受腐蚀预应力混凝土桥梁受力验证分析

谭世君（湘西土家族苗族自治州交通规划勘察设计院， 湖南省湘西土家族苗族自治州 416000）

受腐蚀预应力混凝土桥梁受力验证分析

谭世君
（湘西土家族苗族自治州交通规划勘察设计院， 湖南省湘西土家族苗族自治州 416000）

随着预应力混凝土桥梁腐蚀状况的不断出现，研究其后的受力性能凸显出重要意义。本文以某高速公路线上的实际工况为研究对象，对其简化，进行有限元网格剖分，并进行了实际桥梁的静载试验，并对比分析了有限元计算结果与静载试验结果进行探讨，且对比分析采用有限元分析方法计算值与静载试验得到的结果，验证二者基本吻合，进而说明了计算分析时所做的简化与实际情况基本符合。

预应力混凝土桥梁 腐蚀 受力验证 有限元计算

近年来，随着科学技术的不断成熟，尤其是高速公路的快速发展，预应力技术在国内得到了广泛关注及应用，其中预应力混凝土使用的耐久性问题更是引起了人们的高度重视。预应力混凝土最突出的特点就是使用周期长，耐久特性显著，另一方面则是其制造工艺较普通混凝土复杂，各个环节都要对质量严格把控。考虑到预应力筋的断面面积较小，在实际应用中发现，长期处于高压力的状态，其容易遭到化学物质的侵蚀从而发生应力腐蚀的情况，严重的甚至会造成破损或是断裂。随着预应力混凝土应用范围以及使用量的逐渐扩大，在使用过程中也会出现结构破损以及安全事故的发生，且破损产生的原因也是不尽相同：锚具的质量问题、所处环境的影响、防腐措施处理不当等等。基于此，考虑到预应力混凝土使用的安全性，以及有可能造成的经济损失，本文对预应力混凝土结构耐久特性展开探讨，进行分析研究。

1 试验概述

位于某高速公路上的的大桥采用是混凝土简支梁，整个大桥有107孔，分布相对均匀，其中曲线段（R=1000m）80孔，直线段27孔，而采用预应力技术的桥梁的有100孔。该大桥在2000年竣工验收投入使用，初期维护保持良好的状态，首次出现问题是在2008年，在45孔的预应力混凝土梁出现局部破损，轻微的膨胀，其后两年该梁体出现了严重混黏土脱落以及掉皮的情况，且情况还在恶化。2010年8月，检修人员又观察到第63孔曲线内侧板筋以及钢筋束断裂的严重情况，考虑到该路段公路桥梁的重要性，该情况得到了相关部门的高度重视。现以该路段预应力混凝土结构的桥梁为例，对其力学性质进行评估，采用有限元分析的方法以及实桥静载实验，并把二者的结果进行对比分析。

2 实桥的简化计算

实际情况中，车辆在桥梁上行驶时，在轨道结构上会有减载效果；且考虑到曲线段的运动性质，在运行时，轨道内外两侧所受的压力也不相同，进而在设计模型的混凝土弹性模量要加以区分。处于对计算分析的考虑，对理论以及实验的结果处理时进行一下简化：1）假定每孔桥梁结构的受力作用基本相同；2）每孔桥梁的内外轨到差相同；3）不计内外梁挠度不同造成的机车偏角；4）每孔桥梁的内外梁采用相同的弹性模量。再者，考虑列车在曲线段行驶时，内外桥梁受力的特殊性，普通梁理论无法使用，故分析计算均采用空间有限元进行。

3 对实际桥梁进行有限元网格剖分与计算

3.1 有限元网格剖分

对正常梁体和腐蚀梁体进行横向对比分析，首先二者的有限元网格划分，有限元计算尺寸分别如下：正常梁体与腐蚀梁体做区别去理。

3.2 进行预应力钢筋模拟

预应力混凝土结构的耐久性分析过程相对复杂，但这其中最为关键的地方就是分析预应力筋侵蚀的影响，也就是需要把预应力筋隔离出来进行单独分析。在模型设计之初，采用分离式模型，就能实现预应力筋和混凝土的分离，然后根据二者力学特性的不同构建不同的单元，也在一定程度上对研究预应力混凝土结构的腐蚀耐久性有所帮助，使其更加方便快捷。出于对计算便捷性的考虑，曲线预应力筋设计将三段直线的进行简化拟合来代替，按每片梁体布置13根预应力筋来处理，另外，在分离式模型处理上，预应力筋采用三维桁架单元，混凝土则按实体单元处理。

