基于Midas Civil 的預應力混凝土橋梁結構承載力驗算分析

張國強 惠小磊 謝 丹

（1、西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065 2、陜西交控市政路橋集團有限公司，陜西 西安 710065 3、陜西西公院工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710065）

隨著我國基建行業(yè)的蓬勃發(fā)展，交通量實現(xiàn)了質的跨越，當前有許多修建較早的橋梁或多或少都存在著設計荷載的標準低、承載的能力不足、橋梁的構件出現(xiàn)了嚴重破損等問題。這些橋梁技術狀況比較差、存在著許多潛在安全隱患，因此，為了進一步消減潛在的安全隱患，將公路橋梁的實際運營狀態(tài)維持在穩(wěn)定、高水平的條件下，就需要選用合適的加固技術來予以保障。作為一類通過附加預應力索來改善預應力缺陷問題的加固技術，體外預應力加固在我國公路橋梁工程建設中的研究目前仍處于較為初級的階段[1，2]。因此體外預應力加固技術在我國工程實際中的應用還不成熟，依然有很長的路要走，所以未來應加強對體外預應力加固技術進行系統(tǒng)化、深入化和程序化的研究，從而實現(xiàn)體外預應力加固技術在國內的發(fā)展應用走向新的高度。

1 工程概況

本文以我國某大橋為例展開分析，該橋梁的中心樁號為K662+200，項目全長約463m，橋梁跨徑采用13×35m 的設計方案，借助工廠預制、現(xiàn)場吊裝的方式完成施工。根據(jù)設計方案可知該項目橋面設計寬度約為25.5m，其中防撞欄采用0.5m 的設計寬度，行車道采用11.25m的設計寬度；橋面鋪裝層選擇瀝青混凝土材料完成施工，沿橋梁全線共設有5 道伸縮縫。對于上部結構而言，采用箱形截面梁設計，材料為預應力混凝土，結構分為左右兩幅，每幅每跨橫向布置4 片預制箱梁，支座選擇板式橡膠支座。對于下部結構而言，橋臺設計以多柱框架式為主；空心板以及橋臺、墩柱、蓋梁所用混凝土的設計強度分別為C50、C40；支座選擇板式橡膠支座。

計算K662+200 某大橋承載能力，確定橋梁加固方案。上部結構的計算參照相關規(guī)范及其他我院其他同類型建成橋梁項目；本文采用Midas Civil 有限元分析軟件完成上部結構的承載能力驗算，驗算過程以A 類預應力混凝土結構為標準。試算預應力損失來模擬主梁開裂，計算現(xiàn)場檢測狀況下橋梁結構的承載能力，擬定初步加固方案。

2 結構承載力計算

2.1 地質水文條件

本文所選擇的工程橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度?，F(xiàn)場地質條件較為復雜，其中部分基坑中存在一定厚度的淤泥質粉質黏土層，其力學性質相對較差，因此在計算的時候土質為淤泥質粉質黏土和粉質黏土，考慮最不利工況情況下，該Midas Civil 的基坑模型中，土層設置為三層，依次是淤泥質粉質黏土、粉質黏土以及持力層，各土層的力學參數(shù)如表1 所示。

表1 土層力學參數(shù)表

2.2 主要材料

2.2.1 混凝土

根據(jù)上文可知，在本項目中主梁的材料為C50 混凝土。在Midas Civil 中定義混凝土軸心抗壓、抗拉的強度標準值分別為32.4MPa、2.65MPa，定義抗拉強度設計值為1.83MPa，根據(jù)實際材料選擇將混凝土彈性模量定義為3.45×104MPa。

定義混凝土剪切模量Gc 以0.4Ec 為標準，泊松比取為0.2，同時混凝土材料性質定義中各項參數(shù)均應滿足我國現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2.2 鋼筋

在本項目中所用的鋼筋以HRB400、HPB300 為主。在分析中選用（1×7）φs15.2mm 的預應力鋼絞線，其抗拉強度標準值為1860MPa。張拉預應力所用錨具為夾片錨，同時也應配備相應的墊板及螺旋筋。普通鋼筋及預應力鋼筋的主要技術指標如表2 所示。

