預應(yīng)力混凝土小箱梁橋梁加固及有限元分析

孫鵬飛

摘要 文章分析了橋梁加固方法，對比了橋梁不同加固方法的優(yōu)缺點，并以A預應(yīng)力小箱梁橋為工程實例，通過ANSYS有限元分析軟件對其進行受力分析：主要計算縱向受力與結(jié)構(gòu)設(shè)計承載力，然后進行對比分析；通過荷載實驗，計算梁底縱向應(yīng)力和撓度值；最后結(jié)合有限元分析和荷載實驗，分析預應(yīng)力小箱梁病害原因，選擇適應(yīng)加固方案。

關(guān)鍵詞 預應(yīng)力小箱梁橋；加固技術(shù)；有限元分析

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0069-03

0 引言

該文以A預應(yīng)力小箱梁橋作為工程案例，根據(jù)有限元分析軟件ANSYS架構(gòu)小箱梁空間板殼單元模型，由此計算箱梁橋在極限承載力狀態(tài)下對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變情形，分別進行靜載和動載實驗，分析A橋?qū)嶋H承載力與原設(shè)計沖擊系數(shù)是否合適，以此總結(jié)以預應(yīng)力小箱梁結(jié)構(gòu)特征的A橋病害產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的加固方案。

1 橋梁加固常規(guī)方法及優(yōu)缺點分析

由于起初設(shè)計載荷等級較低，不適應(yīng)目前標準和車輛載荷增加等方面的需求，需要采取措施以滿足橋梁結(jié)構(gòu)承載力要求。總結(jié)橋梁加固的方法，發(fā)現(xiàn)工程上主要采用內(nèi)在措施和外在措施對橋梁加固改造[1-4]。國內(nèi)常規(guī)加固方法及優(yōu)缺點分析見表1。

2 有限元分析模型

2.1 工程概況

某工程A小箱梁橋梁設(shè)計荷載汽-20，橋梁長度2.0 km，預應(yīng)力混凝土小箱梁作為主梁結(jié)構(gòu)，下部的橋墩結(jié)構(gòu)是空心薄壁箱型，墩寬1.56 m。現(xiàn)狀橋梁設(shè)計施工較早，建成通車年數(shù)久，病害多。主要病害列舉如下：

（1）該橋梁表面損害嚴重，存在大范圍的混凝土剝落現(xiàn)象和橋梁滲水、漏水現(xiàn)象。

（2）由于橋梁滲水導致橋梁端頭和橋墩一直處于泡水狀態(tài)，造成水損害，引起混凝土的大面積脫落，致使鋼筋裸露產(chǎn)生銹蝕，結(jié)構(gòu)承載力降低。

（3）該橋箱體高度為1.2 m，橋下凈空受限，由于車輛撞擊造成破損嚴重。

2.2 計算模型

采用橫向分布系數(shù)，將橋梁三維空間模型問題轉(zhuǎn)化為平面模型問題。該文應(yīng)用受力分析軟件ANSYS程序建立三維立體模型，應(yīng)用橫向分布系數(shù)對預應(yīng)力混凝土小箱梁進行模擬分析計算。有限元分析模型如圖1所示。

3 試驗分析

3.1 靜載試驗

對試驗段梁進行選取時，選擇較好的梁進行相關(guān)試驗，明確各測點，詳細分布點位如圖2所示。

采取有限元分析模型計算得到內(nèi)力值、變形值與荷載試驗結(jié)果比對，主梁應(yīng)力和撓度比較見表2。

由表2可得出該橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較小，梁底的應(yīng)力實測值和撓度實測值均大于理論計算值，這表明跨中梁底在靜止荷載下產(chǎn)生的實際作用效果會導致裂縫，同時經(jīng)現(xiàn)場狀況核查，橋面板亦有開裂現(xiàn)象，裂縫延展會不利于橋梁結(jié)構(gòu)的使用耐久性，需對橋梁進行必要的加固。

3.2 動載試驗

采取標準載重為30 t的車輛，分別以行駛速度5 km/h、

10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h行駛于橋梁，測試箱梁底部動撓度和動應(yīng)變得到的沖擊系數(shù)見表3。

