基于有限元模擬分析連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力維修加固方案有效性

趙家勝

(烏海市公路養(yǎng)護(hù)中心，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

0 引 言

隨著通車時(shí)間延長，在混凝土收縮、徐變、預(yù)應(yīng)力損失、溫度等因素影響下，PC連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)橋梁箱體開裂現(xiàn)象，對行車安全產(chǎn)生了不利影響[1]。該文對PC連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁病害情況、病害誘因、加固措施等進(jìn)行了分析，針對橋梁預(yù)應(yīng)力損失，通過有限元模型模擬進(jìn)行了加固方案效果的討論。

1 工程概況

橋梁為PC變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，箱梁截面為單箱單室，采用橫向預(yù)應(yīng)力、縱向預(yù)應(yīng)力、豎向預(yù)應(yīng)力三體系構(gòu)成，全長178.2 m，梁頂板寬12 m，底板寬6 m，根部梁高4.6 m，跨中梁高2.3 m，箱梁下結(jié)構(gòu)為雙薄壁柔性橋墩和柱臺(tái)式樁基。對此橋梁病害情況現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橋梁頂板、底板縱向裂縫較多，腹板斜向裂縫明顯，存在行車風(fēng)險(xiǎn)。

2 典型病害

橋梁上部構(gòu)件常見病害類型包括鋼構(gòu)底板橫向裂縫、底板縱向裂縫、頂板縱向裂縫、腹板斜向裂縫，頂板縱向裂縫和腹板斜向裂縫最為常見[2]。PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)喜『φT因如下。(1)頂板預(yù)應(yīng)力損失，PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)鲜芰Σ环€(wěn)定。(2)車輛荷載作用，影響混凝土徐變性能。(3)底板橫向裂縫或縱向裂縫出現(xiàn)后，箱梁主梁被拉伸，箱梁穩(wěn)定性不足，結(jié)構(gòu)受挫，剛度降低，存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3 橋梁加固及維修方案

3.1 加固設(shè)計(jì)目標(biāo)及思路

通過“箱內(nèi)體外束+箱內(nèi)腹板加厚+箱內(nèi)頂板粘貼鋼板+箱外底板粘貼鋼板”聯(lián)合加固方案，改善PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁應(yīng)力狀態(tài)，使橋面變形性得以改善，增強(qiáng)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系装逑戮夘A(yù)應(yīng)力，改善其承載力和穩(wěn)定性[3]。

3.2 維修完善

(1)增大箱梁腹板截面補(bǔ)強(qiáng)薄弱位置，避免裂縫發(fā)展，采用粘貼鋼板的方式處置頂板或底板薄弱位置，進(jìn)一步改善裂縫處應(yīng)力狀態(tài)，抑制裂縫進(jìn)一步發(fā)展[4]。

(2)PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁邊跨或中跨腹板斜向裂縫，增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力，改善橋面變形狀態(tài)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)受力，以增強(qiáng)其承載力。

3.3 完善方案及內(nèi)容

(1)采用通長布置的方式于箱梁內(nèi)部布置體外預(yù)應(yīng)力，加設(shè)體外預(yù)應(yīng)力后連續(xù)剛構(gòu)橋主跨跨中處出現(xiàn)一定程度位移，橋梁承載力得以改善。

(2)順著橋梁方向，于主墩墩頂和轉(zhuǎn)向處設(shè)置預(yù)應(yīng)力束，采用框架梁加固，確保無體外束下彎情況，保持頂板與預(yù)應(yīng)力束位置間隔合理，下彎與底板位置靠近。為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，盡量減少體外束彎曲，以防止預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)項(xiàng)目需求和施工情況結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力布置情況，在箱梁邊跨處設(shè)置直徑為15 mm的預(yù)應(yīng)力束，。

4 橋梁預(yù)應(yīng)力損失和加固效果

4.1 有限元模擬及分析方法

采用midas Civil有限元軟件建立模型，根據(jù)PC連續(xù)鋼構(gòu)模型，全橋共236個(gè)單元和254個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合項(xiàng)目施工圖和工藝參數(shù)，對有限元模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，使其應(yīng)力符合實(shí)際情況，對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和預(yù)應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算[5]。

4.2 橋梁預(yù)應(yīng)力損失和加固效果對比分析

通過midas Civil有限元軟件進(jìn)行建模，對“箱內(nèi)體外束+箱內(nèi)腹板加厚+箱內(nèi)頂板粘貼鋼板+箱外底板粘貼鋼板”方案的加固方案效果進(jìn)行分析，探究縱向預(yù)應(yīng)力損失與主梁應(yīng)力間的關(guān)系[6]，對不同工序條件下的加固效果進(jìn)行分析。

