基于Midas Civil 的预应力混凝土桥梁结构承载力验算分析

张国强 惠小磊 谢 丹

（1、西安公路研究院有限公司，陕西 西安 710065 2、陕西交控市政路桥集团有限公司，陕西 西安 710065 3、陕西西公院工程试验检测有限公司，陕西 西安 710065）

随着我国基建行业的蓬勃发展，交通量实现了质的跨越，当前有许多修建较早的桥梁或多或少都存在着设计荷载的标准低、承载的能力不足、桥梁的构件出现了严重破损等问题。这些桥梁技术状况比较差、存在着许多潜在安全隐患，因此，为了进一步消减潜在的安全隐患，将公路桥梁的实际运营状态维持在稳定、高水平的条件下，就需要选用合适的加固技术来予以保障。作为一类通过附加预应力索来改善预应力缺陷问题的加固技术，体外预应力加固在我国公路桥梁工程建设中的研究目前仍处于较为初级的阶段[1，2]。因此体外预应力加固技术在我国工程实际中的应用还不成熟，依然有很长的路要走，所以未来应加强对体外预应力加固技术进行系统化、深入化和程序化的研究，从而实现体外预应力加固技术在国内的发展应用走向新的高度。

1 工程概况

本文以我国某大桥为例展开分析，该桥梁的中心桩号为K662+200，项目全长约463m，桥梁跨径采用13×35m 的设计方案，借助工厂预制、现场吊装的方式完成施工。根据设计方案可知该项目桥面设计宽度约为25.5m，其中防撞栏采用0.5m 的设计宽度，行车道采用11.25m的设计宽度；桥面铺装层选择沥青混凝土材料完成施工，沿桥梁全线共设有5 道伸缩缝。对于上部结构而言，采用箱形截面梁设计，材料为预应力混凝土，结构分为左右两幅，每幅每跨横向布置4 片预制箱梁，支座选择板式橡胶支座。对于下部结构而言，桥台设计以多柱框架式为主；空心板以及桥台、墩柱、盖梁所用混凝土的设计强度分别为C50、C40；支座选择板式橡胶支座。

计算K662+200 某大桥承载能力，确定桥梁加固方案。上部结构的计算参照相关规范及其他我院其他同类型建成桥梁项目；本文采用Midas Civil 有限元分析软件完成上部结构的承载能力验算，验算过程以A 类预应力混凝土结构为标准。试算预应力损失来模拟主梁开裂，计算现场检测状况下桥梁结构的承载能力，拟定初步加固方案。

2 结构承载力计算

2.1 地质水文条件

本文所选择的工程桥址区地震基本烈度为Ⅶ度。现场地质条件较为复杂，其中部分基坑中存在一定厚度的淤泥质粉质黏土层，其力学性质相对较差，因此在计算的时候土质为淤泥质粉质黏土和粉质黏土，考虑最不利工况情况下，该Midas Civil 的基坑模型中，土层设置为三层，依次是淤泥质粉质黏土、粉质黏土以及持力层，各土层的力学参数如表1 所示。

表1 土层力学参数表

2.2 主要材料

2.2.1 混凝土

根据上文可知，在本项目中主梁的材料为C50 混凝土。在Midas Civil 中定义混凝土轴心抗压、抗拉的强度标准值分别为32.4MPa、2.65MPa，定义抗拉强度设计值为1.83MPa，根据实际材料选择将混凝土弹性模量定义为3.45×104MPa。

定义混凝土剪切模量Gc 以0.4Ec 为标准，泊松比取为0.2，同时混凝土材料性质定义中各项参数均应满足我国现行规范要求。

2.2.2 钢筋

在本项目中所用的钢筋以HRB400、HPB300 为主。在分析中选用（1×7）φs15.2mm 的预应力钢绞线，其抗拉强度标准值为1860MPa。张拉预应力所用锚具为夹片锚，同时也应配备相应的垫板及螺旋筋。普通钢筋及预应力钢筋的主要技术指标如表2 所示。