由表3數(shù)據(jù)可知，在載重30 t車輛低于40 km/h行駛速度下的橋梁沖擊系數(shù)均能滿足工程相關(guān)要求，同時表明隨著車輛行駛速度的增加，橋梁沖擊系數(shù)也隨之增加，因而應(yīng)重視車輛速度對沖擊系數(shù)這一指標的影響。

4 具體加固方案

根據(jù)以上試驗研究分析，該預應(yīng)力混凝土小箱梁產(chǎn)生裂縫病害的原因是由于橋梁橫向剛度和橋面板承載力不足。結(jié)合病害原因，根據(jù)前文橋梁加固方法，得到以下加固方案：

方案一：在主梁間加設(shè)橫隔板，增強橫向結(jié)構(gòu)聯(lián)系，以此來提高小箱梁結(jié)構(gòu)的橫向剛度，提升整體的穩(wěn)定性能。

方案二：同時在主梁和縱梁中加設(shè)橫隔板。方案一只考慮主梁設(shè)置，該方案將導致腹板產(chǎn)生較大受力，對腹板的不利影響不言而喻，因此，考慮該影響應(yīng)對縱梁也設(shè)置橫隔板。

方案三：在主梁間設(shè)置斜支撐。一是由于采取方案一會破壞主梁腹板，二是采取方案二，多處設(shè)置橫隔板會加大橋梁自重，因而考慮采用該方案三加設(shè)斜向支撐加強橫向剛度。

方案四：對橋梁面板進行加厚。經(jīng)現(xiàn)場觀測和前述受力分析，老橋的橋面板結(jié)構(gòu)承載力不足，可對其進行加厚處理達到加固目的。

對方案一和方案二的加固方案進行比較，以是否位于橋梁腹板施加橫梁結(jié)構(gòu)對比分析其正向應(yīng)力和主拉應(yīng)力，從而分析兩種橫隔板設(shè)置方案對小箱梁的加固有無效果，是否方案二同時位于縱梁處加設(shè)橫隔板要優(yōu)于方案一。

根據(jù)圖3～4分析可知，加橫梁的橋梁受力效果明顯改善。梁中加橫梁后，腹板正應(yīng)力減少，最大減少比例為15%，另外腹板主拉應(yīng)力也相應(yīng)減少，降低比例為21%。這表明小箱梁位于主梁和縱梁之間均設(shè)置橫梁其加固效果更佳。

根據(jù)圖5分析可知，將方案三和方案一進行分析對比，即確定加設(shè)斜撐和加設(shè)橫隔板何種方案更優(yōu)。從圖5得知在直接荷載下加設(shè)橫梁和加設(shè)斜撐，最大的撓度值相差百分比為1.3%。在荷載作用情況下加設(shè)橫梁和加設(shè)斜撐，最大的撓度值百分比相差為2%。兩種工況情況下的梁底撓度值基本重疊，相差無幾，由此分析可知，設(shè)置斜向支撐和設(shè)置橫隔板基本等效，而僅設(shè)置斜撐相比而言可大幅降低橋梁自重，該方案可取代橫梁提高小箱梁橫向高度，加固效果更好。

5 結(jié)論

該文通過對比研究各類橋梁加固方案的優(yōu)缺點，再結(jié)合有限元分析對預應(yīng)力混凝土小箱梁進行荷載檢測實驗。通過以上手段得到橋梁裂縫病害原因，并針對該類病害，提出針對性的加固措施。主要研究結(jié)論如下：

（1）經(jīng)過基于橫向分布系數(shù)下的ANSYS分析計算結(jié)果，箱梁結(jié)構(gòu)極限承載力大于縱向應(yīng)力，因而縱向受力滿足需求。

（2）梁底的應(yīng)力實測值和撓度實測值均大于理論計算值，由此表明跨中梁底在靜止荷載下產(chǎn)生的實際作用效果會導致裂縫。

（3）隨著車輛行駛速度的增加，橋梁沖擊系數(shù)也隨之增加，因而應(yīng)重視車輛速度對沖擊系數(shù)這一指標的影響。

（4）基于前文橋梁加固方案比選，并對小箱梁橫隔梁和斜撐方案進行力學變形分析，得到采取斜撐的方法可以有效增加結(jié)構(gòu)橫向剛度、減少橋梁自重，因而采取該方案對小箱梁加固是適宜的。

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