)下應(yīng)力比較見表2。

2.3 根據(jù)選定參數(shù)進(jìn)行損傷分析，得到主控模型

建立計(jì)算模型，采用實(shí)際鋪裝厚度和《04規(guī)范》梯度溫度，對(duì)于計(jì)算模型中的縱向預(yù)應(yīng)力(包括頂板和頂板)額外損失參數(shù)、豎向預(yù)應(yīng)力額外損失參數(shù)、剛度折減參數(shù)進(jìn)行逐級(jí)調(diào)整組合，把每一次的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的橋梁損傷狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，使得計(jì)算模型中的參數(shù)逐步逼近或者超越檢測(cè)到的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)。通過多次的參數(shù)迭代調(diào)整，得到最接近病害橋梁當(dāng)前狀態(tài)的損傷參數(shù)為：縱向預(yù)應(yīng)力額外損失15 %，豎向預(yù)應(yīng)力額外損失60 %，剛度整體折減22 %。此時(shí)，在邊跨2個(gè)梁段主拉應(yīng)力超限(最大值-3.78 MPa)，主跨跨中9個(gè)梁段下緣正應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力(最大值-2.94 MPa)。主跨出現(xiàn)8個(gè)梁段主拉應(yīng)力超限單元(最大值-3.15 MPa)。分析出現(xiàn)的超限位置及趨勢(shì)與實(shí)測(cè)損傷符合度好，可能造成檢測(cè)損傷狀態(tài)的程度，將此模型作為主控?fù)p傷模型。

表2 溫度效應(yīng)下應(yīng)力比較

2.4 加固設(shè)計(jì)的模型選用

通過上述損傷分析，雖然得到了病害橋梁目前狀態(tài)的最接近模擬——主控模型，但由于橋梁的實(shí)際狀況十分復(fù)雜，并不會(huì)完全與理論分析一致，主控模型并不能完全反映橋梁的實(shí)際狀態(tài)。在加固設(shè)計(jì)時(shí)，考慮加固方案的合理性和安全性，宜采用包絡(luò)設(shè)計(jì)。即以主控模型作為加固設(shè)計(jì)的基本模型，通過計(jì)算分析擬定出合適的加固方案，并用原設(shè)計(jì)狀態(tài)模型作為包絡(luò)設(shè)計(jì)的上限，最大損傷狀態(tài)模型作為包絡(luò)設(shè)計(jì)的下限，去包絡(luò)驗(yàn)證加固方案的安全性。

通過2.3條的損傷分析，可以得到本橋超越結(jié)構(gòu)病害狀態(tài)的最大損傷狀態(tài)模型的參數(shù)：縱向預(yù)應(yīng)力額外損失20 %、豎向預(yù)應(yīng)力額外損失80 %，剛度整體折減30 %。此狀態(tài)下，邊跨2個(gè)梁段主拉應(yīng)力超限(超過最大值-4.04 MPa)，主跨跨中11個(gè)梁段下緣正應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力(超過最大值-3.81 MPa)。主跨出現(xiàn)多個(gè)梁段主拉應(yīng)力超限單元(最大值-4.84 MPa)。分析出現(xiàn)的超限位置與實(shí)測(cè)損傷符合好，但可能造成的損傷要明顯大于檢測(cè)得到的損傷程度。

該橋按照前述方式進(jìn)行損傷分析及加固設(shè)計(jì)，加固完成后荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果吻合度高。加固完成通車運(yùn)營后多次檢測(cè)顯示，橋梁病害得到有效控制，加固效果良好。

3 結(jié)束語

采用“參數(shù)→狀態(tài)→檢驗(yàn)”迭代驗(yàn)算的方法進(jìn)行損傷分析，即通過不斷調(diào)整計(jì)算模型的參數(shù)，逐步逼近或者超越檢測(cè)到的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以荷載試驗(yàn)和檢測(cè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，確定損傷參數(shù)得到大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)的損傷狀態(tài)。該方法思路明確，過程清晰，判斷、驗(yàn)證的依據(jù)來自客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果可靠。該方法為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋提供了一種模式化的損傷分析路徑，同時(shí)其思路和步驟亦可為其它類型橋梁損傷分析所參考。

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