裝配式斜交空心板橋橫向預應力加固

鄒蘭林，蔡 睿，周興林，吳耀輝

(武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430065)

裝配式板橋是我國較為常見的橋型之一，具有施工質量有保障、現場施工時間短、造價相對較低等優點。其中，裝配式斜交空心板橋有較大的抗扭剛度，且結構輕巧、施工簡便，能改善道路線形及適應復雜的街道條件，縮短路線和橋長，已廣泛應用于高等級公路和市政工程中[1]。但研究發現，由于斜交空心板橋較正交板橋受力復雜，因而其鉸縫病害問題更為嚴重[2-3]。為此，人們進行了大量理論研究和試驗分析，找到一些解決方法，例如改變鉸縫形式[4]、化學灌漿[5]、鋼板加固、預應力加固[6]等。

現在所采用的斜交空心板橋加固改進措施大部分都是被動式加固，不能徹底解決鉸縫病害問題。相比較而言，在空心板體外施加橫向預應力是目前最有效的一種加固方法。橫向預應力加固可使空心板在鉸縫接頭處產生預應力，有效消除拉應力，改善鉸縫應力和荷載的橫向分布，避免鉸縫產生裂縫以及單板受力，提高橋梁剛度，從而減少病害的發生和進一步發展。

國內現階段對裝配式梁橋的橫向預應力加固方法一般是在其底板施加預應力，加固區域通常只位于跨中直線部位，而忽略了斜端部的作用。這種加固方法會使斜端部達不到預壓效果，還可能讓鉸縫上緣出現拉應力，使得鉸縫截面上部橫向受拉，從而導致鉸縫處于更加不利的受力狀態，不僅起不到加固作用，還可能會加快鉸縫病害的出現[7]。針對此問題，本文提出一種在空心板板底、板頂的直線部位及斜邊三分之一處分別施加橫向預應力的炭纖維板加固方案，并采用ABAQUS軟件建立裝配式斜交空心板橋模型，通過仿真分析來驗證該方案的可行性和有效性。

1 有限元建模

1.1 橋梁概況與有限元模型

某裝配式斜交空心板橋，橫向由7塊空心板組成，每板寬約 1.25 m，橋梁寬度為8.74 m，跨徑L=16 m，計算跨徑為 15.4 m，斜交角為30°，梁高0.80 m，混凝土采用 C40，各板間由深鉸縫混凝土進行連接。全橋橫截面如圖1所示。

圖1 全橋橫截面

由于研究重點是鉸縫，所以橋面板采用整體式模型[8]，用均化的鋼筋混凝土折算彈性模量ER，計算公式為：

(1)

式中：EC為混凝土彈性模量；ES為鋼筋彈性模量；μ為配筋率。

利用ABAQUS軟件建立該橋的有限元模型，其中主梁、橋面和鉸縫均采用C3D8單元模擬，單元劃分方法采用自由網格劃分；鉸縫內鋼筋采用梁單元，鋼筋和混凝土的關系用嵌入單元進行模擬，鉸縫鋼筋和鉸縫之間的節點相互協調；空心板與橋面鋪裝層、鉸縫與橋面鋪裝層、鉸縫和空心板等這些接觸面均用Tie約束。

1.2 有限元模型的驗證

本文對所建模的實際橋梁進行了荷載試驗，在相同的工況下將實橋試驗所得數據同模型仿真結果進行對比，來驗證有限元模型。

該橋的設計荷載等級為公路-Ⅱ級，雙向二車道，計算橋梁設計荷載和試驗荷載作用下的內力時采用有限元分析軟件Midas/Civil。測試截面選擇在設計荷載(標準組合)作用下單梁內力最不利截面，即在跨中最大正彎矩工況下測量L/4和L/2(即跨中)截面的撓度。

為檢測試驗荷載作用下單梁的變位情況，在各撓度測試截面布置位移測點，如圖2所示。在選定的測試截面和測點位置粘貼電阻應變片，采用DH-3816靜態應變儀進行結構應變數據采集。將試驗結果處理后得到中梁各測點的撓度如表1所示、應變如表2所示。

由表1、表2可知：實橋試驗和有限元模擬所得的中梁撓度及應變值十分接近，均在誤差允許的范圍內，表明所建有限元模型能準確地反映出實橋的真實受力情況。

圖2 中梁L/4及L/2截面上的測點布置

Fig.2 Layout of measuring points atL/4 andL/2 sections of the middle beam

表1 中梁撓度

表2 中梁應變

2 鉸縫最不利荷載分析

導致裝配式斜交空心板橋發生鉸縫破壞的常見原因有鉸縫設計和施工安排不合理、梯度溫度場作用、車輛荷載作用以及不合理運營等，本文主要考慮梯度溫度場和車輛荷載的影響。建立有限元模型并施加這兩種作用，得到鉸縫截面荷載最不利位置的橫向應力σx的分布如圖3所示，其中l代表鉸縫沿橋梁縱向坐標。

