連續剛構橋損傷計算模型分析與加固方案研究

李華，劉海寬*，程坤，于品德

(1.河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450015；2.公路橋梁安全檢測與加固技術交通運輸行業研發中心)

預應力混凝土連續剛構橋具有整體性好、剛度大，抗震性能好、行車舒適性佳、橋面伸縮縫少等優點。目前在中國，連續剛構橋的施工技術已相對成熟，能夠有效控制施工的質量和工期，在成橋運營之后所需的日常養護工作也較少。中國在1997年所建成的虎門大橋副航道橋主跨達270 m，將連續剛構橋的跨越能力體現到了極致。但在通車運營以后，受混凝土收縮徐變、預應力損失、重載交通、溫度作用等多種因素影響以及早期設計理念的局限，大跨連續剛構橋較普遍地出現跨中持續下撓，箱梁1/4跨～跨中附近腹板斜向開裂，跨中底板橫向開裂，頂、底板縱向開裂，齒板開裂等典型病害。這些病害的存在不僅影響橋梁的整體性和耐久性，持續發展甚至會對結構的安全造成危害，不得不面臨限載、加固維修，甚至退出使用的尷尬境地。因此，對連續剛構橋持續監測，及時判別結構病害損傷狀態，并采取加固對策，對橋梁的安全運營意義重大。該文以鄭(州)-盧(氏)高速公路水磨灣大橋為例，對橋梁損傷模型進行匹配分析，并進行橋梁加固對策研究。

1 工程背景

鄭盧高速公路水磨灣大橋為分離式雙幅橋，對稱布置，主橋設計為跨徑(65+110+65)m預應力混凝土連續剛構橋，上部結構為單箱單室斷面，頂板寬度12.75 m，底板寬度6.5 m，箱梁根部梁高6.0 m，跨中及邊跨合龍段梁高2.3 m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化。橋梁設計荷載等級為汽車-超20 級，掛車-120，橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 水磨灣大橋立面布置圖(除標高單位為m外，其余單位:cm)

水磨灣大橋自2005年建成通車以來，主橋箱梁頂、底、腹板及預應力齒板產生不連續的縱向裂縫，跨中底板產生橫向裂縫等主要病害。在2013年和2014年檢測對比發現橋梁病害發展迅速，亟需采取加固措施。主梁線形監測顯示，左右幅主跨跨中均出現明顯下撓，最大值約60 mm。

2 有限元計算與模型匹配

2.1 有限元計算模型

橋梁加固前應對結構進行計算分析，確定損傷后的橋梁計算模型，全面掌握既有結構的受力狀況，制定針對性的加固方案。由于橋梁損傷狀況無法精準確定，計算分析時采用包絡計算法建立水磨灣大橋有限元模型，將重載交通、預應力損失、截面折減等因素考慮在內，采用6種模型計算分析。除按規范計算混凝土收縮徐變外，其余5種模型的計算條件見表1。

2.2 計算結果與模型匹配分析

水磨灣大橋6種有限元模型計算結果如下：

(1)模型D在采用1.2倍設計荷載，考慮豎向預應力損失20%，縱向預應力附加損失20%時，計算箱梁1/4跨～跨中附近主拉應力較大，跨中主拉應力達到2.78 MPa，超過混凝土抗拉強度標準值，與底板橫向裂縫位置、形態基本吻合。

表1 5種有限元計算模型

(2)模型D在荷載組合作用下主梁的主拉應力都已超過混凝土抗拉強度標準值，必然導致結構開裂，結合應力結果和檢測中的裂縫分布圖來看，箱梁1/4跨～跨中附近主拉應力較大的區域與檢測發現腹板斜向裂縫密集區域吻合。

(3)箱梁開裂導致有效截面減小、主梁抗彎剛度降低、預應力損失、重載交通的持續作用等，導致了箱梁跨中下撓不斷增加。

通過分析，橋梁病害與模型D計算條件下的理論分析結果基本吻合，將模型D確定為損傷后的橋梁計算模型，加固驗算和設計將以此為依據。

3 加固對策與方案

3.1 加固設計目標

針對橋梁病害和損傷狀態，制定加固目標為：① 封閉主梁裂縫，消除表觀病害，提高結構耐久性；② 增加主梁應力儲備，適當改善主橋的橋面線形，抑制主梁跨中下撓，提高結構耐久性；③ 增強結構抗彎、抗剪承載能力，抑制腹板裂縫的發展。

