大跨度预应力混凝土连续刚构桥损伤分析

曾 鹏

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

预应力混凝土连续刚构桥是梁式桥中可实现跨径最大的结构形式，其悬臂浇筑的施工方法、平顺的行车性、高墩跨越、整体造价适中的优势，使得该桥型得到了相当普遍的应用。我国从1988年开始从国外引进了连续刚构桥，1990年建成主跨为180 m的预应力混凝土连续刚构桥——广州洛溪大桥，其后陆续建成了一批大跨度预应力混凝土连续刚构桥。随着这些桥梁建成运营一段时间以后，问题逐渐显现出来，陆续出现了一些病害，主要表现为主梁跨中下挠和箱梁开裂(特别是箱梁腹板裂缝)，且两大病害相互伴生，相互促进和影响。这些病害的出现，轻则影响行车舒适性，重则大大降低桥梁结构的耐久性，甚至影响到桥梁安全，需要及时进行加固处理。而对既有桥梁进行损伤分析，找出最可能的桥梁真实损伤情况，是拟定合理的加固方案及评估加固效果的前提条件。

1 “参数→状态→检验”方法的步骤

该损伤分析方法其实可以看做一个迭代循环的过程，先分析出造成桥梁病害的主要因素，将这些因素归纳为计算模型中影响结果的参数，然后通过“参数→状态→检验”的多次迭代验算，以不断改变参数来计算结构状态，待某状态获得检测及荷载试验检验时，即宣告迭代结束。此时得到的状态就是病害桥梁目前状态的最接近模拟，此时的主要参数称之为损伤参数，此参数下的计算模型称之为主控模型，用于指导加固设计。该方法的基本步骤如下：

(1)原桥设计状态验算，以判定结构是否存在不正常的劣化和损伤；

(2)确定损伤分析的主要参数及其序列，损伤参数的确定需要参考类似桥梁的分析参数及学术研究情况；

(3)进行“损伤参数→结构状态”的计算分析；

(4)以检测数据和荷载试验数据为验证的依据，终止“损伤参数→结构状态”分析，确定损伤因素(或者其范围)及结构损伤状态(或者其范围)。

2 某大跨度预应力混凝土连续刚构桥的损伤分析

2.1 桥梁概况

某跨径组合为(106.6+2×160+106.6) m的预应力混凝土连续刚构桥，桥宽2×15.75 m，左右幅分修，采用JTG D60-1985《公路桥涵设计通用规范》简称《85规范》进行设计。箱梁顶板宽15.75 m，底板宽8.0 m；部段梁高8.0 m，跨中及支点梁高3.0 m，梁高按二次抛物线变化。上部结构箱梁为50号混凝土，采用纵横竖三向预应力体系，纵向和横向钢束采用1 860 MPa的φ15.24高强度低松弛钢绞线，竖向采用750 MPa的φ32精轧螺纹粗钢筋。主墩为双肢薄壁墩，墩横桥向宽8.0 m，顺桥向宽1.4 m，每肢薄壁墩采用5根φ2.0 m嵌岩群桩，承台厚3.5 m,桥梁总体布置见图1。

图1 桥梁总体布置

该桥在建成通车七年后，检测显示在边跨梁端腹板存在不同程度的斜裂缝。在第十年又连续做了两次检测，发现病害呈现出发展趋势。腹板斜裂缝长度和宽度均加大，主要分布在边跨梁端、边跨的跨中附近、中跨以跨中为中心左右各0.05L～0.25L的范围内，裂缝已延伸至顶、底板倒角部位，大部分已贯通腹板厚度，最大宽度为0.7 mm左右；跨中底板横向裂缝宽度继续增加，最大宽度为0.6 mm，部分裂缝横向贯通底板宽度，并向腹板延伸；0#块和合拢段顶板出现纵向裂缝；中跨跨中下挠，最大下挠量23 cm，桥梁总体布置见图1。

2.2 病害原因及损伤分析参数选择

2.2.1 预应力的额外损失

造成大跨度预应力混凝土连续刚构桥出现病害的主要原因之一是有效预应力不足或损失过大，造成主拉应力过大。查阅国内出现病害的几座典型大跨度预应力混凝土连续刚构桥检测和加固资料，发现普遍存在预应力施工质量较差的情况，如压浆不饱满、孔道存在着空隙；孔道预应力束锈蚀等。这些都将使得纵向钢束的有效预应力降低，造成桥梁预应力度降低。同时，在一些大跨度预应力混凝土连续刚构的设计中，桥梁纵向预应力钢束布置主要采用顶板索和底板索，腹板的弯起钢束极少，设计通过设置竖向预应力筋，来降低结构的主拉应力。但是实际情况是，竖向预应力钢束长度较短，很小的锚固变形也会使预应力损失大大增加。参考文献的研究表明，没有专门设备和严格施工控制的情况下，竖向预应力施工完成后，其有效预应力可能仅为理论值的3/4或2/3；同时，在桥梁运营过程中，由于车辆荷载长期冲击作用，精轧螺纹钢筋锚头的逐渐松动，竖向有效预应力因将进一步降低，从而使得桥梁的抗剪能力下降，主拉应力增大。

