基于检测试验与数值模拟的分离式小箱梁桥损伤评估

赵鹏鹏

（武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430073）

0 引言

近年来，随着我国交通线路的快速建设，桥梁数量也大幅增长。截至2020 年年末全国公路桥梁91.28 万座、6628.55 万延米[1]。在众多桥梁中，小箱梁桥凭借其自身建筑高度低、抗扭刚度大及经济性好等优势而被广泛采用[2]。但是，部分分离式小箱梁桥建设期间由于设计缺陷、原材料不合格及施工工艺差等原因，导致梁体出现混凝土强度偏低、梁体开裂、跨中下挠及预应力损失过大等病害[3]。这些病害（特别是预应力损失）不仅会降低桥梁的承载能力，还将影响桥梁的运营安全，亟需进行桥梁加固处置。而加固前，需开展桥梁的损伤模拟，分析梁体结构的力学性能，以提高工程的准确性和高效性[4]。

本文以一座分离式小箱梁桥为研究对象，分析现有病害对结构承载力的影响，通过荷载试验验证结构承载能力，并判断预应力损失状况。采用Midas Civil有限元软件进行损伤模拟分析，以便从理论上佐证荷载试验成果，并为后期的体内预应力加固方案提供理论依据。

1 工程概况

本次加固的桥梁位于城市新区的某高速公路进出口匝道，本文仅研究H匝道第1联。结构形式为30m跨分离式小箱梁。交工前，梁体跨中底板存在横向裂缝，但因其并未横向贯穿，所以不能判断其是否为结构性裂缝，是否直接影响桥梁的承载力。这需要科学的损伤评估来指导对该横向裂缝的处置工作。

2 小箱梁外观检测与荷载试验的结果及分析

2.1 外观检测结果

通过外观检测，发现小箱梁存在主梁横向裂缝、纵向裂缝以及混凝土强度缺陷三种病害。

（1）主梁横向裂缝。检测发现小箱梁底板跨中正弯矩区域存在3条横向裂缝，裂缝总长为48cm，裂缝宽为0.02mm，且代表性横向裂缝深度为17mm。裂缝虽处于跨中底板，但并未横向贯穿。其是否为结构性裂缝，有待荷载试验进一步验证。

（2）主梁纵向裂缝。小箱梁底板共存在17 条纵向裂缝，裂缝总长为3760cm，裂缝宽为0.02~0.12mm，且代表性纵向裂缝深度为20mm。裂缝病害主要位于小箱梁的第一跨与第二跨，分布在箱梁底板跨中截面至3/4截面的位置，以及靠近支点截面的底板区域。

（3）主梁混凝土强度缺陷。采用回弹法对主梁构件进行检测，由检测结果可知：H1联共12片小箱梁，其中6 片梁的混凝土强度等级不合格，强度范围在41.7~49.4MPa间。

2.2 荷载试验结果

对小箱梁进行荷载试验，综合试验成果和裂缝监测可知，测点的应变校验系数在0.57~1.30 之间，超出了《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）的允许范围0.85~1.05。且在加载情况下，主梁跨中底板处的三条横向裂缝的宽度均扩展了0.02mm，表明横向裂缝为结构性裂缝。综上所述，该分离式小箱梁桥的承载能力不满足设计要求。

2.3 承载能力不足的原因分析

2.3.1 裂缝对结构承载力的影响

非结构性裂缝会影响梁体结构的耐久性，主要影响包括渗透和腐蚀[5]。水分渗入裂缝造成渗透侵害，在水分侵蚀及外部荷载的作用下，造成混凝土结构损伤。水分与裸露的钢筋直接接触形成腐蚀侵害，影响桥梁承载力。

而对于结构性裂缝，除了上述影响外还会削弱结构竖向刚度，进而影响构件的承载力。根据相关设计规范，当构件截面产生结构性裂缝时，截面的有效工作高度会降低，导致构件正截面的抗弯承载能力降低，从而影响梁体构件的承载力。

2.3.2 混凝土强度对结构承载力的影响

为满足桥梁所担负的众多荷载，混凝土强度必须满足设计和规范的要求。当构件的混凝土强度不足时，混凝土抗压强度值将会变小，从而降低梁体承载力。

2.3.3 预应力损失对结构承载力的影响

混凝土强度略低和裂缝导致的截面高度微小削减对承载力的影响较小，根据主梁底板横向裂缝的宽度在荷载试验中有所扩展，推测主梁预应力存在一定损失。而当预应力发生损失时，纵向预应力钢筋抗拉强度设计值将会变小，进而降低梁体承载力。

2.4 预应力损失的原因分析

钢束与管道的磨阻影响、钢束应力松弛及混凝土收缩徐变等均会导致主梁应力减小[6]，是属于规范所允许的正常损失。而预应力损失过大一般由管道压浆不密实[7]、锚具不合格及钢束超前张拉等施工不规范引起。经文献查阅及现场调查可知，预应力管道灌浆密实度、锚具及夹片均满足规范要求。但该桥仅在浇筑5d（正常7d）后即开始预应力的张拉工作。因此，超前张拉是小箱梁桥预应力损失的关键原因。

3 小箱梁损伤数值模型建立与内力分析

3.1 各种缺陷的模拟方法

3.1.1 主梁裂缝的模拟方法

箱梁底板存在3 条横向裂缝和17 条纵向裂缝病害，且代表性裂缝深度在17~20mm 之间。裂缝病害将可能引起梁体混凝土有效截面减小，进而导致梁体刚度受损。针对该类病害情况，通过减小梁底保护层厚度20mm来模拟梁体竖向刚度的折减。