3.2 跨中下撓控制措施

通過增設箱梁縱向體外預應力束，可增加主梁應力儲備，增強主梁整體剛度，提高結構耐久性，抑制主梁下撓。體外預應力束利用跨中及其附近橫隔板設置轉向塊，并在箱梁內植筋重新澆筑錨固塊，實現預應力的錨固和轉向。對水磨灣大橋每幅橋梁邊、中跨共設置6束標準抗拉強度fpk=1 860 MPa，無黏結環氧低松弛鋼絞線TW15-12成品索，每個腹板對應3束，通過3個轉向塊分3批進行下彎，設計錨下控制應力為1 209 MPa。體外預應力索體系布置如圖2所示。

3.3 裂縫的抑制與防控

對于箱梁頂底板、腹板、齒塊裂縫，按照JTG/TJ 22-2008《公路橋梁加固設計規范》第16.3條進行處理，對于寬度≥0.15 mm的裂縫采用壓漿法進行修補，對于寬度<0.15 mm的裂縫采用封閉法進行修補。裂縫封閉所采用膠體材料，應滿足現行相關規范的技術要求。箱梁裂縫封閉處理完成后，為防控裂縫的進一步發展，需根據裂縫產生原因采取加固措施進行抑制和防控。通過在主橋中跨1/4跨～跨中附近粘貼斜向鋼板，以提高主梁的抗剪能力，抑制腹板斜裂縫發展，鋼板粘貼完成后，在鋼板表面噴涂2 cm厚環氧砂漿。

圖2 體外預應力索體系布置圖

另外，通過重做橋面鋪裝及在頂板橫向粘貼鋼板，增加箱梁頂板剛度及橫向承載力，延緩頂板縱向裂縫發展，提高結構耐久性能；對于箱梁齒板裂縫，裂縫封閉完成后，采用粘貼鋼板補強，防控裂縫開展。

4 加固效果計算分析

4.1 加固前后承載能力對比

對水磨灣大橋加固前后跨中及墩頂關鍵截面的抗彎承載能力進行了驗算對比，結果見表2。

由表2可以看出：橋梁加固后跨中及墩頂承載能力均有明顯的提高，其中邊跨和中跨跨中承載能力提高了25.5%和27.8%，墩頂負彎矩提高了25.8、25.8%，抗彎承載能力安全系數明顯提高。

對橋梁加固前后跨中及墩頂關鍵截面的抗剪承載能力進行了驗算對比，結果見表3。

由表3可以看出：加固后各斷面承載能力均有不同程度的提高，其中邊跨和中墩墩頂抗剪承載能力提高了8.5%和14.3%，抗剪承載能力安全系數明顯提高。

表2 加固前后抗彎承載力驗算結果

表3 加固前后抗剪承載力驗算結果

4.2 加固前后應力狀態對比

采用體外預應力加固后，由于附加預應力的施加，各截面應力儲備會有不同程度的增加，驗算結果如表4所示。

表4 加固前后應力驗算結果

由表4可以看出：加固后中跨跨中截面下緣的應力儲備提高了約1.84 MPa，中跨L/4～L/2主梁的最大主拉應力降低約0.51 MPa，抗裂性能進一步提升。

4.3 加固前后主梁撓度對比

加固前后主梁撓度驗算結果如表5所示。

表5 加固前后撓度驗算結果

由表5可以看出：張拉后邊跨跨中上撓20.3 mm，中跨跨中上撓43.0 mm，抵消了原結構的部分下撓，并且由于體外預應力的施加，有利于箱梁橫向裂縫的閉合，并可在一定程度上減緩橋梁進一步下撓的速率。

5 結論

大跨連續剛構橋跨中持續下撓，箱梁開裂等典型病害，不僅影響橋梁的整體性和耐久性，持續發展甚至對結構的安全造成威脅，需要及時采取加固措施。橋梁加固前應確定橋梁的損傷情況，并進行理論計算分析，然后采取針對性的加固方案。通過粘貼鋼板被動加固和體外預應力主動加固，可有效提高結構的承載能力，提高結構剛度，改善結構的應力狀態，有效抑制梁體裂縫的發展；體外預應力施加引起的主梁跨中位移，可在一定程度上抵消跨中下撓，并可減緩跨中進一步下撓的速率。水磨灣大橋計算分析顯示，加固后支點截面及跨中截面的極限承載能力明顯提高；跨中截面下緣的應力儲備提高了約1.84 MPa；主梁的主拉應力降低約0.51 MPa；主梁跨中將向上產生約43.0 mm的位移，有利于主梁跨中底板橫向裂縫的閉合，提高結構耐久性。橋梁加固完成后對橋梁進行了檢測，加固后消除了現有病害，實現了加固目標。