PC連續剛構橋運營過程中承載力影響因素研究

王紅偉，相斌輝，焦 興

（1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 廣西 530004；2.南昌工程學院，南昌 江西 330096；3.江西省建筑材料工業科學研究設計院，南昌 江西 330001）

PC連續剛構橋運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.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 廣西 530004；2.南昌工程學院，南昌 江西 330096；3.江西省建筑材料工業科學研究設計院，南昌 江西 330001）

對PC連續剛構橋的主要病害進行歸納總結，以一座主跨98m的三跨PC連續剛構橋為工程實例，采用有限元分析的方法對PC連續剛構橋承載力影響因素進行研究，得出各個承載力影響因素對PC連續剛構橋的影響。結果表明，縱向預應力損失、跨中下撓和溫度對PC連續剛構橋的承載力有著重要的影響，在PC連續剛構橋運營過程中加強對預應力損失和跨中下撓的監測，對同類橋梁的檢測和加固有一定借鑒意義。

連續剛構橋；病害調查；承載力；有限元

0 引言

PC連續剛構橋作為我國橋梁建設的重要組成部分，在橋梁交通網中發揮著重要作用，發展比較迅速，大批PC連續剛構橋建立起來，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連續剛構橋大規模建設的同時，大量已建連續剛構橋在其設計使用壽命的初期或中期就出現了不同程度的病害，例如梁體開裂、跨中下撓等，其引起的PC連續剛構橋承載力和耐久性的變化也受到橋梁界的廣泛關注。本文基于PC連續剛構橋的病害調查和荷載試驗，依托PC連續剛構橋三維有限元模型，對其常見病害和承載力計算、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，橋涵設計荷載為城A級，采用雙幅分離式結構，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，全橋設置三向預應力體系。欽江三橋主橋立面圖如圖1所示。

2 有限元模型

依據欽江三橋設計圖紙和結構特點，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，預應力鋼筋采用Link10桿單元模擬，支座和橋墩基礎采用約束的方式。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，分別進行了模態分析和靈敏度分析，并與實橋荷載試驗結果進行對比分析，并采用一階優化算法對有限元模型進行模型修正，零階優化算法進行校核，模型修正后目標函數由0.196降到0.032，具有較高的計算精度。目標函數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 目標函數靈敏度（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

在連續剛構橋的運營養護期，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連續剛構橋箱梁頂板開裂如圖5所示。

圖5 某PC剛構橋箱梁頂板開裂分布

梁體開裂的產生與多方面因素有關，例如預應力損失、混凝土收縮徐變、溫度和基礎不均勻沉降等。開裂會造成梁體內鋼筋銹蝕和箱梁應力重分布，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，國內外的許多專家學者也開展了許多研究。

梁鵬[1]等通過建立裂縫特征庫實現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；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；袁愛民[5]等通過試驗研究的方法指出一側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]等指出裂縫對預應力梁橋剛度和承載力的影響可以通過折減系數體現，并給出了承載能力折減計算方法；楊林虎[7]等指出當裂縫控制寬度小于0.3mm時，其對鋼筋混凝土使用期維護成本的影響較小，當裂縫寬度超過0.3mm時，構件維護成本增加迅速。

目前針對連續剛構橋箱梁開裂的成因以及發展程度，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、體外預應力法等幾種。

3.2 跨中下撓

跨中下撓是目前已建PC連續剛構橋另一個出現較多的病害，影響橋梁的線形和承載力。目前已建的國內外連續剛構橋均出現不同程度的跨中下撓：國外主跨240m的帕勞共和國科巴大橋建成18年，跨中下撓達120cm；主跨301m的挪威Stolma橋建成3年下撓9.2cm;主跨195m的美國Parrotts渡橋建成12年，主跨下撓63.5cm；國內主跨270m的虎門大橋輔航道橋建成8年，彈性撓度達到了23.2cm;主跨120m的廣東南海金沙大橋建成6年，跨中下撓達到了22cm。國內因下撓和開裂等嚴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

跨中下撓的產生與多方面因素有關，例如預應力損失、混凝土收縮徐變和基礎不均勻沉降等，跨中下撓會和梁體開裂相互作用，嚴重影響連續剛構橋的承載能力。針對連續剛構橋的梁體開裂，國內外的許多專家學者也開展了許多研究。孟新奇[8]等通過實橋研究指出，PC剛構橋的跨中下撓能得到抑制但是不能完全避免；楊晉文[9]通過對兩座PC剛構橋理論分析指出PC剛構橋箱梁跨中上下緣隨時間不斷增大的應力差與跨中下撓有著直接關系；卜建清[10]等PC剛構橋跨中下撓的主要原因是混凝土收縮徐變及其引起的預應力損失。

