體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)剛構(gòu)橋仿真分析

焦子旋，劉 建 ，曾天養(yǎng)，李紅利

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站，廣東 佛山 528000)

大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋的病害表現(xiàn)為：梁體的開裂和主梁的持續(xù)下?lián)?。體外預(yù)應(yīng)力加固是通過施加體外預(yù)應(yīng)力，改善截面應(yīng)力分布，達(dá)到提高主梁抗彎承載力、抗裂性及耐久性的目的[1]。體外預(yù)應(yīng)力加固不僅可用來進(jìn)行橋梁的整體加固，而且可用于橋梁局部加固，克服了其他方法加固時(shí)加固材料存在的應(yīng)力滯后問題，同時(shí)具有施工簡便和便于更換體外索等優(yōu)點(diǎn)，故其廣泛應(yīng)用于橋梁加固中。

為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全與耐久性，通常會(huì)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固施工過程進(jìn)行實(shí)測(cè)監(jiān)控，及時(shí)了解結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，為橋梁安全、順利地加固提供技術(shù)保障[3-7]。 作者擬結(jié)合有限元軟件，將體外預(yù)應(yīng)力加固過程中不同階段張拉體外束對(duì)主梁豎向變形及應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算和模擬分析[8-9]。在實(shí)際檢測(cè)過程中，結(jié)合計(jì)算理論值，確保實(shí)測(cè)值控制在合理范圍內(nèi)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的加固設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況及檢測(cè)現(xiàn)狀

1.1 橋梁概況

羅南特大橋是佛山一環(huán)高速公路西線上的一座大橋，于2006年建成通車，全長1 398.0 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為(83+150+83) m連續(xù)剛構(gòu)，半幅橋?qū)?2.63 m，采用單箱雙室斷面(其中：箱寬13.65 m，梁側(cè)懸臂翼緣板寬為4.49 m)。箱梁根部梁高8.50 m，跨中梁高3.00 m，箱梁高度變化采用1.8次拋物線。

1.2 加固前橋梁的病害

2012年和2014年分別對(duì)羅南特大橋進(jìn)行了定期檢查，檢測(cè)結(jié)論為“主橋箱梁腹板、頂板及底板出現(xiàn)較多裂紋；2014年較2012年表現(xiàn)為腹板斜裂縫數(shù)量的增加。在靠近主橋中跨跨中梁段為腹板斜裂縫分布的區(qū)域，最大長度2.17 m，最大寬度0.22 mm；新增斜向、縱向裂縫集中于15#～18#節(jié)段，即裂縫集中于中跨跨中附近40 m 范圍內(nèi)。箱梁底面存在較多縱向裂縫，最大裂縫寬度為0.12 mm；頂板縱向裂縫(最寬為0.22 mm)分布在跨中合攏段；箱梁橫隔板處存在豎向裂縫。

對(duì)該橋主橋線形進(jìn)行了測(cè)量。2012年與2006年對(duì)比，左幅主橋主跨跨中下?lián)?75 mm，右幅主橋主跨跨中下?lián)?63 mm。 2014年與2006年對(duì)比，左幅主橋主跨跨中下?lián)?5 mm，右幅主橋主跨跨中下?lián)?1 mm。病害仍在繼續(xù)惡化。

2 加固設(shè)計(jì)

采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁能延緩其跨中持續(xù)下?lián)?，改善橋面線型，加強(qiáng)主梁截面壓應(yīng)力儲(chǔ)備，并且具有施工簡單、工期短及對(duì)交通影響小等優(yōu)點(diǎn)[10]。鑒于該橋病害情況，擬采用的加固施工方案為：主橋中跨箱梁內(nèi)部腹板處通常布設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束通過鋼制轉(zhuǎn)向塊分兩批下彎，并錨固于零號(hào)塊的邊跨側(cè)。在一幅箱梁的兩側(cè)邊腹板各布置4 束12φs15.2 mm 鋼束及1束備用束，共10束(含備用束2束)；中腹板兩側(cè)各布置2束12φs15.2 mm 鋼束，共4束。錨下張拉控制應(yīng)力為1 116 MPa，體外預(yù)應(yīng)力束組分6批對(duì)稱張拉，依次為T1→T5→T2→T3→T6→T4。體外預(yù)應(yīng)力布置如圖1所示。

圖1 體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置Fig.1 The arrangement of externally-prestressed steel beams

3 有限元分析

3.1 結(jié)構(gòu)單元的劃分

以有限元分析程序Midas-Civil為工具進(jìn)行監(jiān)控計(jì)算。采用梁單元，建立橋梁結(jié)構(gòu)的桿系模型。按實(shí)際截面尺寸模擬主梁和墩柱，所用材料均為C50混凝土，離散后的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。其中：主梁部分有172個(gè)單元，單元編號(hào)從左至右為1#～172#。主梁梁端采用豎向支撐約束，墩底采用固結(jié)，體外束布置如圖3所示。

