预应力连续箱梁桥体外预应力加固实例分析

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摘要：本文依托实际工程背景，对预应力连续箱梁的病害提出相应的加固方案，并对该加固方案进行仿真计算分析。计算结果显示，当预加力为5000kN时，连续箱梁上缘压应力减小6.78%；下缘拉应力减小78.8%。结论为用体外预应力加固该桥，加固效果明显，加固方法有效。

关键字：预应力;连续箱梁;体外预应力;加固

中图分类号：TV223 文献标识码：A 文章编号：

引言

旧桥加固是保证人民生命财产安全，保证交通事业蒸蒸日上必不可少的工作。随着桥梁加固技术的发展，每一座桥梁加固方法的采用，都不会是单一的，且任何加固方法都不是万能的。加固的目的是恢复或提高桥梁的承载力，只有原结构在截面尺寸与构造方面满足一定的条件，方可实施加固。本文依托实际工程，对体外预应力的加固方法进行仿真计算分析，通过对加固前后主梁挠度及应力的计算结果分析，说明该加固方法的有效性，且该方法经济效果好，施工简单易操作。

1 工程概况

1.1 工程简介

桥体是由三跨变高度预应力混凝土连续箱梁组成，跨径布置为35m+45m+35m，桥面总宽26m，由分离的左右半幅组成。每个半幅箱宽12.5m，连续梁部分由两个分离式单箱单室箱梁组成，中间设置1m分隔带，梁高1.35~2.50m，横向设置2%横坡。设计荷载为汽车-超20、挂车-120级。主梁为C50混凝土，桥墩为C40混凝土，下部结构采用钻孔桩基础。连续梁主跨两墩的墩身为Y型桥墩，其余采用双柱式桥墩。

1.2 病害分析

该桥竣工后，发现三孔变截面预应力混凝土连续箱梁的跨中截面普遍出现裂缝。运营3年后，45m主跨跨中挠度明显加大。

1、外观检测结论如下：

（1）全桥水准测量反映该桥在无荷载作用下，相对于设计线形，中跨跨中及右边跨明显下挠，中跨跨中测点最大下挠值111.76mm。左边跨处于正常工作状态，右边跨测点最大下挠值54.64mm。

（2）对该桥主梁顶板、底板、桥墩混凝土强度进行回弹测试，碳化深度过大（≥6mm），在实测混凝土强度应高于设计混凝土强度的情况下，该桥混凝土强度低于设计值。

（3）该桥主梁顶板钢筋保护层厚度满足规范要求，主梁腹板钢筋保护层厚度不能满足规范要求。

2、静载试验结论：

（1）应变校验系数：箱梁各试验工况下应变校验系数平均值在1.1~1.5之间，不满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》规定的1.05，说明主梁强度储备不足。

（2）挠度校验系数：箱梁各试验工况下，各测试截面挠度校验系数在1.0～1.4之间，平均值在1.1～1.2之间。主梁刚度不满足要求。

3、动载试验结论：

表1-1富锋特大桥一阶、二阶频率值

桥梁一阶和二阶频率均低于理论频率值，说明该桥主梁刚度不足。

2 模型建立及加载方案

2.1 模型建立

本模型模拟预应力混凝土连续箱梁，结构计算采用大型有限元分析软件

ANSYS进行建模计算。建模尺寸按实际设计和施工1：1比例尺建立。选用整体式模型模拟钢筋混凝土，采用可以模拟开裂、压碎的solid65体单元模拟钢筋混凝土，采用link8杆单元模拟预应力钢绞线。网格划分整齐划一，密度适中，能满足求解精度要求。该模型计算采用国际单位制，即力为N、长度为m、应力为Pa。有限元模型如图2-1。