由于跨中下撓是由多方面因素引起，因此跨中下撓病害的處理也應該從多方面入手，從設計、施工和運營維護多方面進行處理，減少預應力損失、混凝土收縮徐變、基礎不均勻沉降對連續剛構橋的影響，將其控制在合理的范圍內。

4 承載力影響因素

4.1 預應力損失

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

圖7 預應力損失對跨中豎向位移影響

圖8 預應力損失對跨中底板縱向應力影響

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

縱向預應力損失直接關系到PC連續剛構橋跨中下撓和梁體開裂的程度，影響PC連續剛構橋的承載能力和安全性，在PC連續剛構橋的施工和運營過程中應重點加強對縱向預應力損失的監測。

4.2 跨中下撓

跨中下撓不僅會影響PC連續剛構橋的線形，更會影響其承載力，基于PC連續剛構橋的受力特點，在跨中下撓單獨作用下，分別求解中跨跨中下撓0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm對PC連續剛構橋的影響，結果如圖9所示。

圖9 跨中下撓對邊跨和中跨彎矩影響

由圖9可以看出，中跨跨中下撓對PC連續剛構橋中跨跨中彎矩的影響比邊跨跨中彎矩的影響大，中跨跨中下撓對PC連續剛構橋中跨跨中彎矩的影響基本成線性關系，隨著跨中下撓的增大，PC連續剛構橋的承載力發生變化，箱梁的應力發生重分布，直接影響橋梁的承載能力，因此應嚴格控制PC連續剛構橋的跨中下撓，在后期的運營養護中加強對PC連續剛構橋跨中下撓的監測。

4.3 溫度

PC連續剛構橋是超靜定結構，溫度會在其內部產生附加內力，基于PC連續剛構橋的三維實體模型，自重和預應力作用下，分別考慮整體升溫0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃對PC連續剛構橋的影響，結果見表1。

表1 整體溫度變化對PC連續剛構橋的影響

由表1可以看出：

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

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

（3）PC連續剛構橋實際運營過程中，向陽面和背陽面溫度不同，進而造成同一斷面溫度分布不均勻，會引起箱梁附加應力，導致箱梁應力重分布，與其他效應一起造成箱梁開裂等。

5 結語

基于連續剛構橋常見病害和有限元分析，研究了預應力損失、中跨跨中下撓和溫度對PC連續剛構橋的影響，可以得出如下結論：

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

（2）中跨跨中下撓對中跨跨中彎矩的影響比邊跨跨中彎矩的影響大，在橋梁運營過程中應加強對跨中下撓的監測。

（3）整體溫度變化對連續剛構橋跨中豎向位移的影響比縱橋向跨中應力大，應作為連續剛構橋健康監測系統的重點監測項目。

健康監測系統是橋梁的一個重要發展方向，在大跨度拱橋、斜拉橋和懸索橋上運用較多，但在連續剛構橋上應用較少且存在許多不足，例如評估指標的全面性和合理性等，因此針對連續剛構橋出現的問題，研究其全壽命健康監測系統至關重要。

[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].中國公路學報，2014，27(8)：32-41.

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

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

[4]胡志紅，王攀，鄒紅丹.某預應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，沙揚峰，何雨，等.腹板帶縱向裂縫的預應力混凝土空心板梁剩余承載力試驗研究 [J].土木工程學報,2015,48(S1)：22-28.

[6]王凌波，趙煜.預應力混凝土箱梁橋開裂后的殘余承載力分析[J].鐵道科學與工程學報,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境中鋼筋混凝土受彎構件劣化及維護成本的影響 [J].土木工程學報, 2013,46（11）：1-7.

[8]孟新奇，魏倫華，張津辰，等.大跨徑剛構橋梁跨中下撓問題研究[J].世界橋梁，2013，41（2）：76-79，89.

[9]楊晉文.連續剛構橋跨中下撓的影響因素分析[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2015，28（2）：17-20.

[10]卜建清，崔金燦.預應力損失對大跨度PC連續梁橋撓度的影響[J].鐵道工程學報，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，從事橋梁健康監測與加固研究工作。