圖2 主橋有限元模型Fig.2 Finite element model of main bridge

圖3 模型體外預(yù)應(yīng)力束布置Fig.3 The arrangement of external prestressing tendons of main bridge

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

張拉控制應(yīng)力均為0.6fpk=1 116 MPa，即每束的張拉控制力為1 913.1 kN；預(yù)應(yīng)力孔道摩擦系數(shù)為0.08;錨具變形和鋼筋回縮等為0.006 m(開始、結(jié)束點(diǎn)取值相同)；鋼筋松弛系數(shù)為0.3。

3.3 有限元仿真計(jì)算結(jié)果

在運(yùn)用有限元軟件模擬加固的過程中，每張拉一束體外束后，主梁較加固前會(huì)發(fā)生豎向變形和出現(xiàn)應(yīng)力變化。選取中跨主梁墩頂、四分點(diǎn)及跨中5個(gè)關(guān)鍵截面，各截面不同張拉階段撓度和應(yīng)力的變化分別見表1，2。

表1 撓度變化的理論值Table 1 Theoretical calculation of the deflection change

表2 應(yīng)力增量的理論值Table 2 Theoretical values of the stress increment

從表1,2中可以看出:

1) 采用體外預(yù)應(yīng)力對(duì)羅南特大橋進(jìn)行加固，該橋主梁跨中下?lián)匣謴?fù)了13 mm。

2) 在加固后，主梁控制截面壓應(yīng)力儲(chǔ)備有所增加，主梁受力有一定的改善。

4 施工監(jiān)控

4.1 撓度監(jiān)測(cè)

按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量了箱梁豎向位移。橋梁分左、右兩幅測(cè)量，在主橋中跨的墩頂、四分點(diǎn)(靠近22#墩四分點(diǎn)為L/4，靠近23#墩四分點(diǎn)為3L/4)及跨中處分別植入一端磨圓且圓頭外露的鋼釘作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量各測(cè)點(diǎn)在不同施工階段的標(biāo)高，計(jì)算出撓度。撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖4所示。

圖4 撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意Fig.4 Deflection monitoring points

截面各張拉階段撓度的變化如圖5所示。從圖5中可以看出，每張拉一束體外束，橋面測(cè)點(diǎn)豎向位移的測(cè)量值整體上呈線性遞增變化。各索全部張拉到位后，22#和23#墩頂豎向位移的變化很小，測(cè)量值與理論值比較接近，且測(cè)量值稍大于理論值。

鋼束張拉完畢后，各截面撓度變化的理論值與測(cè)量值對(duì)比如圖6所示。從圖6中可以看出，鋼束張拉完畢后，22#和23#墩頂豎向位移的變化很小，四分點(diǎn)和跨中截面均有不同程度的上抬，跨中的上抬最為明顯，達(dá)到14.87～15.09 mm?？傮w上，豎向變形的測(cè)量值與理論值吻合，測(cè)量值比理論值大10%～20%。表明：加固后，線形得到了較好的改善。

4.2 應(yīng)變監(jiān)控

主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面為主橋主跨跨中、四分點(diǎn)及墩頂共5個(gè)關(guān)鍵截面，各截面測(cè)點(diǎn)分別布置在靠近頂板和底板處的腹板兩側(cè)(上測(cè)點(diǎn)均布置在頂板梗腋以下20 cm腹板上，下測(cè)點(diǎn)均布置在底板梗腋以上60 cm腹板上)，截面布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變片測(cè)定應(yīng)變。

圖6 鋼束張拉完畢后，各截面撓度變化測(cè)量值與理論值的對(duì)比Fig.6 Comparison between theoretical value and actual measured value of deflection change for each section after steel beam tension

圖7 應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.7 The layout of strain monitoring and measuring points

每張拉一束體外束各關(guān)鍵截面上、下緣應(yīng)力增量測(cè)量值與理論值的對(duì)比如圖8所示。從圖8中可以看出，各斷面測(cè)點(diǎn)在體外束依次張拉過程中應(yīng)變(應(yīng)力)測(cè)量值整體上呈線性變化，測(cè)量值與理論值比較接近，應(yīng)力增量的測(cè)量值稍大于其理論值。

鋼束張拉完畢后，各截面上、下緣應(yīng)力變化理論值與測(cè)量值的對(duì)比如圖9所示。從圖9中可以看出，各索全部張拉到位后，箱梁頂板和底板混凝土壓應(yīng)力均有不同程度的增加，墩頂截面靠近上緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為1.23 MPa，靠近下緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為0.02 MPa；四分點(diǎn)截面靠近上緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為1.05～1.17 MPa，靠近下緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為0.3 MPa；跨中截面靠近上緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為1.19 MPa，靠近下緣測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為1.88 MPa。測(cè)量值和理論值吻合，測(cè)量值比理論值大10%～20%。表明：箱梁應(yīng)力分布得到了改善和調(diào)整。

圖8 各關(guān)鍵截面上、下緣應(yīng)力增量Fig.8 Stress increment at the upper and lower edge of each key section

