PC連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營過程中承載力影響因素研究

王紅偉，相斌輝，焦 興

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 廣西 530004；2.南昌工程學(xué)院，南昌 江西 330096；3.江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，南昌 江西 330001）

PC連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營過程中承載力影響因素研究

王紅偉1，相斌輝2，焦 興3

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 廣西 530004；2.南昌工程學(xué)院，南昌 江西 330096；3.江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，南昌 江西 330001）

對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的主要病害進(jìn)行歸納總結(jié)，以一座主跨98m的三跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ虒?shí)例，采用有限元分析的方法對PC連續(xù)剛構(gòu)橋承載力影響因素進(jìn)行研究，得出各個承載力影響因素對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的影響。結(jié)果表明，縱向預(yù)應(yīng)力損失、跨中下?lián)虾蜏囟葘C連續(xù)剛構(gòu)橋的承載力有著重要的影響，在PC連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營過程中加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力損失和跨中下?lián)系谋O(jiān)測，對同類橋梁的檢測和加固有一定借鑒意義。

連續(xù)剛構(gòu)橋；病害調(diào)查；承載力；有限元

0 引言

PC連續(xù)剛構(gòu)橋作為我國橋梁建設(shè)的重要組成部分，在橋梁交通網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用，發(fā)展比較迅速，大批PC連續(xù)剛構(gòu)橋建立起來，如建于1989年主跨180m的廣東洛溪大橋、建于1997年主跨240m的重慶高家花園大橋、建于2008年主跨268m蘇通大橋輔航道橋等。然而在PC連續(xù)剛構(gòu)橋大規(guī)模建設(shè)的同時，大量已建連續(xù)剛構(gòu)橋在其設(shè)計(jì)使用壽命的初期或中期就出現(xiàn)了不同程度的病害，例如梁體開裂、跨中下?lián)系?，其引起的PC連續(xù)剛構(gòu)橋承載力和耐久性的變化也受到橋梁界的廣泛關(guān)注。本文基于PC連續(xù)剛構(gòu)橋的病害調(diào)查和荷載試驗(yàn)，依托PC連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元模型，對其常見病害和承載力計(jì)算、施工、檢測和加固等提供借鑒和參考。

1 工程概況

廣西欽江三橋是欽州市跨越欽江的特大橋梁，為城市橋梁，主跨跨徑布置55m+98m+55m，橋涵設(shè)計(jì)荷載為城A級，采用雙幅分離式結(jié)構(gòu)，主梁為變截面單箱單室箱梁，箱梁利用掛籃采用懸臂對稱澆筑施工，全橋設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力體系。欽江三橋主橋立面圖如圖1所示。

2 有限元模型

依據(jù)欽江三橋設(shè)計(jì)圖紙和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用ANSYS有限元軟件建立其三維有限元模型，模型中混凝土采用Solid65單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link10桿單元模擬，支座和橋墩基礎(chǔ)采用約束的方式。有限元模型如圖2所示。

圖1 欽江三橋主橋立面圖（單位：cm）

圖2 欽江三橋主橋有限元模型

有限元建模完成后，分別進(jìn)行了模態(tài)分析和靈敏度分析，并與實(shí)橋荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，并采用一階優(yōu)化算法對有限元模型進(jìn)行模型修正，零階優(yōu)化算法進(jìn)行校核，模型修正后目標(biāo)函數(shù)由0.196降到0.032，具有較高的計(jì)算精度。目標(biāo)函數(shù)靈敏度分析截圖如圖3所示，自振頻率修正前、后與測量值對比如圖4所示。

圖3 目標(biāo)函數(shù)靈敏度（顯著水平1）

圖4 自振頻率修正前、后與測量值對比

3 常見病害

3.1 梁體開裂

在連續(xù)剛構(gòu)橋的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)期，梁體開裂是一種常見的病害，主要分布在梁體的頂板、底板和腹板，某PC連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁頂板開裂如圖5所示。

圖5 某PC剛構(gòu)橋箱梁頂板開裂分布

梁體開裂的產(chǎn)生與多方面因素有關(guān)，例如預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、溫度和基礎(chǔ)不均勻沉降等。開裂會造成梁體內(nèi)鋼筋銹蝕和箱梁應(yīng)力重分布，不僅會削弱箱梁的承載能力，也還會影響箱梁的耐久性。針對箱梁的梁體開裂，國內(nèi)外的許多專家學(xué)者也開展了許多研究。