3.3 对实际桥梁进行有限元计算分析

（1）正常梁体。该分析模型选用了4500个实体单元，另外还包含480个预应力筋三维桁架单元，将有限元计算结果同实验比较，结果见表1，分析验证计算模型受力情况的正确性。

（2）腐蚀梁体。根据实际观测的情况，腐蚀情况大多发生在预应力梁体的内梁，特别是第36孔和第52孔的内梁有尤为严重，出现了严重的破损以及混凝土脱落的情况，具有代表性，现仅以第36孔内梁进行分析，具体计算结果见表2。

通过表2中的数据我们可以准确的看出，在荷载相对固定的情况下，预应力钢丝发生断裂时，削弱截面内侧应力与内梁跨中挠度成正相关，后者增大15%，前者相应增大26.8%。

表1 正常梁体各项应力及跨中挠度试验值与计算值比较表

表2 病害梁体各项应力及跨中挠度试验值与计算值比较表

对正常梁体与损伤梁体的受力进行检测，从检测结果可以看出，损伤梁体内侧的应力明显较大，这是由梁体受损后截面积减少造成的。

4 实际桥梁的静载试验

为了验证有限元分析的正确性以及更为直观地考察百孔大桥受腐蚀预应力梁体的受力情况，设计进行3组孔梁的静载试验。将第53孔作为未发生腐蚀的梁体，而第36以及第52孔作为侵蚀严重的梁体进行试验。

试验荷载采用的是典型的DF4型6轴机车，其轴的重量是230 kN。试验的关键之处就在于选定轮位加载的位置，参照理论计算分析的结果，机车首个轮轴与梁端支座中心的距离最少应为6m，且为避免试验结果的随机性，加载需要进行2-3次循环。严格检测机车的性能以及测量仪表的工作状态，确保试验具有好的重复性。

试验中，为了体现试验的对比性，根据类别不同可以设计对每孔2片梁进行测试。

5 相关结果对比分析

对比分析采用有限元方法计算得到的结果与静载试验得到的结果，考虑到试验中不可避免的因素，二者基本吻合，进而说明了计算分析时所做的简化与实际情况基本符合，采用有限元分析的方法也能较为客观的反映实际梁体的受力情况。

5.1 跨中挠度

由表2可以得到正常梁体和受损梁体的实测挠度比和计算挠度比存在差别，分别是87%、89%，而造成这一现象的主要原因是内梁外侧受损所造成的截面积减小，当然也可能是由于部分预应力钢丝绣断造成的。

5.2 跨中截面应力

试验所得数据与有限元计算结果没有出现太大偏差，表明其处于正常的受力状态。

5.3 削弱截面应力

根据静载试验所得数据结果显示， 内梁削弱截面推算至梁体下翼缘平均应力比正常梁对应位置的下翼缘应力增大约6.5 %（有限元计算4.9%）。

5.4 L/4截面应力

采用有限元分析方法计算得到的受腐蚀的梁体L/4截面应力结果是2.57MPa（静载试验结果是2.16MPa），与正常梁体对应位置的应力有所差别，是2.23MPa（实测是2.29MPa）；而平均剪应力基本相同，说明截面的受损不会使L/4截面应力产生明显的偏差。

6 结语

本文以实际桥梁为研究对象，以曲线段桥梁为原型，进行简化模拟，通过有限元计算分析以及静载试验，对比分析得到以下结论：

（1）对比分析采用有限元分析方法计算值与静载试验得到的结果，验证二者基本吻合，进而说明了计算分析时所做的简化与实际情况基本符合，采用有限元计算分析的方法也能较为客观的反映实际梁体的受力情况。

（2）经过对实际路段的实际观测以及计算分析，得到在负载长期的作用下，其截断面下缘出现较大的拉应力，表明受损已经严重影响到了预应力梁体的安全性。由于此梁体处于路段的提速区间，列车的最小时速将达到100km/h，因此可以考虑采取更换该曲线段桥梁的措施，以免发生安全事故。

［1］刘椿，朱尔玉，朱晓伟.受腐蚀预应力混凝土桥梁受力检算和试验验证［J］.铁道建筑，2005，12:3-5.

［2］朱尔玉，刘椿，何立，张洪伟，谢楠.预应力混凝土桥梁腐蚀后的受力性能分析［J］.中国安全科学学报，2006，02:136-140+146.

［3］韩基刚.部分预应力混凝土梁疲劳性能试验研究［D］.大连理工大学，2014.