預應力混凝土連續箱梁橋裂縫病害的加固方法分析

高杰

(福建船政交通職業學院， 福州350007)

預應力混凝土連續箱梁橋裂縫病害的加固方法分析

高杰

(福建船政交通職業學院， 福州350007)

以某高速公路上三跨預應力混凝土變截面連續箱梁橋作為背景工程，針對該橋墩頂和跨中出現的大量裂縫進行機理研究，根據裂縫產生機理選擇體外布置預應力束的加固方法；應用空間桿系有限元精細化分析程序Wiseplus建立實橋的有限元模型，并且對體外布置預應力束進行模擬，有限元分析中荷載考慮了正應力標準組合，組合值包括恒載、車輛活載、混凝土的徐變、整體溫度場、梯度溫度場以及基礎沉降產生的附加內力。通過有限元計算分析，對比了加固前和加固后的梁體的各項應力指標，分析表明，加固方法能夠較顯著的提高該橋墩頂和跨中的壓應力儲備，對于針對性的病害具有良好的處理效果。

預應力變截面連續箱梁；裂縫；有限元模型；體外預應力；加固分析

引言

連續梁橋針對不同的病害[1]，常用的加固方法有：施加體外預應力[2-5]、增大截面[6]、粘貼鋼板[7]、粘貼纖維復合材料[8]或增設豎向預應力[9]等方法，其中體外預應力加固技術是一種主動加固方法[10-12]，能夠推遲裂縫出現和限制裂縫發展，提高結構剛度和承載力，從而恢復橋梁的正常運營能力[13-15]。本文以某高速公路上三跨預應力混凝土變截面連續箱梁橋為背景工程，通過橋梁檢測，該橋墩頂和跨中位置出現的大量裂縫，采用體外束布置對梁體進行加固，通過建立橋梁模型的空間有限元模型，對比分析了加固模型在加固前和加固后的應力情況，對大橋的加固維修效果進行評估。

1背景工程

1.1工程概況

背景工程為某高速公路上的跨線橋工程。主橋采用跨徑為45 m+80 m+45 m的三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，采用對稱懸臂施工方法。橋型布置如圖1所示，主橋上部結構為變截面預應力混凝土連續梁，按雙幅設置。箱梁梁高：跨中2.2 m，墩頂處4.6 m，邊墩梁端高2.2 m。箱梁采用單箱單室截面形式，橋梁橫斷面如圖2所示。就單幅橋而言，單幅橋箱梁懸臂長度為2.8 m，箱室底寬為7.0 m。箱梁頂板厚度0.28 m，底板厚度由主橋中墩頂的0.65 m漸變至跨中的0.25 m。腹板厚度在中橫梁兩側各18.0 m范圍內為0.8 m，向中跨及邊跨各12.0 m范圍內由0.8 m漸變至0.45 m，跨中段腹板厚0.45 m；端橫梁處腹板厚度由0.8 m漸變至0.45 m，變化段長度為2.72 m；箱梁頂面設置1.5%的單向橫坡，通過腹板高度變化實現。梁底下緣及底板上緣均按二次拋物線變化。

全橋設置4道橫梁，主墩處中橫梁厚度為2.0 m，邊墩處端橫梁厚1.2 m，ss15.20的鋼絞線(fpk=1860 MPa)。橋面板橫向預應力采用扁錨，豎向預應力采用精軋螺紋鋼筋。箱梁采用C50混凝土。

圖1橋型布置圖(單位：cm)

圖2橋左、右幅橫斷面圖(單位：cm)

1.2主要病害原因及其現狀

根據該橋荷載試驗檢測報告可知，本橋結構性開裂病害主要集中在左幅橋箱梁的墩頂和跨中位置：

(1)4#墩、5#墩頂處發現大量的橫向、豎向、斜向裂縫：4#墩距第3跨12.55 m至4#墩距第五跨5.8 m之間左側腹板有48條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長度均貫通翼板，有8條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.22 mm；4#墩距第3跨12.5 m至4#墩距第5跨8.5 m之間右側腹板有36條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長度均貫通翼板，有18條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.26 mm。

(2)5#墩距第4跨10.6 m至5#墩距第6跨11.5 m之間左側腹板有38條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長度均貫通翼板，有10條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.25 mm；5#墩距第4跨4.3 m至5#墩距第6跨8.0 m之間右側腹板有38條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長度均貫通翼板，有15條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.25 mm。

箱梁主要開裂病害總體展開圖如圖3所示。

圖3橋梁主要病害總體展開圖(單位：cm)

根據檢測報告提供的檢測數據分析可知：墩頂處截面翼緣板貫穿橫向裂縫是由于墩頂負彎矩處預應力不足導致，腹板裂縫是由于翼緣板裂縫延伸所致。本加固方案設計主要針對墩頂貫穿橫向裂縫和跨中橫向裂縫，目標為增加墩頂和跨中處截面的壓應力儲備，彌補預應力的不足，提高橋梁的剛度及耐久性。

2加固方法的有限元分析

2.1計算模型

采用空間桿系有限元精細化分析程序Wiseplus對該橋進行加固分析，對該橋建立“梁+板”表達的空間網格模型，全橋共建立1994個節點和3610個單元，共劃分了14道縱梁，如圖4所示。體外束通過剛臂與臨近縱梁連接施加預應力。

