受腐蝕預應力混凝土橋梁受力驗證分析

譚世君（湘西土家族苗族自治州交通規劃勘察設計院， 湖南省湘西土家族苗族自治州 416000）

受腐蝕預應力混凝土橋梁受力驗證分析

譚世君
（湘西土家族苗族自治州交通規劃勘察設計院， 湖南省湘西土家族苗族自治州 416000）

隨著預應力混凝土橋梁腐蝕狀況的不斷出現，研究其后的受力性能凸顯出重要意義。本文以某高速公路線上的實際工況為研究對象，對其簡化，進行有限元網格剖分，并進行了實際橋梁的靜載試驗，并對比分析了有限元計算結果與靜載試驗結果進行探討，且對比分析采用有限元分析方法計算值與靜載試驗得到的結果，驗證二者基本吻合，進而說明了計算分析時所做的簡化與實際情況基本符合。

預應力混凝土橋梁 腐蝕 受力驗證 有限元計算

近年來，隨著科學技術的不斷成熟，尤其是高速公路的快速發展，預應力技術在國內得到了廣泛關注及應用，其中預應力混凝土使用的耐久性問題更是引起了人們的高度重視。預應力混凝土最突出的特點就是使用周期長，耐久特性顯著，另一方面則是其制造工藝較普通混凝土復雜，各個環節都要對質量嚴格把控。考慮到預應力筋的斷面面積較小，在實際應用中發現，長期處于高壓力的狀態，其容易遭到化學物質的侵蝕從而發生應力腐蝕的情況，嚴重的甚至會造成破損或是斷裂。隨著預應力混凝土應用范圍以及使用量的逐漸擴大，在使用過程中也會出現結構破損以及安全事故的發生，且破損產生的原因也是不盡相同：錨具的質量問題、所處環境的影響、防腐措施處理不當等等。基于此，考慮到預應力混凝土使用的安全性，以及有可能造成的經濟損失，本文對預應力混凝土結構耐久特性展開探討，進行分析研究。

1 試驗概述

位于某高速公路上的的大橋采用是混凝土簡支梁，整個大橋有107孔，分布相對均勻，其中曲線段（R=1000m）80孔，直線段27孔，而采用預應力技術的橋梁的有100孔。該大橋在2000年竣工驗收投入使用，初期維護保持良好的狀態，首次出現問題是在2008年，在45孔的預應力混凝土梁出現局部破損，輕微的膨脹，其后兩年該梁體出現了嚴重混黏土脫落以及掉皮的情況，且情況還在惡化。2010年8月，檢修人員又觀察到第63孔曲線內側板筋以及鋼筋束斷裂的嚴重情況，考慮到該路段公路橋梁的重要性，該情況得到了相關部門的高度重視。現以該路段預應力混凝土結構的橋梁為例，對其力學性質進行評估，采用有限元分析的方法以及實橋靜載實驗，并把二者的結果進行對比分析。

2 實橋的簡化計算

實際情況中，車輛在橋梁上行駛時，在軌道結構上會有減載效果；且考慮到曲線段的運動性質，在運行時，軌道內外兩側所受的壓力也不相同，進而在設計模型的混凝土彈性模量要加以區分。處于對計算分析的考慮，對理論以及實驗的結果處理時進行一下簡化：1）假定每孔橋梁結構的受力作用基本相同；2）每孔橋梁的內外軌到差相同；3）不計內外梁撓度不同造成的機車偏角；4）每孔橋梁的內外梁采用相同的彈性模量。再者，考慮列車在曲線段行駛時，內外橋梁受力的特殊性，普通梁理論無法使用，故分析計算均采用空間有限元進行。

3 對實際橋梁進行有限元網格剖分與計算

3.1 有限元網格剖分

對正常梁體和腐蝕梁體進行橫向對比分析，首先二者的有限元網格劃分，有限元計算尺寸分別如下：正常梁體與腐蝕梁體做區別去理。

3.2 進行預應力鋼筋模擬

預應力混凝土結構的耐久性分析過程相對復雜，但這其中最為關鍵的地方就是分析預應力筋侵蝕的影響，也就是需要把預應力筋隔離出來進行單獨分析。在模型設計之初，采用分離式模型，就能實現預應力筋和混凝土的分離，然后根據二者力學特性的不同構建不同的單元，也在一定程度上對研究預應力混凝土結構的腐蝕耐久性有所幫助，使其更加方便快捷。出于對計算便捷性的考慮，曲線預應力筋設計將三段直線的進行簡化擬合來代替，按每片梁體布置13根預應力筋來處理，另外，在分離式模型處理上，預應力筋采用三維桁架單元，混凝土則按實體單元處理。

