基于有限元模拟分析连续刚构桥体外预应力维修加固方案有效性

赵家胜

(乌海市公路养护中心，内蒙古 乌海 016000)

0 引 言

随着通车时间延长，在混凝土收缩、徐变、预应力损失、温度等因素影响下，PC连续刚构桥出现桥梁箱体开裂现象，对行车安全产生了不利影响[1]。该文对PC连续刚构桥桥梁病害情况、病害诱因、加固措施等进行了分析，针对桥梁预应力损失，通过有限元模型模拟进行了加固方案效果的讨论。

1 工程概况

桥梁为PC变截面连续刚构桥，箱梁截面为单箱单室，采用横向预应力、纵向预应力、竖向预应力三体系构成，全长178.2 m，梁顶板宽12 m，底板宽6 m，根部梁高4.6 m，跨中梁高2.3 m，箱梁下结构为双薄壁柔性桥墩和柱台式桩基。对此桥梁病害情况现场调研，结果发现桥梁顶板、底板纵向裂缝较多，腹板斜向裂缝明显，存在行车风险。

2 典型病害

桥梁上部构件常见病害类型包括钢构底板横向裂缝、底板纵向裂缝、顶板纵向裂缝、腹板斜向裂缝，顶板纵向裂缝和腹板斜向裂缝最为常见[2]。PC连续刚构桥跨中下挠病害诱因如下。(1)顶板预应力损失，PC连续刚构桥跨中下挠受力不稳定。(2)车辆荷载作用，影响混凝土徐变性能。(3)底板横向裂缝或纵向裂缝出现后，箱梁主梁被拉伸，箱梁稳定性不足，结构受挫，刚度降低，存在一定的质量风险。

3 桥梁加固及维修方案

3.1 加固设计目标及思路

通过“箱内体外束+箱内腹板加厚+箱内顶板粘贴钢板+箱外底板粘贴钢板”联合加固方案，改善PC连续刚构桥主梁应力状态，使桥面变形性得以改善，增强刚构桥跨中下挠底板下缘预应力，改善其承载力和稳定性[3]。

3.2 维修完善

(1)增大箱梁腹板截面补强薄弱位置，避免裂缝发展，采用粘贴钢板的方式处置顶板或底板薄弱位置，进一步改善裂缝处应力状态，抑制裂缝进一步发展[4]。

(2)PC连续刚构桥主梁边跨或中跨腹板斜向裂缝，增设体外预应力，改善桥面变形状态，调节结构受力，以增强其承载力。

3.3 完善方案及内容

(1)采用通长布置的方式于箱梁内部布置体外预应力，加设体外预应力后连续刚构桥主跨跨中处出现一定程度位移，桥梁承载力得以改善。

(2)顺着桥梁方向，于主墩墩顶和转向处设置预应力束，采用框架梁加固，确保无体外束下弯情况，保持顶板与预应力束位置间隔合理，下弯与底板位置靠近。为提高结构稳定性，尽量减少体外束弯曲，以防止预应力损失。根据项目需求和施工情况结合体外预应力布置情况，在箱梁边跨处设置直径为15 mm的预应力束，。

4 桥梁预应力损失和加固效果

4.1 有限元模拟及分析方法

采用midas Civil有限元软件建立模型，根据PC连续钢构模型，全桥共236个单元和254个节点。结合项目施工图和工艺参数，对有限元模型的相关参数进行修正，使其应力符合实际情况，对桥梁结构内力和预应力指标进行计算[5]。

4.2 桥梁预应力损失和加固效果对比分析

通过midas Civil有限元软件进行建模，对“箱内体外束+箱内腹板加厚+箱内顶板粘贴钢板+箱外底板粘贴钢板”方案的加固方案效果进行分析，探究纵向预应力损失与主梁应力间的关系[6]，对不同工序条件下的加固效果进行分析。

(1)加固措施实施前，纵向预应力损失与主梁应力间关系如图1所示。

图1 加固前纵向预应力损失对主梁上、下缘应力影响

对图1分析可知，加固前，纵向预应力损失后，连续钢构桥梁主梁上缘应力损失为10%时，测量结果显示主梁上缘最大应力为-6.62 MPa和-6.43 MPa，主梁下缘应力损失10%时，最大应力为-7.13 MPa和-6.8 MPa。主梁上缘预应力损失20%时，最大应力为-7.21 MPa和-7.74 MPa，主梁下缘最大应力为-7.28 MPa和-6.4 MPa。

(2)连续刚构桥处于正常使用的极限状态下，主梁上下缘应力加固前后情况如图2所示。

图2 正常使用极限状态下主梁上、下缘应力变化

对图2分析可知，连续刚构桥主梁上缘加固前最大预应力值为-8.48 MPa和-9.04 MPa，主梁下

图3 加固前后考虑预应力损失的主梁上、下缘应力变化

缘加固前最大预应力值为-7.45 MPa，加固后主梁上缘最大应力值为-10.3 MPa和-10.9 MPa，连续钢构桥跨中应力值为-11.3 MPa。

(3)桥梁中跨底板纵向预应力损失25%、其他区域预应力损失20%情况下，主梁加固前后桥梁中跨上下缘应力值变化情况如图3所示。

对图3分析可知，将预应力损失考虑在内，加固前主梁上缘最大应力值为-6.24 MPa和-6.45 MPa，主梁跨中下缘应力值为-4.12 MPa，加固后主梁上缘最大应力值为-7.74 MPa和-8.17 MPa，加固后主梁跨中下缘应力值为-8.15 MPa。

(4)正常使用情况下桥梁极限状态下挠度值见表1。分析表1可知。

①原设计方案条件下，刚构桥边跨相对挠度和中跨相对挠度值分别为7.22 mm和30.14 m，加固后边跨相对挠度和中跨相对挠度值分别为6.61 mm和29.71 mm；

②中跨底板纵向预应力损失25%和其他底板纵向预应力损失为20%情况下，加固前边跨和中跨相对挠度值分别为7.34 mm和29.78 mm，加固后边跨和中跨相对挠度值分别为6.75 mm和27.49 mm。综合分析可知，相关加固措施实施后，刚构桥边跨和中跨相对挠度值有所减少。

表1 正常使用极限状态下的挠度分析

5 结 论

对某PC变截面连续刚构桥承载能力极限状态进行了分析，并借助有限元模型模拟对原加固方案实施前后桥梁参数进行了对比。

(1)借助有限元模型进行参数模拟和修正后发现，纵向预应力损失会导致预应力减小，跨中挠度值增加，加固前主梁跨中相对挠度值为30.14 mm，借助张拉体外预应力措施调整后，产生了3 mm的理论拱值，实际测量值与预期指标之间有一定的偏差。

(2)中跨底板纵向预应力损失25%和其他底板纵向预应力损失为20%情况下，加固前主跨跨中截面下缘存在拉应力，边跨跨中位置拉应力最大为7.84 MPa，上缘拉应力值与桥梁开裂，下挠情况下的数据接近。

(3)正常极限使用状态下，桥梁加固前主跨跨中截面下缘拉应力为0.02～0.032 MPa。加固措施实施后，桥面处于全截面受压状态，在荷载情况下测量主梁跨中预应力，结果显示张拉体外预应力后，主跨跨中截面预应力值明显改善，主梁受力状态有所好转，桥梁承载力与稳定性明显提升。