表2 普通钢筋和预应力钢筋的主要技术指标（单位：MPa）

2.3 计算模型

本文工程实例桥设计安全等级指标为一级，根据规范结构的重要性系数为1.1。结构的计算主要有包括永久荷载作用和可变荷载作用。其中永久荷载作用主要是结构自重以及混凝土的收缩徐变作用。可变荷载作用主要是人群荷载和温度荷载[3]。采用有限元软件建模计算，模型如图1。

图1 Midas Civil 计算模型

3 验算结果

试算预应力损失达到40%附近时，主梁结构内的最大拉应力大于C50 混凝土的抗拉强度设计值ftd=1.83MPa，此时即可认定主梁发生严重的开裂，图3 为模拟现场检测状况下桥梁结构的承载能力结果。由图2（a）、（b）可知，该桥承载能力缺失10～30%左右。

图2 桥梁结构验算结果

4加固方案

针对桥梁现有病害及技术状况，结合Midas Civil 验算的出的预应力损失，进一步提高桥梁寿命，提出以下建议：

4.1 增大截面与配筋加固工艺

这两种工艺技术均需在梁体的底、侧面布置适量的钢筋并浇筑混凝土封面。实践表明，该工艺可以增大梁截面的高度与配筋量，从而即可实现了大幅度提升混凝土桥梁承载力的目的。在进行加固施工过程中必须严格按照标准对混凝土的表面进行深度清理和打毛（如图3），整个加固施工流程需在梁板的底部进行。但由于此工艺不能够有效地控制工程施工的质量，因此一定程度上防碍了该项工艺的进一步推广和应用[4]。

图3 混凝土表面凿毛

4.2 粘贴钢板或碳纤维布加固工艺

粘贴钢板或碳纤维布加固工艺是通过专用粘结剂或锚栓技术来在原有结构表面附加一层钢板、纤维布等，以此来提升施工位置处的承载能力，消除原有的力学薄弱部位，确保附加的钢板、纤维布能够与受损的混凝土结构形成的一个完好的受力整体，尽而可有效地提升原桥梁结构的承载力。该加固工艺已经逐渐的应用在当前桥梁加固施工当中，并且也取得了非常好的加固成效。需要注意的是，碳纤维自身具有较为突出的脆性特征且对扛火能力薄弱，因此该加固工艺的推广应用范围也有一定程度的限制[5]，如图4。

图4 粘贴钢板加固

4.3 改变结构受力体系加固工艺

改变原有结构受力特性，能够优化结构内力的传导路径，进而保证混凝土桥梁的结构承载能力能够得到更进一步的提高。这一种加固工艺的推广与应用不但可大幅度提高整体结构的承载能力，而且还可以很大程度避免了由于受力开裂而引发的刚度减小等问题，从而全方位提升了桥梁结构的整体刚度。由于大多数桥梁结构加固施工中很多都不会采用这种工艺，因为它改变原桥梁结构受力体系不确定风险较大，因此该工艺的大规模推广和应用得到了制约[6]，如图5。

图5 简支变连续钢筋构造

4.4 体外预应力加固工艺

体外预应力加固工艺是一种通过在桥梁的主梁外侧或箱部的内侧等受力部位，布设一定数量的预应力筋，在施工流程中可根据不同状况调整预应力筋的位置或者转向，使其达到了增强预应力加固的作用和提高桥梁结构承载力的目的。图6 为整束式转向器示意图。作为目前我国公路桥梁加固中应用最为广泛的技术工艺之一，体外预应力法对于大跨度连续梁体的加固表现出了突出的优势性。

图6 整束式转向器示意图

5 结论

本文以实际工程为例，采用Midas Civil 验算了体外预应力加固设计的有效，可以优质高效地为大桥提高承载能力。通过对比了原始桥梁的承载能力和现在承载能力，结果表明,Midas Civil 在预应力混凝土桥梁接受承载能力验算中, 能够准确客观的反应桥梁的使用性能和稳定性,应广泛推广应用。最后根据桥梁现状，提出了五种加固措施，该研究可为类似工程提供参考依据。