3.3 對實際橋梁進行有限元計算分析

（1）正常梁體。該分析模型選用了4500個實體單元，另外還包含480個預應力筋三維桁架單元，將有限元計算結果同實驗比較，結果見表1，分析驗證計算模型受力情況的正確性。

（2）腐蝕梁體。根據實際觀測的情況，腐蝕情況大多發生在預應力梁體的內梁，特別是第36孔和第52孔的內梁有尤為嚴重，出現了嚴重的破損以及混凝土脫落的情況，具有代表性，現僅以第36孔內梁進行分析，具體計算結果見表2。

通過表2中的數據我們可以準確的看出，在荷載相對固定的情況下，預應力鋼絲發生斷裂時，削弱截面內側應力與內梁跨中撓度成正相關，后者增大15%，前者相應增大26.8%。

表1 正常梁體各項應力及跨中撓度試驗值與計算值比較表

表2 病害梁體各項應力及跨中撓度試驗值與計算值比較表

對正常梁體與損傷梁體的受力進行檢測，從檢測結果可以看出，損傷梁體內側的應力明顯較大，這是由梁體受損后截面積減少造成的。

4 實際橋梁的靜載試驗

為了驗證有限元分析的正確性以及更為直觀地考察百孔大橋受腐蝕預應力梁體的受力情況，設計進行3組孔梁的靜載試驗。將第53孔作為未發生腐蝕的梁體，而第36以及第52孔作為侵蝕嚴重的梁體進行試驗。

試驗荷載采用的是典型的DF4型6軸機車，其軸的重量是230 kN。試驗的關鍵之處就在于選定輪位加載的位置，參照理論計算分析的結果，機車首個輪軸與梁端支座中心的距離最少應為6m，且為避免試驗結果的隨機性，加載需要進行2-3次循環。嚴格檢測機車的性能以及測量儀表的工作狀態，確保試驗具有好的重復性。

試驗中，為了體現試驗的對比性，根據類別不同可以設計對每孔2片梁進行測試。

5 相關結果對比分析

對比分析采用有限元方法計算得到的結果與靜載試驗得到的結果，考慮到試驗中不可避免的因素，二者基本吻合，進而說明了計算分析時所做的簡化與實際情況基本符合，采用有限元分析的方法也能較為客觀的反映實際梁體的受力情況。

5.1 跨中撓度

由表2可以得到正常梁體和受損梁體的實測撓度比和計算撓度比存在差別，分別是87%、89%，而造成這一現象的主要原因是內梁外側受損所造成的截面積減小，當然也可能是由于部分預應力鋼絲繡斷造成的。

5.2 跨中截面應力

試驗所得數據與有限元計算結果沒有出現太大偏差，表明其處于正常的受力狀態。

5.3 削弱截面應力

根據靜載試驗所得數據結果顯示， 內梁削弱截面推算至梁體下翼緣平均應力比正常梁對應位置的下翼緣應力增大約6.5 %（有限元計算4.9%）。

5.4 L/4截面應力

采用有限元分析方法計算得到的受腐蝕的梁體L/4截面應力結果是2.57MPa（靜載試驗結果是2.16MPa），與正常梁體對應位置的應力有所差別，是2.23MPa（實測是2.29MPa）；而平均剪應力基本相同，說明截面的受損不會使L/4截面應力產生明顯的偏差。

6 結語

本文以實際橋梁為研究對象，以曲線段橋梁為原型，進行簡化模擬，通過有限元計算分析以及靜載試驗，對比分析得到以下結論：

（1）對比分析采用有限元分析方法計算值與靜載試驗得到的結果，驗證二者基本吻合，進而說明了計算分析時所做的簡化與實際情況基本符合，采用有限元計算分析的方法也能較為客觀的反映實際梁體的受力情況。

（2）經過對實際路段的實際觀測以及計算分析，得到在負載長期的作用下，其截斷面下緣出現較大的拉應力，表明受損已經嚴重影響到了預應力梁體的安全性。由于此梁體處于路段的提速區間，列車的最小時速將達到100km/h，因此可以考慮采取更換該曲線段橋梁的措施，以免發生安全事故。

［1］劉椿，朱爾玉，朱曉偉.受腐蝕預應力混凝土橋梁受力檢算和試驗驗證［J］.鐵道建筑，2005，12:3-5.

［2］朱爾玉，劉椿，何立，張洪偉，謝楠.預應力混凝土橋梁腐蝕后的受力性能分析［J］.中國安全科學學報，2006，02:136-140+146.

［3］韓基剛.部分預應力混凝土梁疲勞性能試驗研究［D］.大連理工大學，2014.