但是，彈一個“極弱音”很容易，困難的是彈一組連續的“極弱音”，因為一連串質地類似的“極弱音”要求我們在彈奏每一個音之前，都預備好相應的“慢動作”。如果在彈奏第一個音時，第二個音所需的手指沒有開始“慢動作”，那就無法彈出下一個弱音，或只能以極慢的速度彈奏下一個弱音。

圖4截面劃分及其有限元模型示意圖

加固用體外束布置形式為：中墩距墩頂5 m、6.75 m、8.5 m、23 m、27 m和31 m范圍內于箱梁頂板上方3 cm處各依次布置3-3-3-2-2-2根3-φs15.2預應力鋼絞線，張拉控制應力為1116 MPa；通長體外束在箱梁兩側各布置2根12-φs15.2預應力鋼絞線，張拉控制應力為1116 MPa。

2.2計算參數

支座邊界條件：按實際支座約束模擬。收縮徐變：混凝土徐變時間考慮3年，加載齡期取7天，濕度取80%。整體溫度：因溫度變化引起的附加內力按降溫15 ℃、升溫10 ℃計算。梯度溫度：按JTGD60-2015規范定義溫度場，取瀝青混凝土鋪裝層厚8 cm。基礎變位：橋墩沉降對上部結構產生的附加內力按邊墩0.5 cm、中墩1 cm計算?；钶d：城市-A級，不計人群，三車道加載，沖擊系數取0.05，按影響面加載。

2.3加固標準

根據檢查發現的各種病害和橋跨結構特點，進行維修加固設計，主要目的和基本思路為：

(1)彌補原結構體內鋼絞線的預應力不足或損失。

(2)增加主梁縱橋向的正應力儲備。

(3)避免對原結構造成新的損傷。

通過橋梁的精細化計算分析，綜合考慮橋梁各項應力指標后，確定加固后(考慮墩頂彎束的損失)墩頂壓應力儲備較原設計增加約1 MPa，跨中壓應力儲備增加2～3 MPa。

2.4計算結果分析

取底板5，頂板7，腹板3加固前和加固后計算結果對比如圖5所示，圖5中結果為考慮恒載+活載+徐變+整體溫度+梯度溫度+基礎沉降的正應力標準組合值。圖5中，彈性組合1為考慮車道荷載的標準組合，用于腹板和底板計算；彈性組合2為考慮車輛荷載的標準組合，用于頂板計算。

由圖5可知，縱梁7為墩頂束連接縱梁，加固前應力在-16.5 MPa～4.15 MPa之間，加固后除體外束張拉端應力集中區域外縱梁大部分區域應力在-22.87 MPa～3.894 MPa之間；縱梁3為通長體外束連接縱梁，加固后各區域壓應力儲備增加2～3 MPa；其他各縱梁加固后應力均有一定程度的改善。

3加固效果綜合分析

根據空間網格模型的精細化分析結果，可得出各模型下標準組合應力，見表1。

圖5標準組合正應力

表1各模型標準組合應力值

由表1分析數據可知，采用本文提出的體外預應力加固方案后，得到加固效果及建議如下：

(1)考慮原墩頂預應力不足，墩頂壓應力儲備減小1.575 MPa～2.337 MPa，跨中壓應力儲備基本不變。

(2)加固后，較原設計墩頂壓應力儲備增加2.318 MPa～2.508 MPa，跨中壓應力儲備增加2.838 MPa～2.855 MPa。

(3)若考慮原墩頂預應力張拉不到位而減小的壓應力儲備，在原設計應力水平下，體外束加固后墩頂壓應力儲備增加0.127 MPa～0.923 MPa、跨中壓應力儲備增加2.262 MPa～2.276MPa。

(4)施工要嚴格按照加固設計圖紙進行，否則難以達到優良的加固效果。

(5)橋梁運營要嚴格限制超載，以防裂縫的再次發生。

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The Reinforcement Method Analysis of Cracks of the Prestressed Concrete Continuous Box Girder Bridge

GAOJie

(Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

Taking three span prestressed concrete continuous box girder bridge with variable cross section in a highway as the background, the mechanism of cracks in the bridge pier top and cross was explored, and the strengthening method of the external strand was adopted according to fracture mechanism. The real bridge model was established by the fine finite element program Wiseplus, and the external strand was simulated by the finite element analysis. The combination of normal stresses was considered in the finite element analysis, including the dead load, the live load of the vehicle, the creep of concrete, the temperature field of the whole, the additional internal force generated by the gradient temperature field and the foundation settlement. The beam stress index analysis showed that the reinforcement method can significantly improve the compressive stress of the pier top and the cross. The analysis shows that the reinforcement method can significantly improve the compression stress of the bridge pier top and the cross, and has good treatment effect to the disease.

prestressed continuous box girder with variable cross section; crack；finite element model; external prestressing; reinforcement analysis

2016-11-02

福建省教育廳科技項目(JA15664)

高 杰(1966-)，男，福建平潭人，副教授、高級工程師，主要從事橋梁施工及檢測方面的研究，(E-mail)gj1966@163.com

1673-1549(2017)02-0063-05

10.11863/j.suse.2017.02.13

TU311.3

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