梁鵬[1]等通過建立裂縫特征庫實(shí)現(xiàn)混凝土梁橋承載能力的快速評定；張邵峰[2]等指出裂縫會導(dǎo)致氯離子侵入的速度加快和鋼筋銹蝕時間的提前；賀志勇[3]等指出腹板裂縫與腹板的配筋和厚度有關(guān)；胡志紅[4]等指出箱梁施工中底板開裂的主要原因是混凝土的溫度梯度荷載效應(yīng)；袁愛民[5]等通過試驗(yàn)研究的方法指出一側(cè)腹板帶縱向裂縫對梁體的開裂荷載和極限承載力影響較小；王凌波[6]等指出裂縫對預(yù)應(yīng)力梁橋剛度和承載力的影響可以通過折減系數(shù)體現(xiàn)，并給出了承載能力折減計(jì)算方法；楊林虎[7]等指出當(dāng)裂縫控制寬度小于0.3mm時，其對鋼筋混凝土使用期維護(hù)成本的影響較小，當(dāng)裂縫寬度超過0.3mm時，構(gòu)件維護(hù)成本增加迅速。

目前針對連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂的成因以及發(fā)展程度，常用的處理方法主要有表面封閉法、壓力灌漿法、表面粘貼加固材料法、體外預(yù)應(yīng)力法等幾種。

3.2 跨中下?lián)?/p>

跨中下?lián)鲜悄壳耙呀≒C連續(xù)剛構(gòu)橋另一個出現(xiàn)較多的病害，影響橋梁的線形和承載力。目前已建的國內(nèi)外連續(xù)剛構(gòu)橋均出現(xiàn)不同程度的跨中下?lián)希簢庵骺?40m的帕勞共和國科巴大橋建成18年，跨中下?lián)线_(dá)120cm；主跨301m的挪威Stolma橋建成3年下?lián)?.2cm;主跨195m的美國Parrotts渡橋建成12年，主跨下?lián)?3.5cm；國內(nèi)主跨270m的虎門大橋輔航道橋建成8年，彈性撓度達(dá)到了23.2cm;主跨120m的廣東南海金沙大橋建成6年，跨中下?lián)线_(dá)到了22cm。國內(nèi)因下?lián)虾烷_裂等嚴(yán)重病害拆除重建的湖北鐘祥漢江大橋如圖6所示。

圖6 湖北鐘祥漢江大橋拆除

跨中下?lián)系漠a(chǎn)生與多方面因素有關(guān)，例如預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)不均勻沉降等，跨中下?lián)蠒土后w開裂相互作用，嚴(yán)重影響連續(xù)剛構(gòu)橋的承載能力。針對連續(xù)剛構(gòu)橋的梁體開裂，國內(nèi)外的許多專家學(xué)者也開展了許多研究。孟新奇[8]等通過實(shí)橋研究指出，PC剛構(gòu)橋的跨中下?lián)夏艿玫揭种频遣荒芡耆苊猓粭顣x文[9]通過對兩座PC剛構(gòu)橋理論分析指出PC剛構(gòu)橋箱梁跨中上下緣隨時間不斷增大的應(yīng)力差與跨中下?lián)嫌兄苯雨P(guān)系；卜建清[10]等PC剛構(gòu)橋跨中下?lián)系闹饕蚴腔炷潦湛s徐變及其引起的預(yù)應(yīng)力損失。

由于跨中下?lián)鲜怯啥喾矫嬉蛩匾?，因此跨中下?lián)喜『Φ奶幚硪矐?yīng)該從多方面入手，從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)多方面進(jìn)行處理，減少預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降對連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，將其控制在合理的范圍內(nèi)。

4 承載力影響因素

4.1 預(yù)應(yīng)力損失

PC連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力損失主要包括橫、縱和豎3個方向，直接影響連續(xù)剛構(gòu)橋承載能力和安全性，在自重和預(yù)應(yīng)力作用下，3個方向預(yù)應(yīng)力損失變化對連續(xù)剛構(gòu)橋影響如圖7和圖8所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力損失對跨中豎向位移影響

圖8 預(yù)應(yīng)力損失對跨中底板縱向應(yīng)力影響

由圖7和圖8可以看出，縱向預(yù)應(yīng)力損失對中跨跨中豎向位移和底板縱向應(yīng)力的影響較大，橫向和豎向預(yù)應(yīng)力損失對中跨跨中豎向位移和底板縱向應(yīng)力的影響較小。

縱向預(yù)應(yīng)力損失直接關(guān)系到PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)虾土后w開裂的程度，影響PC連續(xù)剛構(gòu)橋的承載能力和安全性，在PC連續(xù)剛構(gòu)橋的施工和運(yùn)營過程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對縱向預(yù)應(yīng)力損失的監(jiān)測。

4.2 跨中下?lián)?/p>

跨中下?lián)喜粌H會影響PC連續(xù)剛構(gòu)橋的線形，更會影響其承載力，基于PC連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn)，在跨中下?lián)蠁为?dú)作用下，分別求解中跨跨中下?lián)?cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 跨中下?lián)蠈吙绾椭锌鐝澗赜绊?/p>