(1)加固措施實(shí)施前，縱向預(yù)應(yīng)力損失與主梁應(yīng)力間關(guān)系如圖1所示。

圖1 加固前縱向預(yù)應(yīng)力損失對主梁上、下緣應(yīng)力影響

對圖1分析可知，加固前，縱向預(yù)應(yīng)力損失后，連續(xù)鋼構(gòu)橋梁主梁上緣應(yīng)力損失為10%時(shí)，測量結(jié)果顯示主梁上緣最大應(yīng)力為-6.62 MPa和-6.43 MPa，主梁下緣應(yīng)力損失10%時(shí)，最大應(yīng)力為-7.13 MPa和-6.8 MPa。主梁上緣預(yù)應(yīng)力損失20%時(shí)，最大應(yīng)力為-7.21 MPa和-7.74 MPa，主梁下緣最大應(yīng)力為-7.28 MPa和-6.4 MPa。

(2)連續(xù)剛構(gòu)橋處于正常使用的極限狀態(tài)下，主梁上下緣應(yīng)力加固前后情況如圖2所示。

圖2 正常使用極限狀態(tài)下主梁上、下緣應(yīng)力變化

對圖2分析可知，連續(xù)剛構(gòu)橋主梁上緣加固前最大預(yù)應(yīng)力值為-8.48 MPa和-9.04 MPa，主梁下

圖3 加固前后考慮預(yù)應(yīng)力損失的主梁上、下緣應(yīng)力變化

緣加固前最大預(yù)應(yīng)力值為-7.45 MPa，加固后主梁上緣最大應(yīng)力值為-10.3 MPa和-10.9 MPa，連續(xù)鋼構(gòu)橋跨中應(yīng)力值為-11.3 MPa。

(3)橋梁中跨底板縱向預(yù)應(yīng)力損失25%、其他區(qū)域預(yù)應(yīng)力損失20%情況下，主梁加固前后橋梁中跨上下緣應(yīng)力值變化情況如圖3所示。

對圖3分析可知，將預(yù)應(yīng)力損失考慮在內(nèi)，加固前主梁上緣最大應(yīng)力值為-6.24 MPa和-6.45 MPa，主梁跨中下緣應(yīng)力值為-4.12 MPa，加固后主梁上緣最大應(yīng)力值為-7.74 MPa和-8.17 MPa，加固后主梁跨中下緣應(yīng)力值為-8.15 MPa。

(4)正常使用情況下橋梁極限狀態(tài)下?lián)隙戎狄姳?。分析表1可知。

①原設(shè)計(jì)方案條件下，剛構(gòu)橋邊跨相對撓度和中跨相對撓度值分別為7.22 mm和30.14 m，加固后邊跨相對撓度和中跨相對撓度值分別為6.61 mm和29.71 mm；

②中跨底板縱向預(yù)應(yīng)力損失25%和其他底板縱向預(yù)應(yīng)力損失為20%情況下，加固前邊跨和中跨相對撓度值分別為7.34 mm和29.78 mm，加固后邊跨和中跨相對撓度值分別為6.75 mm和27.49 mm。綜合分析可知，相關(guān)加固措施實(shí)施后，剛構(gòu)橋邊跨和中跨相對撓度值有所減少。

表1 正常使用極限狀態(tài)下的撓度分析

5 結(jié) 論

對某PC變截面連續(xù)剛構(gòu)橋承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行了分析，并借助有限元模型模擬對原加固方案實(shí)施前后橋梁參數(shù)進(jìn)行了對比。

(1)借助有限元模型進(jìn)行參數(shù)模擬和修正后發(fā)現(xiàn)，縱向預(yù)應(yīng)力損失會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力減小，跨中撓度值增加，加固前主梁跨中相對撓度值為30.14 mm，借助張拉體外預(yù)應(yīng)力措施調(diào)整后，產(chǎn)生了3 mm的理論拱值，實(shí)際測量值與預(yù)期指標(biāo)之間有一定的偏差。

(2)中跨底板縱向預(yù)應(yīng)力損失25%和其他底板縱向預(yù)應(yīng)力損失為20%情況下，加固前主跨跨中截面下緣存在拉應(yīng)力，邊跨跨中位置拉應(yīng)力最大為7.84 MPa，上緣拉應(yīng)力值與橋梁開裂，下?lián)锨闆r下的數(shù)據(jù)接近。

(3)正常極限使用狀態(tài)下，橋梁加固前主跨跨中截面下緣拉應(yīng)力為0.02～0.032 MPa。加固措施實(shí)施后，橋面處于全截面受壓狀態(tài)，在荷載情況下測量主梁跨中預(yù)應(yīng)力，結(jié)果顯示張拉體外預(yù)應(yīng)力后，主跨跨中截面預(yù)應(yīng)力值明顯改善，主梁受力狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，橋梁承載力與穩(wěn)定性明顯提升。