預應力混凝土梁橋加固及靜動載試驗評價研究

王 霖

(新疆交通建設集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016)

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預應力混凝土梁橋加固及靜動載試驗評價研究

王 霖

(新疆交通建設集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016)

文章根據(jù)國內(nèi)外預應力混凝土橋梁加固的研究進展，對預應力混凝土橋梁常見病害和受力特點進行分析，介紹了槽形截面封閉加固和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系加固兩種方法。同時，以一個槽型梁橋加固工程為例，利用ANSYS軟件建立有限元數(shù)學模型，研究加固后該梁橋的靜載和動載荷分情況，對加固效果進行評價。

預應力；混凝土；橋梁；加固；靜載試驗；動載試驗

0 引言

預應力混凝土槽型梁橋?qū)儆谖覈Ｒ姷臉蛄航Y(jié)構(gòu)形式，廣泛應用于40～300 m跨度內(nèi)[1]。與其他橋梁相比，預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)具有很好的跨越性和很強的結(jié)構(gòu)剛度，并且其受力合理、便于分析、施工技術(shù)成熟。但是隨著橋梁服役時間的推移，我國面臨的橋梁養(yǎng)護工作日益繁重。從混凝土槽型梁橋的使用現(xiàn)狀看，存在許多缺陷。考慮到一些地區(qū)建設資金有限，不可能對槽型梁橋進行拆除重建，因此對舊橋進行加固改造延長其使用年限十分必要。

預應力混凝土梁橋加固是采用一些方法使受損橋梁恢復其原有的技術(shù)功能，根據(jù)前人的研究進展，概況出橋梁需要加固處理有以下3種情況[2-3]：

(1)橋梁使用一段時間后，出現(xiàn)老化破損并危及安全運行；

(2)橋梁結(jié)構(gòu)沒有損傷，但是不能滿足新交通載荷需求；

(3)橋梁設計完善結(jié)構(gòu)完好，但是遇到特殊情況使載荷發(fā)生變化。

基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先對預應力混凝土橋梁常見病害和受力特點進行研究。介紹了槽形截面封閉加固和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系加固兩種方法。隨后以一個槽型梁橋為研究對象，對其實施加固處理，并利用ANSYS軟件建立有限元數(shù)學模型，重點研究加固后橋梁的靜載和動載荷分情況，對加固后的預應力混凝土槽形梁橋的加固效果進行評價。

1 常見病害及加固方法

1.1 常見病害及受力特點

工程實際中，預應力混凝土橋梁的施工一般采用分段完成，在整個施工過程中，橋梁結(jié)構(gòu)需要完成多次預應力體系轉(zhuǎn)換。研究表明，每次轉(zhuǎn)換都會對橋梁結(jié)構(gòu)帶來變形和應力分布不均。這種應力分布不均直接導致的病害就是混凝土裂縫，按照裂縫的成因不同，預應力混凝土槽型梁橋裂縫主要有：腹板斜裂縫、腹板豎向裂縫、橫向裂縫、縱向裂縫、表面龜裂等[4-5]。

預應力混凝土橋梁各片梁的截面一般認為是U形開口的，當偏心的交通載荷作用在橋梁上時，會對單片梁產(chǎn)生一個扭矩，其扭轉(zhuǎn)切應力會沿著U形槽截面形成環(huán)流。其扭轉(zhuǎn)切應力方程為：

(1)

式中：T——扭矩；

δi——第i個矩形單元的厚度；

hi——第i個矩形單元的邊長；

η——載荷效率系數(shù)。

預應力混凝土橋梁受到彎曲應力作用，U形截面右側(cè)腹板比左側(cè)腹板承受的應力值大，因此右側(cè)腹板的裂紋也就較多。這就是槽型梁橋出現(xiàn)病害的主要原因。

1.2 加固方法

由預應力混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫的原因可知，病害主要是由偏心載荷作用在槽型截面上的扭轉(zhuǎn)應力導致的。即設計時槽形截面應該選擇抗扭性好的材料，但是從設計角度出發(fā)，箱形截面的抗扭性能比U形截面好得多。因此，在對槽形梁橋進行加固時，可將槽形截面閉合形成箱型截面以提高其抗扭強度。對于閉合箱形截面，當受到偏心扭矩作用時，切應力會沿著箱形面形成環(huán)流。計算可得，在相同偏心扭矩作用下，箱形截面受到的切應力比U形截面小得多。在U形截面開口處澆筑混凝土可有效地降低截面切應力，對原有橋梁起到加固作用。