表2 普通鋼筋和預應力鋼筋的主要技術指標（單位：MPa）

2.3 計算模型

本文工程實例橋設計安全等級指標為一級，根據(jù)規(guī)范結構的重要性系數(shù)為1.1。結構的計算主要有包括永久荷載作用和可變荷載作用。其中永久荷載作用主要是結構自重以及混凝土的收縮徐變作用?？勺兒奢d作用主要是人群荷載和溫度荷載[3]。采用有限元軟件建模計算，模型如圖1。

圖1 Midas Civil 計算模型

3 驗算結果

試算預應力損失達到40%附近時，主梁結構內的最大拉應力大于C50 混凝土的抗拉強度設計值ftd=1.83MPa，此時即可認定主梁發(fā)生嚴重的開裂，圖3 為模擬現(xiàn)場檢測狀況下橋梁結構的承載能力結果。由圖2（a）、（b）可知，該橋承載能力缺失10～30%左右。

圖2 橋梁結構驗算結果

4加固方案

針對橋梁現(xiàn)有病害及技術狀況，結合Midas Civil 驗算的出的預應力損失，進一步提高橋梁壽命，提出以下建議：

4.1 增大截面與配筋加固工藝

這兩種工藝技術均需在梁體的底、側面布置適量的鋼筋并澆筑混凝土封面。實踐表明，該工藝可以增大梁截面的高度與配筋量，從而即可實現(xiàn)了大幅度提升混凝土橋梁承載力的目的。在進行加固施工過程中必須嚴格按照標準對混凝土的表面進行深度清理和打毛（如圖3），整個加固施工流程需在梁板的底部進行。但由于此工藝不能夠有效地控制工程施工的質量，因此一定程度上防礙了該項工藝的進一步推廣和應用[4]。

圖3 混凝土表面鑿毛

4.2 粘貼鋼板或碳纖維布加固工藝

粘貼鋼板或碳纖維布加固工藝是通過專用粘結劑或錨栓技術來在原有結構表面附加一層鋼板、纖維布等，以此來提升施工位置處的承載能力，消除原有的力學薄弱部位，確保附加的鋼板、纖維布能夠與受損的混凝土結構形成的一個完好的受力整體，盡而可有效地提升原橋梁結構的承載力。該加固工藝已經(jīng)逐漸的應用在當前橋梁加固施工當中，并且也取得了非常好的加固成效。需要注意的是，碳纖維自身具有較為突出的脆性特征且對扛火能力薄弱，因此該加固工藝的推廣應用范圍也有一定程度的限制[5]，如圖4。

圖4 粘貼鋼板加固

4.3 改變結構受力體系加固工藝

改變原有結構受力特性，能夠優(yōu)化結構內力的傳導路徑，進而保證混凝土橋梁的結構承載能力能夠得到更進一步的提高。這一種加固工藝的推廣與應用不但可大幅度提高整體結構的承載能力，而且還可以很大程度避免了由于受力開裂而引發(fā)的剛度減小等問題，從而全方位提升了橋梁結構的整體剛度。由于大多數(shù)橋梁結構加固施工中很多都不會采用這種工藝，因為它改變原橋梁結構受力體系不確定風險較大，因此該工藝的大規(guī)模推廣和應用得到了制約[6]，如圖5。

圖5 簡支變連續(xù)鋼筋構造

4.4 體外預應力加固工藝

體外預應力加固工藝是一種通過在橋梁的主梁外側或箱部的內側等受力部位，布設一定數(shù)量的預應力筋，在施工流程中可根據(jù)不同狀況調整預應力筋的位置或者轉向，使其達到了增強預應力加固的作用和提高橋梁結構承載力的目的。圖6 為整束式轉向器示意圖。作為目前我國公路橋梁加固中應用最為廣泛的技術工藝之一，體外預應力法對于大跨度連續(xù)梁體的加固表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢性。

圖6 整束式轉向器示意圖

5 結論

本文以實際工程為例，采用Midas Civil 驗算了體外預應力加固設計的有效，可以優(yōu)質高效地為大橋提高承載能力。通過對比了原始橋梁的承載能力和現(xiàn)在承載能力，結果表明,Midas Civil 在預應力混凝土橋梁接受承載能力驗算中, 能夠準確客觀的反應橋梁的使用性能和穩(wěn)定性,應廣泛推廣應用。最后根據(jù)橋梁現(xiàn)狀，提出了五種加固措施，該研究可為類似工程提供參考依據(jù)。