预应力混凝土连续箱梁加固计算研究

杜　元(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉　430050;2.中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏南京　210061)



预应力混凝土连续箱梁加固计算研究

杜元1，2
(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050;2.中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏南京210061)

摘要:徐州一京杭运河桥为变截面预应力混凝土连续箱梁，目前存在较严重病害，桥梁总体技术状况等级评定为4类，主要表现:边、中跨箱梁合龙段底板存在横向及纵向裂缝;边、中跨箱梁腹板厚度渐变段存在斜向裂缝;边跨箱梁合龙段底板存在不同程度空鼓及崩裂现象。结合平面有限元程序SCDS和空间有限元软件ANSYS进行计算分析，模拟桥梁实际通行荷载，分析预应力偏差对结构受力的影响，研究结论验证了桥梁病害产生的原因。在箱梁内部采取主动施加体外预应力以及腹板内、外侧粘贴钢板等措施对结构予以补强。最后通过成桥静、动载试验及运营情况验证了大桥加固计算分析准确，加固措施有效，满足规范要求。

关键词:预应力混凝土连续箱梁裂缝有限元程序体外预应力粘贴钢板加固计算

1　工程概况

徐州一京杭运河桥为(62 + 100 + 62)m变截面预应力混凝土箱梁，截面为单箱单室。顶板宽12.75 m，底板宽6 m，支点附近截面高5.8 m，跨中合龙段截面高2.5 m，梁底按1.8次抛物线变化。

经检测发现主桥存在严重病害:底板横向、纵向裂缝，腹板斜向、竖向裂缝，顶板纵向裂缝，横隔板斜向裂缝;混凝土破损露筋，箱内预应力锚头处预应力筋外露;底板裂缝附近存在不同程度的空鼓现象。主桥总体技术状况等级评定为4类。桥梁总体布置(1/2结构)如图1所示。

图1　桥梁总体布置(1/2结构)(单位:cm)

2　桥梁病害分析

2.1实际桥梁通行荷载

2.1.1交通调查

大桥所在道路车辆超限、超重现象十分严重，导致梁体应力过大。车辆超载是直接导致底板横向开裂、腹板纵向开裂最主要的原因，并加快了结构的下挠。

1)通行车辆数量及类型

2014年3月15日，调查时间段取9:00～19:30，主要记录以下车型:小汽车、大客车、双轴卡车、三轴卡车、四轴卡车、五轴挂车、六轴挂车。调查结果表明砂石车和罐车所占比例较大，罐车主要以运输商品混凝土、水泥、粉煤灰为主。

2)通行特点

砂石车、罐车、商品混凝土运输车、水泥、粉煤灰运输车主要集中在18:00以后过桥，在18:48开始有一列5辆运输碎石的车队过桥，每一辆车均为六轴挂车。根据检测报告，运输碎石的六轴挂车重量约210～230 t。

2.1.2超载车队模拟

通行车辆主要为重型货车，按照三轴卡车30 t考虑。车队中还包括五轴挂车，不超载时按照规范55 t考虑，超载时按照110 t考虑。对于运输钢材及砂石六轴挂车按照实测值220 t考虑。车辆荷载示意如图2，通行车队布置示意如图3。

图2　车辆荷载示意(荷载:kN;距离:m)

图3　通行车队布置示意(荷载:kN;距离:m)

2.2纵向预应力损失

主桥运行不到4年，左、右幅桥跨中高程相对设计值分别下挠3.4，3.7 cm。说明桥梁在后期运营过程中，主梁内部有效预应力值低于设计值，导致桥梁建成初期下挠值较大。预应力损失对主跨跨中挠度的影响见表1。考虑施工测量误差因素，预应力损失暂时按10%考虑。

表1　预应力损失对主跨跨中挠度的影响

2.3竖向预应力损失

实际施工过程中，由于受钢筋回缩、锚具变形等因素的影响，施工质量往往达不到技术要求，竖向预应力损失较大，暂时按全部损失考虑。

2.4平面有限元计算(SCDS)

在恒载(结构自重+纵向预应力损失10% +竖向预应力全部损失)+超载车队+温度荷载组合作用下，分别对主桥箱梁承载能力极限状态和正常使用极限状态进行检算。其中，3种超载车队分别代表3种荷载工况。

1)实际通行荷载超载系数

3种超载车队作用下主桥边跨、中跨产生的最大弯矩与原设计荷载效应的比值为实际通行车辆荷载超载系数。车队1、车队2和车队3实际通行荷载超载系数分别为1.3，1.9，2.0。

2)承载能力极限状态检算

计算主桥箱梁正截面抗弯承载能力安全系数。在工况1作用下＞1，满足要求，在工况2与工况3作用下均＜1，不满足规范要求。斜截面抗剪承载能力最小安全系数为1。

3)正常使用极限状态检算

正截面抗裂检算。在工况1作用下，边、中跨12#，13#块及合龙段附近截面混凝土均出现拉应力;在工况2、工况3作用下，边、中跨11#～13#块及合龙段附近截面混凝土均出现拉应力。不满足全预应力混凝土构件规范要求，部分截面不能满足A类预应力构件要求。