對于簡支梁，其普遍存在的問題就是跨中截面承載力較差。多跨簡支梁可以通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系進行加固，減小承重件的應力，改善橋梁性能。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系加固的力學特點是[6]：

(1)橋面鋪裝與車輛載荷由連續(xù)梁承擔，其正彎矩小于簡支梁，因此可以提高橋梁承載能力；

(2)橋面鋪裝的混凝土也會承擔一部分應力，截面的抗扭強度和整體剛度提升；

(3)將簡支梁的中間支撐改為雙支撐，降低了負彎矩。

簡支梁改造成連續(xù)性橋梁的截面設計和內(nèi)力計算十分簡單，改造后的加固效果明顯，只是施工過程中需要進行斷交處理。

2 加固橋梁的靜載和動載分析

2.1 模型建立

試驗橋梁全長804m，由南北引橋、主橋三部分組成，設計時速60km。橋梁跨徑布置為北引橋1～11孔、南引橋23～28孔上均采用預應力混凝土簡支梁，上部結(jié)構(gòu)均為20m；北引橋12～17孔、南引橋22孔上部結(jié)構(gòu)為30m、34m、35m的預應力混凝土組合箱梁；主橋長度為235m，分為4個預應力混凝土箱梁。由北至南各孔上部結(jié)構(gòu)依次是：11m×20+35m+30m+30m+35m+34m+30m+45.8m+52m+80m+57.2m+30m+6×20m，共計28個孔。

該橋梁已經(jīng)服役18年，加固前對其進行評價，發(fā)現(xiàn)橋跨的邊梁處有一些寬度<0.2mm的裂縫；主梁存在一定下?lián)希?3～15孔的橋面撓度最大；各跨梁的混凝土抗壓強度在32～37MPa之間，均小于設計強度40MPa。對13～15孔的30m、35m跨徑混凝土組合箱梁進行載荷試驗，計算并測量其撓度變化情況見表1。

表1 混凝土組合箱梁跨中撓度值表

由表1可以看出，13～15孔橋面均存在一定撓度，最大撓度值可達10.626mm，同時也可以說明計算結(jié)果偏差很大，有的點計算值與實測值的重合度達98%，但是個別點只有77%。對該橋梁進行承載力檢測試驗，發(fā)現(xiàn)其抗彎截面抗力為6 859.68kN·m，沒達到設計值7 060kN·m。說明此橋梁需要進行加固處理。

加固設計中考慮將主梁間搭板更換為澆筑混凝土橋板，使得槽形梁橋與橋面形成箱形結(jié)構(gòu)。并將三跨簡支梁的端部進行連接，將簡支梁改造成連續(xù)梁以降低彎矩。加固流程圖見圖1。

圖1 混凝土槽形梁橋加固流程圖

利用GAMBIT軟件，建立30m簡支梁加固前后的橋梁有限元數(shù)學模型，見圖2。

(a)原橋(30 m簡支架)

(b)加固后橋梁

2.2 靜載試驗分析

載荷試驗是評價橋梁性能的有效方法。利用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬，試驗車輛共有4輛，每個車重30t，前軸重6t，后軸重12t。首先進行靜載試驗，驗證設計結(jié)構(gòu)是否滿足現(xiàn)行要求。試驗位置位于第1跨跨中，截面位置為15.175m，此處的設計載荷為1 000.09kN·m，試驗得到的載荷為990.09kN·m，重合度為99%。軟件數(shù)值模擬得到其靜載荷下的應力分布情況見圖3，其中黑色部分的應力值最大。

圖3 靜載荷下的應力分布情況示意圖

在橋梁上安裝測點測量其應變情況，與數(shù)值模擬出的結(jié)果進行對比。各測點應變情況見表2。

表2 各測點應變情況表

從數(shù)值模擬和試驗測量的結(jié)果來看，加固改造后的最大應變重合度系數(shù)為0.81，符合設計規(guī)范中的強度要求。因此，加固后的預應力混凝土橋梁滿足靜載荷設計要求。

