预应力混凝土空心板桥加固性能研究

杨耿焱,李 波

(云南省公路科学技术研究院,云南 昆明 650051)

预应力混凝土空心板桥以其结构形式简单、材料经济、施工便捷、施工速度快等特点,被广泛应用于公路桥梁中。但预应力空心板桥在使用的过程中会出现不同程度的病害,影响行车舒适性,严重时会危及桥梁的安全[1]。

很多学者在预应力空心板桥加固性能方面取得了研究成果。康省桢[2]对既有预应力混凝土空心板梁桥进行破坏试验,分析了体外预应力加固对空心板梁桥受力全过程的力学行为和承载性能的影响;张薇等[3]进行了预应力混凝土空心板桥加固前后的荷载试验及理论计算,通过分析板底应力及挠度结果评价粘贴碳纤维筋和结构简支转连续、粘贴钢板的加固效果;王华[4]提出对空心板板底张拉预应力碳板以及盖梁植筋和外包混凝土的加固措施,同时通过理论验算和荷载试验对加固性能进行研究;唐健[5]对装配式空心板预应力碳板的加固方法进行了有限元分析,研究了加固的碳板厚度及数量对结构极限抗弯承载力的影响;苑林栋[6]对钢筋混凝土空心板梁桥预应力碳纤维板加固的方法进行静载试验研究,得出此方法可封闭空心板板底裂缝并提高桥梁的横向联系和承载能力;李波等[7]研究了碳纤维筋喷浆法对预应力空心板桥梁的加固效果,得出采用碳纤维筋喷浆法加固后空心板底缘应力有所降低,桥梁安全储备、结构刚度和整体受力性能有所改善。这些研究主要通过有限元数值模拟或荷载试验评价不同加固方法的效果,但如何根据桥梁实际病害类型及结构形式,选用合适的加固方法还未解决。

本文以云南省景大线(景东至大开门)的3座预应力混凝土空心板桥(本文以A桥、B桥、C桥表示)加固项目为依托,通过荷载试验及数值模拟方法研究桥梁上部结构在不同加固方式及加固后不同工况下的实际工作状态及受力状态,评价其在荷载作用下的工作性能,检验其加固后的强度、刚度及耐久性是否满足设计和规范要求,为同类型桥梁的加固提供科学合理的参考依据。

1 工程概况

A桥桥梁全长132.6 m,桥面宽12 m,跨径组合为6×20 m,每跨布置12片预应力混凝土空心板;B桥桥梁全长50.5 m,桥面宽13 m,跨径组合为(22 m+18 m),每跨布置13片预应力混凝土空心板;C桥桥梁全长78 m,桥面宽12 m,跨径组合为3×20 m,每跨布置12片预应力混凝土空心板。3座桥梁支座均为板式橡胶支座,桥墩为钢筋混凝土双柱墩,桥台为石砌U型桥台。

1.1 主要病害

根据公路桥梁技术状况评定标准[8],3座桥梁均存在较严重病害,技术状况等级均被评为4类。主要病害有:

(1)大部分空心板板底存在纵向或断续纵向贯通裂缝,部分空心板板底存在横向裂缝。部分裂缝伴有渗水痕迹及晶体析出,大部分裂缝缝宽超过规范限值,最大缝宽可达0.60 mm。

(2)部分空心板板底厚度不足,局部破损、露筋,钢绞线或波纹管外露。大部分空心板间铰缝混凝土脱落,局部伴有渗水痕迹及晶体析出。

(3)伸缩缝失效,桥面沥青铺装层多处破损、拥包等。

病害情况如图1所示。

a 板底开裂

1.2 加固措施

为了消除桥梁结构的安全隐患,确保桥梁的安全性及耐久性,维护公路的正常运营[9],针对3座桥梁存在的一系列病害分别采取了相应的加固措施。在A桥板底布设碳纤维筋并采用高强聚合物砂浆对空心板板底进行加厚及补强,在关键受力部位设置横向钢板以加强空心板间横向联系;对B桥板底纵向裂缝和表观缺陷严重的空心板进行注浆处理,同时粘贴碳纤维布,并将1#墩位置的结构形式由简支变连续;对C桥1#跨3#～10#的空心板进行换板处治,对其余空心板进行封缝处治后在板底粘贴碳纤维布。对3座桥均进行裂缝封闭处治,并更换原桥伸缩缝、重新浇筑铰缝、重做桥面铺装。

2 桥梁荷载试验

2.1 加载工况

3座桥加固前、后的设计荷载等级为汽车—20级、挂车—100级,在静载试验之前,对桥梁实施预压。正式试验时,分中载和偏载两种工况,按工况试验荷载的50%、75%、100%进行分级加载。设计荷载计算值为3 600 kN·m,试验荷载效应值为3 720 kN·m。加载横向轮位布置如图2所示。

a 中载

A桥测试截面为6#跨中截面,B桥测试截面为1#跨中截面,C桥测试截面为1#跨中截面,测点位置如图3所示。

a A桥6#跨、C桥1#跨跨中截面测点位置

2.2 荷载试验结果及分析

通过荷载试验得出3座桥梁测试截面在两种加载工况下的应力、挠度曲线(见图4～图6)。

a 应力曲线

a 应力曲线

a 应力曲线

在两种工况作用下,A桥在“碳纤维筋喷浆”加固后,其单片空心板底缘所承担的拉应力平均分别降低0.07 MPa、0.11 MPa,降低量分别为加固前空心板底缘平均应力的4.0%、6.5%,挠度平均分别减小0.1 mm、0 mm,减少量分别为加固前空心板平均挠度的3.6%、0%。

