某連續剛構橋體外預應力加固后承載能力評估

張恒， 羅雷

(1.佛山市交通運輸事務中心， 廣東 佛山 528000；2.佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

由于施工過程中預應力管道定位不準確、未設計防崩鋼筋等，某新建預應力連續剛構橋張拉底板預應力時發生保護層崩裂，設計單位采用體外預應力代替部分原縱向預應力的方法進行維修加固處理。本文結合某連續剛構橋現場實測材料參數對加固后交工狀態、運營14年后狀態進行驗算，評估橋梁整體承載能力，驗證加固措施的有效性。

1 工程概況

某特大橋主橋上部結構為四跨一聯預應力混凝土連續剛構，主橋跨徑組合為(62+2×100+62) m(見圖1)。上部結構主梁為分離式單箱單室箱梁，采用縱向、豎向及橫向三向預應力體系。主橋主墩采用整體式承臺，墩身采用單薄壁分離式空心墩，過渡墩采用分離式薄壁空心墩。

圖1 某連續剛構橋橋型布置示意圖(單位：m)

主橋主跨張拉底板預應力鋼絞線M7、M8時，主跨箱梁10#～13#塊底板混凝土保護層崩裂。原因如下：1) 底板預應力管道定位不準確，豎向出現較大偏差，局部產生較大徑向力；2) 施工中沒有按設計要求布置防崩鋼筋和連接底板上下緣橫向鋼筋的系筋，底板無法實現整體受力。

為保證橋梁的質量和安全，防止后續施工中出現箱梁底板崩裂現象，設計單位對底板采取將中跨底板管道存在較大偏差的M6、M7、M8的體內索14φ15.24鋼絞線束替換為體外索19φ15.24鋼絞線束及增設橫隔板和加勁肋的措施進行加強處理。加固箱梁跨中截面預應力束布置見圖2。

圖2 跨中截面預應力束布置示意圖(單位：cm)

2 橋梁承載能力驗算

2.1 橋梁模型參數

橋梁結構混凝土和鋼絞線的力學指標分別見表1、表2。

表1 混凝土的力學指標

表2 預應力鋼絞線的力學指標

結構驗算主要考慮永久荷載(結構自重、二期恒載、加固荷載、收縮徐變、沉降)、可變荷載(汽車荷載、溫度)，荷載組合如下：組合Ⅰ為恒載+汽車荷載；組合Ⅱ為恒載+汽車荷載+溫度+基礎沉降；組合Ⅲ為恒載+掛車荷載。

2.2 計算模型

采用MIDAS/Civil 2015建立全橋桿系有限元模型(見圖3)進行驗算，全橋離散為1 567個單元、1 642個節點。邊界條件為：66#邊墩和70#邊墩設置兩個縱向水平可動支座，約束豎向位移和橫向位移；設置兩個多向活動支座，約束豎向位移。67#、68#、69#主墩為剛構墩，與梁體固結。

圖3 連續剛構橋主橋整體計算模型

2.3 交工完好狀態驗算結果

2.3.1 承載能力極限狀態驗算

該橋交工完好狀態時承載能力極限狀態荷載組合作用下主梁彎矩、剪力驗算結果見圖4、圖5，正截面抗彎、斜截面抗剪承載能力驗算結果見圖6、圖7。由圖4～7可知：在承載能力極限狀態下，全橋最大正彎矩為117 019.9 kN·m，出現在邊跨中間位置；最大負彎矩為-533 185.1 kN·m，出現在中間墩墩頂處；最小剪力為-28 204.8 kN,出現在小里程側剛構墩墩頂處；最大剪力為28 315.8 kN，出現在大里程側剛構墩墩頂處。

圖4 交工完好狀態時承載能力極限狀態下主橋主梁彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖5 交工完好狀態時承載能力極限狀態下主橋主梁剪力包絡圖(單位：kN)

圖6 交工完好狀態時承載能力極限狀態下正截面抗彎承載能力驗算結果

圖7 交工完好狀態時承載能力極限狀態下斜截面抗剪承載能力驗算結果

交工完好狀態時承載能力極限狀態下關鍵受力截面承載能力驗算結果見表3。由表3可知：主梁承載力抗彎和抗剪均滿足JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的要求。

表3 交工完好狀態時關鍵受力截面承載能力極限狀態驗算結果

2.3.2 正常使用極限狀態驗算

(1) 撓度驗算。根據JTJ 023—85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對交工完好狀態時正常使用極限狀態下橋梁結構進行驗算，結果見圖8。由圖8可知：在使用階段車道荷載作用下全橋產生的最大豎向撓度為18 mm,考慮撓度長期增長系數(對于C50混凝土，撓度長期增長系數為1.43)的長期撓度為18×1.43=26 mm<規范限值100 m/600=167 mm。

圖8 車道載荷作用下主梁下撓變形圖(單位：mm)

(2) 荷載組合Ⅰ應力驗算。荷載組合Ⅰ作用下截面上下緣正應力及主應力驗算結果見表4，均滿足規范要求。

(3) 荷載組合Ⅱ應力驗算。荷載組合Ⅱ作用下截面上下緣正應力及主應力驗算結果見表5，均滿足規范要求。

(4) 荷載組合Ⅲ應力驗算。荷載組合Ⅲ作用下截面上下緣正應力及主應力驗算結果見表6，均滿足規范要求。

表4 荷載組合Ⅰ作用下應力驗算結果 MPa

表5 荷載組合Ⅱ作用下應力驗算結果 MPa

表6 荷載組合Ⅲ作用下應力驗算結果 MPa

綜上，在承載能力極限狀態下，橋梁主橋連續剛構正截面抗彎及斜截面抗剪均滿足規范要求，承載力滿足要求；在正常使用極限狀態荷載組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ作用下，橋梁主橋連續剛構截面上下緣正應力、主拉應力、主壓應力均滿足規范要求，撓度變形滿足規范要求。

2.4 當前狀況驗算結果

根據JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》，配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態根據橋梁檢測結果按下式進行計算評定：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

式中：γ0為結構的重要性系數；S為荷載效應函數；R(·)為抗力效應函數；fd為材料強度設計值；ξc為配筋混凝土結構的截面折減系數；αdc為構件混凝土幾何參數值；ξs為鋼筋的截面折減系數；αds為構件鋼筋幾何參數值；Z1為承載能力驗算系數；ξe為承載能力惡化系數。

2.4.1 驗算系數的確定

該橋經過體外預應力加固并運營14年后，橋梁結構現場檢測結果見表7～11。

表7 主橋承載能力驗算系數評定標度D

表8 主橋承載能力惡化系數評定標度E

表9 主橋構件截面損傷的評定R

表10 主橋鋼筋截面折減系數ξc

表11 橋梁活載修正系數

2.4.2 承載能力驗算評定結果

根據JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》進行結構承載能力驗算，結果顯示：當前技術狀況下主橋主梁抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力均滿足規范要求(見表12)。

表12 當前技術狀況下主橋主梁承載能力驗算結果

3 結論

該連續剛構橋在經過體外預應力加固并運營14年后，雖然橋梁結構主要材質狀況出現一定程度缺損和退化后，但橋梁結構承載能力仍然滿足原設計規范要求。承載能力極限狀態下，主橋正截面抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力均大于作用組合，滿足原設計規范要求；正常使用極限狀態下，主橋正應力、主應力均小于規范限值，主跨最大撓度小于規范限值，滿足原設計規范要求。