2.3 動載試驗分析

動載實驗是研究橋梁結(jié)構(gòu)自振特性和交通載荷聯(lián)振特性的重要手段。通過動載實驗可以測得車輛在移動狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)增量，得到橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動特性。其主要內(nèi)容有：橋梁結(jié)構(gòu)的受迫振動特性、動位移、沖擊系數(shù)等。本次數(shù)值模擬中的豎向二階頻率選擇5.262Hz，其振型見圖4。

圖4 豎向二階頻率振型圖

實驗選用1輛36t重的汽車，分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h6種時速在預應力混凝土橋梁上行駛。每個速度下采樣一次，如果樣本中是數(shù)據(jù)壞點較多則重新測量一次。圖5給出了車輛速度在60km/h時，橋梁第2跨跨中位的時程曲線。

圖5 60 km/h時的第2跨跨中位時程曲線圖

通過對各種速度下的時程曲線進行分析，得到各跨的沖擊系數(shù)。第1跨的最大動力沖擊系數(shù)為1.22，第2跨的最大動力沖擊系數(shù)為1.18，第3跨的最大動力沖擊系數(shù)為1.19。最大沖擊發(fā)生在第1跨，但沖擊系數(shù)為1.22，說明改造后的橋梁性能良好。通過動荷載實驗得出，加固后的預應力混凝土梁橋1號主梁的撓度值和應變值均大幅度降低，說明梁橋的加固效果十分明顯。

3 結(jié)語

研究表明，預應力混凝土梁橋的跨越能力較高，結(jié)構(gòu)剛度大。通過對預應力混凝土橋梁常見病害和受力特點進行研究，得出預應力混凝土橋梁受到彎曲應力作用，U形截面右側(cè)腹板比左側(cè)腹板承受的應力值大，因此右側(cè)腹板的裂紋也就較多。文中以一個槽型梁橋為研究對象，對其實施加固處理，并利用ANSYS軟件建立有限元數(shù)學模型進行數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

(1)采用槽形截面封閉加固方法和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系加固方法對槽型梁橋進行加固效果明顯；

(2)最大沖擊發(fā)生在第1跨，但沖擊系數(shù)為1.22，說明改造后的橋梁性能良好。

[1]何天濤.大跨徑預應力混凝土梁橋撓度研究[D].長沙：長沙理工大學，2008.

[2]張開銀，殷 亮，惠國旺.大跨徑預應力混凝土梁橋縱向預應力筋優(yōu)化布置研究[J].公路，2009(2)：1-5.

[3]汪 磊，李世安，陳孔令，等.反復荷載作用下部分預應力混凝土梁橋長期撓度計算研究[J].公路，2011(6)：56-62.

[4]許宏元，宋 寧，陳常明，等.大跨徑混凝土梁橋體外預應力加固技術(shù)[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2011(S2)：1192-1196.

[5]王法武，石雪飛.大跨徑預應力混凝土梁橋長期撓度控制研究[J].中外公路，2006(4)：107-110.

[6]黃 僑，楊大偉，李忠龍.預應力混凝土梁橋的NURBS預應力束模型研究[J].公路交通科技，2007(1)：51-54.

Prestressed Concrete Girder Bridge Reinforcement and Static and Dynamic Load Test Evaluation Research

WANG Lin

(Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830016)

Based on domestic and foreign research progress of prestressed concrete bridge reinforcement，this article analyzed the common diseases and mechanical characteristics of prestressed con-crete bridges，and introduced two methods of channel-section enclosed reinforcement and conversion architecture reinforcement.Meanwhile，with reinforcement project of a channel girder bridge as the example，it established the finite element mathematical model by using ANSYS software，studied the stat-ic and dynamic load distribution conditions of this girder bridge after reinforcement，and evaluated the reinforcement effect.

Prestressed；Concrete；Bridge；Reinforcement；Static load test；Dynamic load test

王 霖(1979—)，研究方向：公路工程施工技術(shù)與管理。

U445.7+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.014

1673-4874(2015)11-0064-04

2015-10-10