圖9 鋼束張拉完畢后，各截面上、下緣應(yīng)力增量測(cè)量值與理論值的對(duì)比Fig.9 Comparison between theoretical value and actual measured value of stress increment at upper and lower edges of steel beam after tension

5 結(jié)論

1) 在體外預(yù)應(yīng)力束按T1,T5,T2,T3,T6和T4依次張拉的過程中，羅南特大橋的豎向變形和應(yīng)力變化正常，實(shí)測(cè)變化規(guī)律及其數(shù)值與理論計(jì)算結(jié)果一致。

2) 體外索張拉完畢后，主跨橋面各測(cè)點(diǎn)除墩頂處外，其余各處均有一定程度上撓，跨中上撓最為明顯?？缰猩蠐系臏y(cè)量值比其對(duì)應(yīng)的理論值大1.87～2.09 mm，四分點(diǎn)上撓的測(cè)量值比其對(duì)應(yīng)的理論值大0.24～0.53 mm。整體上豎向位移的測(cè)量值與其理論值比較接近，測(cè)量值比其對(duì)應(yīng)的理論值大10%～20%，達(dá)到了預(yù)期的效果。主梁線形得到了改善，主梁下?lián)馅厔?shì)得到了有效抑制。

3) 體外索張拉后，箱梁頂、底板混凝土壓應(yīng)力均有不同程度的增加，測(cè)量值與其對(duì)應(yīng)的理論值吻合，且比理論值大10%～20%。表明：該橋加固后，壓應(yīng)力儲(chǔ)備在一定程度上有所提高，箱梁應(yīng)力分布得到了改善，施工效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4) 本研究采用的有限元計(jì)算分析是可信的。同時(shí)，可為PC連續(xù)剛構(gòu)橋的加固設(shè)計(jì)與施工監(jiān)控提供經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 王榮霞,金克喜,王玲.體外預(yù)應(yīng)力筋加固不同初始狀態(tài)箱梁受力性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(2):224-229.(WANG Rong-xia,JIN Ke-xi,WANG Ling.Experimental analysis on mechanical properties of externally presstressed box beams based on different original status[J].China Civil Engineering Journal,2010,43(2):224-229.(in Chinese))

[2] 尹浩輝.連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固的效果分析[J].鐵道建筑,2009(3):36-37.(YIN Hao-hui.Analysis of the effect of external prestressing reinforcement on the continuous rigid frame bridge[J].Railway Engineering,2009(3):36-37.(in Chinese))

[3] 余超良.體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)梁橋施工監(jiān)控研究[J].中外公路,2013,33(6):202-204.(YU Chao-liang.Study on construction monitoring of continuous beam bridge reinforced by external prestressing[J].Journal of China & Foreign Highway,2013,33(6):202-204.(in Chinese))

[4] 巴力,賀一新,鄧志飛.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋加固施工監(jiān)控[J].鐵道建筑,2009(3):89-92.(BA Li,HE Yi-xin,DENG Zhi-fei.Construction monitoring of long span prestressed concrete continuous rigid frame bridge[J].Railway Engineering,2009(3): 89-92.(in Chinese))

[5] 包龍生,楊丹,葉磊.體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控研究[J].公路交通科技,2011(12):113-116.(BAO Long-sheng,YANG Dan,YE Lei.Study on construction monitoring of continuous beam bridge reinforced by external prestressing[J].Highway Traffic Science and Technology,2011(12):113-116.(in Chinese))

[6] 李建波.連續(xù)箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力施工模擬與監(jiān)控[J].城市道橋與防洪,2016(9):181-185.(LI Jian-bo.Construction simulation and monitoring of external prestress of continuous box girder bridge[J].Urban Roads Bridges & Flood Control,2016(9):181-185.(in Chinese))

[7] 于天來,鄭彬雙,王任重,等.鋼筋混凝土Π形梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究[J].中外公路,2016,36(6):117-121.(YU Tian-lai,ZHENG Bin-shuang,WANG Ren-zhong,et al.Study on the reinforcement technology of reinforced concrete Π beam bridge[J].Journal of China & Foreign Highway,2016,36(6):117-121.(in Chinese))

[8] 祖桂文,張春玉,高俊亮,等.有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)剛構(gòu)箱梁應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,36(4):97-100.(ZU Gui-wen,ZHANG Chun-yu,GAO Jun-liang,et al.Application research of reinforced continuous rigid box beam for bonded external prestress[J].Journal of Hebei University of Technology,2007,36 (4):97-100.(in Chinese))

[9] 方亮.體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)剛構(gòu)橋研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013.(FANG Liang.Study on external prestress strengthened in the continuous rigid-frame bridge[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2013.(in Chinese))

[10] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.JTG/T J22-2008,公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2008.(The First Highway Survey and Design Institute Co., Ltd..JTG/T J22-2008,Specifications for strengthening the design of highway bridges[S].Beijing:China Communications Press,2008.(in Chinese))