3.1.2 混凝土强度缺陷的模拟方法

本次检测共12 片梁，其中6 片梁的混凝土强度最小值为41.7MPa，最大值为49.4MPa，均不满足设计要求。为此，本模拟阶段中小箱梁采用C45 混凝土，模拟混凝土强度不足。

3.1.3 预应力损失的模拟方法

对于直接检测现有桥梁的预应力损失情况，目前在世界范围内还没有有效的方法，只能通过试算的办法进行损失检验。因此，本模拟阶段通过分别降低10%、20%、30%及40%的预应力张拉控制应力，进行钢束预应力损失的模拟分析。

3.2 损伤模型建立与参数选取

3.2.1 损伤程度量化模拟

为高度还原现有病害对梁体结构的损伤情况，准确模拟该分离式小箱梁桥真实的结构响应，如表1 所示，在原桥理想状态（GK-0）的基础上开展其余工况的损伤模拟。

表1 分离式小箱梁损伤模拟工况

3.2.2 损伤模型的建立

采用Midas Civil 2021有限元进行损伤模拟分析，以GK-0为基础进行建模。如图1所示，结构形式为3×30m（先简支后连续），全桥共划分为354个节点数、514个单元数及4 个边界条件。有限元计算模型中的主要材料参数见表2。

图1 分离式小箱梁桥有限元模型图

表2 主要材料参数表

在有限元计算模型中，其计算参数主要参考如下：

（1）设计荷载：公路-Ⅰ级；

（2）二期恒载：49.75kN/m3；

（3）预应力钢束：预应力筋与管道摩擦系数μ=0.2；管道偏差的摩擦影响系数k=0.0015；

（4）不均匀沉降：最大沉降量按-5.0mm取值；

（5）收缩徐变时间：3650d；

（6）温度：温度梯度按《公路桥涵设计规范》（JTG D60-2015）进行取值。

3.2.3 桥梁损伤模型的确定

经对比分析，在GK-3（4）作用下，底板下缘的混凝土失效20mm、混凝土强度采用C45 及预应力损失40%时，梁体构件的正截面和斜截面拉应力均超出规范要求，导致损失模拟的承载能力不满足设计要求。该模拟工况下的梁底跨中将产生横向裂缝，表明该工况比较符合梁体实际情况。因此，确定GK-3（4）为该小箱梁的损伤模型。

3.3 损伤模型内力分析

3.3.1 持久状况承载能力极限状态验算

在正截面抗弯验算中，主梁跨中最大正弯矩8390kN·m，小于结构抗力9003kN·m；中支点最大负弯矩5979kN·m，也小于结构抗力7822kN·m。且在斜截面抗剪验算中，构件最大剪力1836kN，小于结构抗力2975kN。综上所述，主梁承载能力验算满足设计要求。验算包络图如图2~图3所示。

图2 使用阶段正截面抗弯验算包络图

图3 使用阶段斜截面抗剪验算包络图

3.3.2 持久状况正常使用极限状态验算

在正截面抗裂验算中，短期组合下截面的上下缘拉应力分别为2.751MPa 和3.144MPa，均超出限值1.757MPa。长期组合下截面的上下缘均为压应力。且在斜截面抗裂验算中，短期组合下截面的拉应力为3.147MPa，同样大于限值1.757MPa。综上所述，主梁截面抗裂验算不满足设计要求。验算包络图如图4~图6所示。

图4 使用阶段正截面抗裂验算短期包络图

图5 使用阶段正截面抗裂验算长期包络图

图6 使用阶段斜截面抗裂验算包络图

3.3.3 持久状况应力验算

在正截面的应力验算中，标准组合下正截面的上下缘压应力分别为11.333MPa 和10.291MPa，均小于限值14.800MPa。且在斜截面应力验算中，斜截面的主压应力为11.335MPa，同样小于限值17.760MPa。综上所述，主梁压应力验算满足设计要求。其验算包络图如图7~图9所示。

图7 使用阶段正截面压应力验算上缘包络图

图8 使用阶段正截面压应力验算下缘包络图

图9 使用阶段斜截面主压应力包络图

3.3.4 计算成果总结

对所确定的损伤模型GK-3（4）进行结构内力验算，结果显示，在正常使用极限状态验算环节，构件的正截面和斜截面抗裂验算结果均大于其限值。因此，判定该损伤模型现有承载力不满足设计要求。

4 结束语

通过研究得到以下认识：

（1）通过桥梁外观检测，发现小箱梁桥的底板存在横向裂缝、纵向裂缝及混凝土强度不足等病害。根据荷载试验成果，推断箱梁底板处的横向裂缝为结构性裂缝，综合判断小箱梁承载能力不满足设计要求。分析了梁体现有病害对结构承载力的影响，确认了预应力损失是承载能力不足的关键因素，并分析了预应力损失的主要原因为超前张拉。

（2）开展了小箱梁桥的损伤模拟，量化混凝土裂缝缺陷和强度缺陷，并分阶段进行预应力试算，确定了损伤模型GK-3（4）为最接近主梁实际状况的模型（有效截面高度折减20mm、混凝土强度采用C45 及预应力损失40%），为后期体内预应力加固方案提供了理论依据。