斜截面抗裂检算。在工况1作用下，中跨9#～11#块附近截面(腹板厚度渐变段)出现较大主拉应力;在工况2、工况3作用下，边跨9#～10#块、中跨8#～13#块附近截面(腹板厚度渐变段)出现较大主拉应力。不满足全预应力混凝土构件规范要求，部分截面不能满足A类预应力构件要求。

2.5空间有限元计算(ANSYS)

采用空间有限元软件ANSYS对主桥箱梁进行整体及局部专项计算分析，整体计算结果与平面有限元计算结果基本一致，局部专项计算结果有效补充了结构的空间效应。

1)考虑纵向预应力与竖向预应力损失，在原设计荷载(公路—Ⅰ级)作用下，中跨跨中底板出现拉应力，边跨跨中底板压应力储备也很小，若常有超重车辆活载作用，箱梁底板下缘很容易出现横桥向裂缝。8#～13#块(腹板厚度渐变段)腹板出现较大的主拉应力，腹板内侧主拉应力大于外侧，表明箱梁腹板内侧出现斜裂缝的可能性要大于外侧表面，与桥梁实际开裂情况基本一致。

2)主桥箱梁在边、中跨合龙段底板附近存在较多崩裂与空鼓缺陷。结合工程经验，对纵向预应力定位偏差影响进行专项分析:单截面偏差，边跨箱梁11#截面预应力位置上浮15 cm;三截面反向偏差，11#截面向上15 cm，10#和12#截面向下10 cm。比较纵向预应力竖向定位偏差与原设计状态的差别，箱梁底板预应力定位偏差时底板下表面正应力对比曲线见图4。

图4　箱梁底板预应力定位偏差时底板下表面正应力对比曲线

对于11#截面而言，单截面偏差和三截面反向偏差相对于原设计应力变化情况:纵桥向正应力分别增大2.89，4.42 MPa;横桥向正应力分别增大1.52，2.55 MPa。

计算结果表明:若底板纵向预应力钢束定位存在偏差，如小半径拐点、节段错台等，局部预应力钢束曲率会变大，预应力钢束引起的下崩力将相应增大，造成底板应力集中。加上纵向预应力钢束管道对截面的消弱，容易导致底板混凝土分层劈裂或局部剥落。

3　维修加固

3.1加固措施

3.1.1原结构备用束

原结构底板与顶板均设置备用束，其中底板备用束在边跨布置2束，中跨布置4束，共计8束。

利用原预应力备用束可以增加箱梁底板应力储备，提高结构承载能力。由于原结构已经出现较严重病害，若启用备用束，按照张拉控制应力为0.5fpk= 930 MPa考虑，边跨箱梁底板压应力会增加0.75 MPa，中跨增加0.53 MPa，但箱梁边、中跨跨中底板会分别增加0.65和0.34 MPa的横向拉应力。另外，考虑该桥底板存在较多空鼓、纵向裂缝、混凝土崩裂等病害，特别是预应力钢束定位可能存在一定的偏差，若张拉备用束，很可能会再次引起底板混凝土崩裂，加重桥梁病害。故本次维修加固设计不考虑启用备用束，采用钢板对齿块端部进行密封。

3.1.2箱内增设体外预应力

增设体外预应力是解决预应力储备不足最有效的方法:在两侧62 m边跨箱内各布置6束12-7φ5环氧涂层钢铰线体外索;100 m中跨箱内布置8束12-7φ5环氧涂层钢铰线体外索，张拉控制应力为0.6fpk，张拉力为1 870 kN。

体外预应力钢束利用7#墩、8#墩横隔板以及钢结构支架作为转向支点，在6#墩、9#墩底板厚度渐变段及7#墩、8#墩横隔板设置锚固块，通过植筋与端横梁连接。

3.1.3腹板粘贴钢板

根据计算结果，边跨8#～11#块、中跨7#～12#块腹板存在较大的主拉应力，故在腹板内侧与外侧粘贴一层钢板。腹板外侧为45°斜向钢板，腹板内侧采用纵向粘贴钢板方式加固。

3.1.4桥面铺装改造

原设计桥面铺装构造为8 cm混凝土调平层+12 cm沥青混凝土，总厚度为20 cm。本次维修通过减薄沥青铺装层厚度从而减轻结构恒载，凿除原桥面铺装层沥青混凝土，重新铺装5 cm厚SMA-13。桥面铺装实际减薄7 cm，单幅桥恒载减轻19.3 kN/m。

3.1.5主梁底板混凝土局部崩裂处理

维修施工前通过在边跨合龙段底部增设临时支点，布置2×2台50 t千斤顶，总顶升力为800 kN，为整个施工过程提供可靠的安全保障。

针对轻微崩裂或空鼓部位，凿除破损混凝土，清理干净后采用改性环氧砂浆进行修复，在底板上、下面粘贴纵向钢板并植入M12钢螺杆进行固定。针对严重崩裂部位，先沿横向设置临时槽钢进行固定，保证结构安全，再仔细清理底板崩裂区域，钻孔植筋，并将底板预应力钢束逐段固定，修复底层钢筋网。修复完成后拆除临时槽钢，粘贴底板上、下面钢板，并采用加压方式灌注高强度自密实砂浆，形成整体。