圖3 鉸縫荷載最不利位置的橫向應力分布

Fig.3 Transverse stress distribution at the most unfavorable loading position of hinge joints

從圖3可以看出：①車輛荷載作用下，鉸縫截面底部出現最大值為0.3 MPa的拉應力，其對鉸縫影響不明顯；②在正梯度溫度場作用下，中間鉸縫交接界面出現最大為1 MPa 的拉應力，由于新老混凝土黏結力較弱以及施工過程不規范等問題，此拉力可能導致鉸縫開裂；③負梯度溫度場作用下，橋面板頂部出現最大值為2.8 MPa的拉應力，大于C40混凝土抗拉強度，會導致橋面板開裂。

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)的要求，考慮荷載的最不利組合，可以得出：①與單一因素相比，負梯度溫度場和車輛荷載的共同作用更加不利，會在鉸縫截面頂部的橋面板處產生3.7 MPa的拉應力；②正梯度溫度場和車輛荷載共同作用時，在鉸縫交接面會出現1.2 MPa的拉應力。因此，有必要對該裝配式斜交空心板橋施加橫向預應力進行加固。

3 橫向預應力加固方案設計

常見的預應力加固材料有兩種，分別是鋼絞線和炭纖維板。采用預應力鋼絞線時，施工難度較大，需要在板上開孔，還要進行防腐處理，所以其應用受限。炭纖維板具有輕質、耐腐蝕、高抗拉強度、高抗疲勞性以及低氯腐蝕敏感性等優點，被廣泛應用于工程領域，并在橋梁加固工程中開始應用[9-10]，故本文采用炭纖維板加固方案。

國內對空心板梁橋的加固通常是僅在其底板施加橫向預應力，如前所述，這種方法存在缺陷。為此，本文采用一種改進的橫向預應力加固方案，即在底板和頂板同時施加橫向預應力。該方案能使裝配式斜交空心板梁橋上部結構整體受力。

按照偏壓構件估算所需橫向預應力的大小：

(1)計算最不利荷載產生的最大橫向拉應力；

(2)沿橋梁縱向按橫向預應力布置間距進行等分；

(3)通過式(2)計算所需要的橫向預應力大小。

(2)

式中：σx,max為最大橫向拉應力；N為橫向預應力；yo為橫向預應力距等效偏壓構件截面形心的距離；y為等效偏壓構件截面形心距底緣的距離；A為等效偏壓構件的面積；I為等效偏壓構件的抗彎慣矩。

將各參數值代入式(2)，解得N=215 kN，取預應力大小為200 kN。

預應力布置如圖4所示，采用寬50 mm×厚2 mm的炭纖維板在底板和頂板同時加固。從中間空心板的中點垂直于橋梁軸線方向開始，向左右兩端布置，參照文獻[8]，直線部位橫向預應力施加間距取2000 mm。為使橋梁斜端部鉸縫也達到預壓效果，在斜邊三分之一位置各增加一道預應力，即空心板底部和頂部分別設置5個橫向預應力加固區域。

圖4 預應力的布置

4 加固效果分析

為了檢驗本文方法的加固效果，利用前面所建有限元模型得出各空心板的荷載橫向分布影響線，如圖5所示，以1～4號空心板為例。

分析圖5可知，裝配式斜交空心板橋采用橫向預應力炭纖維板加固后，荷載橫向分布曲線變得更加平緩，各板之間的橫向傳力作用增強，減小了橋面板單板受力情況的發生。這表明采用橫向預應力炭纖維板加固方法可以提高裝配式斜交空心板橋橫向整體性，該加固方案是有效的。

(a)1號空心板 (b)2號空心板

(c)3號空心板 (d)4號空心板

圖5 加固前后各空心板的荷載橫向分布影響線

Fig.5 Influence lines of transverse load distribution of hollow slabs before and after reinforcement

5 結論

(1)通過實橋荷載試驗和相同工況下的有限元仿真結果對比，驗證了本文建立的裝配式斜交空心板橋有限元模型的準確性。

(2)在負梯度溫度場和車輛荷載共同作用下，裝配式斜交板橋的鉸縫交接面會出現拉應力，極可能導致鉸縫開裂，有必要對橋梁進行加固。

(3)所提出的在裝配式斜交空心板橋板底、板頂的直線部位以及斜端部三分之一處同時施加橫向預應力的炭纖維板加固方法，能使各空心板之間的橫向傳力作用增強，避免了單板受力情況的發生，提高了裝配式空心板橋的整體承載性能，具有較好的加固效果。