2.2.2 刚度折减

由于截面开裂，会造成桥梁的刚度下降，检测报告显示，边跨合龙段处断面在试验车作用下的挠度为12.45 mm；跨中断面在试验车作用下的挠度为15.45 mm。通过建模计算两断面处的理论挠度值，得出校验系数(试验值/计算值)，可知本桥的刚度折减范围应该在20 %～30 %间。刚度折减下的计算挠度值及校验系数见表1。

表1 刚度折减下的计算挠度值及校验系数

2.2.3 结构自重增加

检测显示，桥面的混凝土铺装厚度平均为14.1 cm，比设计的8 cm多了6 cm，增加的铺装层自重会使跨中下挠25.4 mm，而引起的收缩徐变又使跨中下挠44.2 mm，合计25.4+44.2=69.6 mm。而桥梁跨中下挠会加剧箱梁的开裂，从而引起箱梁下缘的混凝土失效，造成箱梁形心轴上移，又会进一步加重箱梁的下挠。加上混凝土实际的收缩徐变可能比原设计更大，造成跨中底板下缘混凝土的应力储备减少，进一步使底板产生横向裂缝。跨中底板混凝土开裂与跨中下挠两者间互相作用，使得下挠进一步加剧。

2.2.4 梯度温度的影响

原桥采用《85规范》进行设计的，而梯度温度对桥梁应力影响较大。按TJG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》以下简称《04规范》梯度温度与原设计《85规范》的顶板升温工况进行对比验算显示，梯度温度使上缘压应力增加4 MPa左右，上缘拉应力增加2.6 MPa左右；下缘压应力增加0.6 MPa左右，下缘拉应力增加0.4 MPa左右。温度效应下应力比较见表2。

2.3 根据选定参数进行损伤分析，得到主控模型

建立计算模型，采用实际铺装厚度和《04规范》梯度温度，对于计算模型中的纵向预应力(包括顶板和顶板)额外损失参数、竖向预应力额外损失参数、刚度折减参数进行逐级调整组合，把每一次的计算结果与实测的桥梁损伤状态进行对比分析验证，使得计算模型中的参数逐步逼近或者超越检测到的结构损伤状态。通过多次的参数迭代调整，得到最接近病害桥梁当前状态的损伤参数为：纵向预应力额外损失15 %，竖向预应力额外损失60 %，刚度整体折减22 %。此时，在边跨2个梁段主拉应力超限(最大值-3.78 MPa)，主跨跨中9个梁段下缘正应力出现拉应力(最大值-2.94 MPa)。主跨出现8个梁段主拉应力超限单元(最大值-3.15 MPa)。分析出现的超限位置及趋势与实测损伤符合度好，可能造成检测损伤状态的程度，将此模型作为主控损伤模型。

表2 温度效应下应力比较

2.4 加固设计的模型选用

通过上述损伤分析，虽然得到了病害桥梁目前状态的最接近模拟——主控模型，但由于桥梁的实际状况十分复杂，并不会完全与理论分析一致，主控模型并不能完全反映桥梁的实际状态。在加固设计时，考虑加固方案的合理性和安全性，宜采用包络设计。即以主控模型作为加固设计的基本模型，通过计算分析拟定出合适的加固方案，并用原设计状态模型作为包络设计的上限，最大损伤状态模型作为包络设计的下限，去包络验证加固方案的安全性。

通过2.3条的损伤分析，可以得到本桥超越结构病害状态的最大损伤状态模型的参数：纵向预应力额外损失20 %、竖向预应力额外损失80 %，刚度整体折减30 %。此状态下，边跨2个梁段主拉应力超限(超过最大值-4.04 MPa)，主跨跨中11个梁段下缘正应力出现拉应力(超过最大值-3.81 MPa)。主跨出现多个梁段主拉应力超限单元(最大值-4.84 MPa)。分析出现的超限位置与实测损伤符合好，但可能造成的损伤要明显大于检测得到的损伤程度。

该桥按照前述方式进行损伤分析及加固设计，加固完成后荷载试验数据与模型计算结果吻合度高。加固完成通车运营后多次检测显示，桥梁病害得到有效控制，加固效果良好。

3 结束语

采用“参数→状态→检验”迭代验算的方法进行损伤分析，即通过不断调整计算模型的参数，逐步逼近或者超越检测到的结构状态，以荷载试验和检测数据作为验证标准，确定损伤参数得到大跨度预应力混凝土连续刚构的损伤状态。该方法思路明确，过程清晰，判断、验证的依据来自客观试验数据，结果可靠。该方法为预应力连续刚构桥提供了一种模式化的损伤分析路径，同时其思路和步骤亦可为其它类型桥梁损伤分析所参考。

[1] 张方. 大跨度预应力混凝土梁桥时变性能及分析方法研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2011.

[2] 文武松. 大跨度PC连续刚构桥挠曲开裂因素研究[D].成都: 西南交通大学, 2009.

[3] 范立础. 预应力混凝土连续梁桥[M]. 北京: 人民交通出版社，1988.

[4] 张方, 钱永久, 唐继舜. 基于结构性能的PC连续刚构桥损伤分析[J]. 西南交通大学学报， 2009.