3.2加固效果

3.2.1主要加固措施作用效应

针对箱内增加体外预应力和桥面铺装减薄7 cm两种主要加固措施对原结构进行检算，分析边、中跨箱梁跨中截面挠度和底板应力变化，以及边、中跨箱梁腹板厚度渐变段处截面主拉应力变化，见表2。

表2　主要加固措施作用效应

3.2.2主要计算结果

维修加固设计按照恒载(结构自重+纵向预应力损失10% +竖向预应力全部损失)+车辆荷载+新增体外预应力+桥面铺装减薄7 cm +温度荷载组合工况进行结构检算，车辆荷载为公路—Ⅰ级荷载、车队1和车队3荷载，分别代表3种荷载工况。

1)承载能力极限状态检算

对主梁正截面抗弯承载能力和斜截面抗剪承载能力进行检算，安全系数如表3和表4所示。

表3　正截面抗弯承载能力安全系数

表4　斜截面抗剪承载能力安全系数

2)正常使用极限状态检算

正截面抗裂检算结果见表5。首先考虑结构为全预应力构件，按照短期荷载效应组合对截面上、下缘应力进行检算。若不满足要求，再考虑结构为A类预应力构件，按照长期和短期效应组合进行检算。

斜截面抗裂检算步骤同上:工况1中，斜截面满足抗裂要求;工况2和工况3中，中跨9#块与10#块交界处斜截面不满足抗裂要求，则考虑结构为A类预应力构件，按照短期荷载效应组合进行检算，工况2和工况3中斜截面满足抗裂要求。

表5　正截面抗裂检算结果

4　建议

1)新桥设计宜结合当地交通量，特别是资源型地区，超载现象严重，在满足现行规范要求下，可适当提高结构安全储备，降低桥梁社会风险。

2)旧桥加固设计时，采用平面和空间有限元相结合的方法建模计算分析，才能充分分析病害原因，掌握结构受力状态，并采用有效的加固措施。

3)实际施工过程中，竖向预应力筋张拉施工质量往往达不到技术要求，加上钢筋回缩、锚具变形等因素，预应力损失较大，容易引起腹板出现斜向裂缝。建议在新桥设计时，不考虑竖向预应力筋参与结构受力，仅按构造要求考虑。

4)采用体外预应力主动加固的方法更能有效、直接地解决结构抗弯不足的问题，而采用腹板斜向粘贴钢板加固的方法对于提高腹板抗剪承载力有显著效果。

5)引起箱梁底板混凝土崩裂的因素有很多，而实际施工过程中预应力钢束管道不直、混凝土浇注不密实、底板上(下)层钢筋网片内竖向拉筋过少等现象较普遍，需要引起足够重视。

5　结语

大桥经过3个多月的维修施工，于2015年顺利通过检测单位的静、动载试验，恢复通车，同时管养单位在桥头设置限高架，加大力度查处超载车辆，确保大桥安全通行。

采用平面有限元程序SCDS并结合空间有限元软件ANSYS进行计算分析，模拟桥梁实际通行荷载，分析预应力偏差对结构受力的影响，研究结论验证了桥梁病害产生的原因。在箱梁内部采取主动施加体外预应力以及腹板内、外侧粘贴钢板的措施对结构补强，加固效果显著。最后通过成桥静、动载试验及运营情况验证了大桥加固计算分析准确，加固措施有效，满足规范要求。

参考文献

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(责任审编郑冰)

Calculation Study on Reinforcement of Prestressed Concrete Continuous Box Girder

DU Yuan1，2

(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance＆Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430050，China;2.China Railway Major Bridge(Nanjing)and Tunnel Inspect＆Retrofit Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210061，China)

Abstract:A bridge on Jinghang canal in Xuzhou with the main span(62 + 100 + 62)m is a variable cross-section prestressed concrete continuous box-girder.At present，there are serious diseases，the general technical condition rating of the bridge is class 4.T he main performance included:some transverse and longitudinal cracks at the bottom of the side and middle span box girder closure segments;some slant cracks on the web thickness gradient section of the side and middle span box girder;the empty drum and bursting crack at the side span box girder closure segments.Base on the plane finite element program SCDS and the space finite element program ANSYS to simulate the actual traffic load on continuous box girder，the reason of bridge disease is proved by the final research conclusion.T he structure is reinforced with the active application of external prestressing steel strand inside the box girder，the web of internal and external bonded steel plates.Finally，through a static and dynamic bridge load test and actual operation，the reinforcement calculation is proved accurate and the maintenance reinforcement measures are effective，it meets the specification requirements.

Key words:Prestressed concrete continuous box girder;Crack;Finite element program;External prestressing;Bonding steel plate;Reinforcement calculation

作者简介:杜元(1983—)，男，工程师，硕士。

收稿日期:2015-11-24;修回日期:2016-01-04

文章编号:1003-1995(2016)03-0036-05

中图分类号:U445.7+2

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.09