图2-1 有限元计算模型

2.2 加载方案

自重作用下主梁弯矩图，如图2-2，中跨跨中弯矩影响线，如图2-3。

图2-2 主梁弯矩图

图2-3 中跨跨中弯矩影响线

根据《公路桥涵设计通用规范》4.3.1中规定，结合主梁弯矩影响线，确定中跨跨中及边跨0.4L处最不利位置加载方案。

（1）公路一级车道荷载的均布荷载标准值为10.5kN/m；集中荷载标准值中跨为340kN；边跨为300kN；计算剪力效应时，上述集中荷载标准值乘以1.2的系数。

（2）车道荷载中的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中的峰值处。

3 计算结果分析

3.1 加固前结构计算分析

1、只考虑汽车荷载作用，中跨最不利位置加载，各截面挠度数据图表如下：

表3-1 中跨最不利荷载作用下主梁挠度（单位：cm）

图3-1 中跨最不利荷载作用下挠度曲线

由以上图表可知，该桥在中跨最不利汽车荷载作用下，中跨主梁跨中截面下挠最大，其值为0.9797cm。

2、跨中截面最不利汽车荷载作用，中跨各截面应力数据。

表3-2 汽车荷载作用下中跨各截面应力 （单位Mpa）

由表中数据可知，主梁在汽车荷载作用下，跨中截面下缘最大拉应力2.5Mpa，上缘最大压应力-1.91Mpa。

3.2 加固后结构计算分析

3.2.1 加固方案

预应力筋的布置对加固效果的影响很大，甚至关系到加固的成败。对于本文中的连续梁桥，虽然主要病害在中跨，但是，如果采用节段预应力筋，仅对中跨施加预应力，在锚固点的截面处，势必会造成主梁的一侧受拉，另一侧受压，在受拉一侧，如果预应力过大，可能会导致主梁在该截面处由于拉应力过大而破坏，从而使加固失败。鉴于此，本文中预应力筋采用全桥主梁纵向通长布筋。预应力筋的布置，根据主梁自重作用下弯矩图，按预应力筋布置在主梁受拉一侧的原则进行布筋。在弯起点通过转向板使预应力筋弯起，在弯起部位也起到了提高腹板抗剪切性能的作用。预应力筋纵向布置图，如图3-2：

图3-2 预应力筋布置图（单位：m）

3.2.2 计算结果分析

由于该桥主要病害在中跨，为了研究加固前后中跨主梁的挠度及应力变化。在模型计算中，把中跨预应力筋产生的预加力简化为两个集中力作用。计算中，通过改变预加力的大小，在跨中截面最不利荷载作用下，得到跨中截面主梁挠度与应力数值。

1.最不利荷载作用下，跨中截面挠度数据，如表3-3所示。

表3-3 跨中截面处主梁挠度（单位：cm）

由表3-3可知，加固后中跨跨中主梁挠度随预加力的增大而减小。

相对于加固前，体外预应力加固后主梁挠度降低百分比，如表3-4，图3-3所示。

表3-4 跨中挠度降低百分比

图3-3 随预加力的增大，跨中挠度改变量

有上述图表数据可知，虽然体外预应力加固，对主梁的刚度影响不大，但是体外预应力对主梁产生上挠趋势，在同样的汽车荷载作用下，加固后主梁挠度有很大改善。可见，加固方案对结构变形的恢复是有效的。

2.最不利荷载作用下，主梁跨中截面应力

在最不利荷载作用下，随预加力的改变，主梁跨中截面应力变化如表3-5中数据，其中最大主压应力在截面上缘，最大主拉应力在截面下缘。

表3-5 不同预加力作用，跨中截面应力（单位Mpa）

在汽车荷载与预加力5000kN共同作用下，中跨主梁跨中截面应力云图，如图3-4、图3-5所示：

图3-4 5000kN预加力加固，跨中截面主拉应力云图（单位pa）

图3-5 5000kN预加力加固，跨中截面主压应力云图（单位pa）

由上述表中数据及应力云图可知，由于体外预应力的施加，在同样的汽车荷载作用下，加固后跨中截面应力减小，尤其在跨中截面底板处，拉应力减小明显。当预加力为5000kN时，上缘压应力减小6.78%；下缘拉应力减小78.8%。且应力的减小量随着预加力的增大而增大。

在不同预加力下，跨中截面下缘拉应力减小比例，如表3-6，图3-6所示。

表3-6 不同预加力，同样的汽车荷载下，加固前后拉应力减小量

图3-6 主梁跨中截面下缘拉应力减小百分比

有上述图表数据可知，由于预应力的施加，使跨中截面底板受压，有效的抵抗了汽车荷载在底板产生的拉应力。由图3-6可知，预加力的施加与拉应力的减小基本呈线性变化，可以推断，当预加力为6359kN时，预加力在跨中截面下缘产生的压应力可以完全抵消汽车荷载在该截面下缘产生的拉应力。

4 结语

加固前后主桥的挠度和应力是衡量加固成败的重要指标。但由于实际刚度和非线性变形难以确定，仅能得出理论计算结果作为参照，以反映桥梁变形及应力改变趋势。结果表明，采取体外预应力加固该桥，加固效果明显，可抵抗部分汽车荷载的作用。在体外预应力加固的具体施工中，应对体外预应力筋进行分批分级张拉，在每次张拉过后，应对该桥的状态进行检测，才能进行下一次预应力筋的张拉。

参考文献：

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[4]范立础.桥梁工程.北京:人民交通出版社.2001

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