由圖9可以看出，中跨跨中下?lián)蠈C連續(xù)剛構(gòu)橋中跨跨中彎矩的影響比邊跨跨中彎矩的影響大，中跨跨中下?lián)蠈C連續(xù)剛構(gòu)橋中跨跨中彎矩的影響基本成線性關(guān)系，隨著跨中下?lián)系脑龃?，PC連續(xù)剛構(gòu)橋的承載力發(fā)生變化，箱梁的應(yīng)力發(fā)生重分布，直接影響橋梁的承載能力，因此應(yīng)嚴(yán)格控制PC連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中下?lián)?，在后期的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)中加強(qiáng)對PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系谋O(jiān)測。

4.3 溫度

PC連續(xù)剛構(gòu)橋是超靜定結(jié)構(gòu)，溫度會在其內(nèi)部產(chǎn)生附加內(nèi)力，基于PC連續(xù)剛構(gòu)橋的三維實(shí)體模型，自重和預(yù)應(yīng)力作用下，分別考慮整體升溫0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，結(jié)果見表1。

表1 整體溫度變化對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的影響

由表1可以看出：

（1）隨著整體溫度的升高，PC連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中豎向位移和縱橋向跨中應(yīng)力都在增大。

（2）整體溫度變化對跨中豎向位移影響比縱橋向跨中應(yīng)力大，溫度變化對PC連續(xù)剛構(gòu)橋有著重要的影響。

（3）PC連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶋H運(yùn)營過程中，向陽面和背陽面溫度不同，進(jìn)而造成同一斷面溫度分布不均勻，會引起箱梁附加應(yīng)力，導(dǎo)致箱梁應(yīng)力重分布，與其他效應(yīng)一起造成箱梁開裂等。

5 結(jié)語

基于連續(xù)剛構(gòu)橋常見病害和有限元分析，研究了預(yù)應(yīng)力損失、中跨跨中下?lián)虾蜏囟葘C連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，可以得出如下結(jié)論：

（1）縱向預(yù)應(yīng)力損失對PC連續(xù)剛構(gòu)橋的中跨跨中豎向位移和底板縱向應(yīng)力影響較大，橫向預(yù)應(yīng)力損失則影響較小，應(yīng)將縱向預(yù)應(yīng)力損失作為連續(xù)剛構(gòu)橋承載力評定的一個重要指標(biāo)。

（2）中跨跨中下?lián)蠈χ锌缈缰袕澗氐挠绊懕冗吙缈缰袕澗氐挠绊懘?，在橋梁運(yùn)營過程中應(yīng)加強(qiáng)對跨中下?lián)系谋O(jiān)測。

（3）整體溫度變化對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中豎向位移的影響比縱橋向跨中應(yīng)力大，應(yīng)作為連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目。

健康監(jiān)測系統(tǒng)是橋梁的一個重要發(fā)展方向，在大跨度拱橋、斜拉橋和懸索橋上運(yùn)用較多，但在連續(xù)剛構(gòu)橋上應(yīng)用較少且存在許多不足，例如評估指標(biāo)的全面性和合理性等，因此針對連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)的問題，研究其全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要。

[1]梁鵬，王秀蘭，樓燦洪，等.基于裂縫特征庫的混凝土梁橋承載能力快速評定[J].中國公路學(xué)報，2014，27(8)：32-41.

[2]張邵峰，陸春華，陳妤，等.裂縫對混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散和鋼筋銹蝕的影響[J].工程力學(xué)，2012，29（S1）：97-100.

[3]賀志勇，陽初，張建軍.基于ANSYS的等截面連續(xù)箱梁腹板裂縫分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2013,41(6)：63-68.

[4]胡志紅，王攀，鄒紅丹.某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋懸臂施工中底板縱向裂縫成因分析及處理措施 [J].世界橋梁,2015,43（3）：86-90.

[5]袁愛民，沙揚(yáng)峰，何雨，等.腹板帶縱向裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁剩余承載力試驗(yàn)研究 [J].土木工程學(xué)報,2015,48(S1)：22-28.

[6]王凌波，趙煜.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋開裂后的殘余承載力分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2015,12(1)：127-131.

[7]楊林虎，李克非，李全旺.裂縫控制寬度對氯鹽侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土受彎構(gòu)件劣化及維護(hù)成本的影響 [J].土木工程學(xué)報, 2013,46（11）：1-7.

[8]孟新奇，魏倫華，張津辰，等.大跨徑剛構(gòu)橋梁跨中下?lián)蠁栴}研究[J].世界橋梁，2013，41（2）：76-79，89.

[9]楊晉文.連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系挠绊懸蛩胤治鯷J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，28（2）：17-20.

[10]卜建清，崔金燦.預(yù)應(yīng)力損失對大跨度PC連續(xù)梁橋撓度的影響[J].鐵道工程學(xué)報，2014(7)：57-61.

U446

：B

：1009-7716（2017）02-0102-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.031

2016-11-28

王紅偉（1988-），男，河南鄭州人，工程師，從事橋梁健康監(jiān)測與加固研究工作。