在两种工况作用下,B桥在“结构简支变连续、粘贴碳纤维布”加固后,其13片空心板荷载横向分布趋于均匀,空心板底缘平均应力值分别降低了13.2%、17.8%,单片空心板挠度平均分别减小0.6 mm、0.7 mm,减少量分别为加固前空心板平均挠度的20.7%、23.3%。

在两种工况作用下,C桥在“换板、粘贴碳纤维布”加固后,其12片空心板荷载横向分布明显趋于均匀。工况二偏载作用下侧加固使1#、2#空心板底缘所承担的拉应力平均降低1.11 MPa,为加固前空心板底缘平均应力的47.6%,新更换空心板底缘所承担的拉应力平均分别降低0.48 MPa、1.38 MPa,降低量分别为被替换空心板底缘平均应力的36.9%、62.4%,单片空心板挠度平均分别减小0.5 mm、0.1 mm,减少量分别为被替换空心板平均挠度的21.7%、5.0%。

3 桥梁数值模拟分析

3.1 有限元模型建立

采用有限元程序MIDAS Civil对3座预应力空心板桥进行计算分析。A桥、C桥采用梁格法建模,B桥采用单梁法建模,有限元模型如图7所示。

a A桥、C桥

3.2 数值模拟结果及分析

通过数值模拟得出3座桥梁在测试截面两工况下的应力、挠度曲线(见图8～图10)。

a 应力曲线

a 应力曲线

a 应力曲线

在两种工况作用下,A桥加固后单片空心板底缘所承担的拉应力平均分别降低0.06 MPa、0.05 MPa,应力为加固前空心板底缘平均应力的2.3%、1.2%;挠度平均分别减小0.1 mm、0 mm,为加固前空心板平均挠度的1.1%、0.8%。

在两种工况作用下,B桥加固后空心板底缘平均应力值分别降低了0.88 MPa、0.88 MPa,为加固前空心板底缘平均应力的30.2%、30.2%,单片空心板挠度平均分别减小2.9 mm、4.4 mm,为加固前空心板平均挠度的36.6%、36.7%。

在两种工况作用下,C桥加固后空心板底缘平均应力值分别降低0.18 MPa、0.16 MPa,为加固前空心板底缘平均应力的7.0%、5.7%,单片空心板挠度平均分别减小0.4 mm、0.4 mm,为加固前空心板平均挠度的7.6%、6.3%。

数值模拟结果显示,对预应力空心板采取加固措施提高了桥梁结构的整体受力性能及耐久性。数值模拟结果与荷载试验结果相吻合。通过数值模拟,验证了结果的真实性与正确性,也体现了不同加固方式的加固效果。

4 空心板桥加固性能分析

A桥经“碳纤维筋喷浆”加固后,碳纤维筋与底缘混凝土保持协调变形,提高了桥梁上部结构承载力的安全储备。空心板底缘应力平均降低4.0%、1.2%,结构刚度有一定提高。桥梁上部结构整体受力性能得到明显提高和改善。

B桥经“结构简支变连续、粘贴碳纤维布”加固后,碳纤维布与底缘混凝土保持协调变形,提高了桥梁上部结构承载力的安全储备[10]。桥梁经结构体系转换,空心板底缘应力平均降低13.2%、30.2%,挠度平均减小20.7%、36.6%。结构刚度明显提高。上部结构横向整体受力性能稍有改善,纵向整体受力性能明显提高。

C桥经“换板、粘贴碳纤维布”加固后,碳纤维布与底缘混凝土保持协调变形,提高了空心板承载力的安全储备。荷载试验下加固使偏载侧空心板底缘应力平均降低47.6%,新更换空心板底缘应力较原梁板平均降低36.9%,单片空心板挠度平均减小5.0%,数值模拟结果显示加固后跨中应力和挠度均有所降低,结构刚度有一定提高。上部结构纵、横向整体受力性能显著提高,承载能力显著提高[11-12]。

5 结论

结合3座桥不同的加固方式以及加固效果分析可得出如下结论:

(1)桥梁空心板加固用碳纤维筋喷浆、碳纤维布均能充分发挥其参与受力效能。与空心板底缘混凝土保持协调变形,提高了被加固空心板承载力的安全储备。

(2)采用碳纤维筋喷浆法的同时粘贴横向钢板,可明显提高和改善桥梁上部结构整体受力性能。碳纤维筋喷浆法、粘贴碳纤维布法在结构局部补强、抑制裂缝发展、提高结构耐久性等方面能起到很好的加固效果。

(3)结构简支变连续法可明显提高桥梁上部结构整体纵向受力性能,整体横向受力性能有一定提高。在不改变梁板截面外部尺寸的前提下能显著提高梁板端部的抗剪承载力。结构连续体系能使原结构的内力重新分布,减小结构跨中弯矩,可适量提高结构抗弯承载力。

(4)更换部分梁板法可显著提高桥梁上部结构承载能力及纵、横向整体受力性能。通过更换部分病害梁板、补强桥梁横向连接,能够显著提高桥梁结构的整体受力性能。

(5)更新桥面铺装对桥梁的横向受力性能改善效果不明显。

(6)采用碳纤维筋喷浆和结构简支变连续、粘贴碳纤维布等方法可以提高空心板下缘抗拉性能,抑制空心板挠度发展。