PC連續(xù)箱梁橋腹板斜裂縫病害分析與加固設(shè)計(jì)研究

曹博成

在過(guò)去的幾十年里，我國(guó)建造的橋梁不計(jì)其數(shù)，但是由于使用過(guò)程中橋梁的耐久性降低，抗疲勞性能減小出現(xiàn)了很多病害，而箱梁橋表現(xiàn)出來(lái)的主要病害是腹板受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生的斜裂縫。本文主要針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過(guò)構(gòu)建模型對(duì)腹板斜裂縫進(jìn)行分析，通過(guò)預(yù)應(yīng)力、溫度、車輛荷載作為變量進(jìn)行分析，分別給出了三個(gè)因素對(duì)斜裂縫的影響程度。通過(guò)加固的原則和方法研究，為指導(dǎo)以后橋梁加固設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

我國(guó)在橋梁建設(shè)過(guò)程中依據(jù)上部結(jié)構(gòu)形態(tài)的分類箱梁橋的建設(shè)最為多見(jiàn)，有等截面形式以及變截面形式，而箱梁橋也存在一定缺點(diǎn)，在使用過(guò)程中會(huì)因疲勞程度降低，耐久性降低導(dǎo)致腹板出現(xiàn)斜裂縫。針對(duì)斜裂縫的產(chǎn)生本文主要在以下幾方面進(jìn)行研究并得到不同結(jié)論：

通過(guò)理論分析斜裂縫成因主要是主拉應(yīng)力過(guò)大引起的；通過(guò)建立模型來(lái)分析預(yù)應(yīng)力、溫度、汽車荷載對(duì)主拉應(yīng)力的影響程度；產(chǎn)生斜裂縫箱梁的加固原則和方法。

一、腹板斜裂縫研究

1.斜裂縫成因

結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)研究分析可知主拉應(yīng)力較大是引起裂縫的主要原因，如果箱梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力損失或者預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉作用沒(méi)發(fā)揮作用，則腹板會(huì)在結(jié)構(gòu)自重以及荷載作用下產(chǎn)生過(guò)大的主拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致腹板下部斜向裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)大。主拉應(yīng)力通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：σtp表示作用點(diǎn)的主拉應(yīng)力；σcx表示彎矩作用下受拉區(qū)混凝土所產(chǎn)生的法向應(yīng)力；σcy彎矩作用下受拉區(qū)混凝土所產(chǎn)生的壓應(yīng)力；τ表示受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

二、裂縫分析

1.模型建立

本文通過(guò)橋梁計(jì)算軟件Midas Civil 建立橋梁上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，模型建立時(shí)考慮的荷載有：梁體的自重、鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失、橋梁的收縮徐變、溫度效應(yīng)、基礎(chǔ)沉降以及車輛荷載等。通過(guò)對(duì)模型結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析最大限度地仿真模擬出導(dǎo)致箱梁腹板開(kāi)裂的主要原因。橋梁上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖1 所示,腹板應(yīng)力集中的節(jié)點(diǎn)位置如圖2 所示。

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 節(jié)點(diǎn)示意圖

2.預(yù)應(yīng)力損失對(duì)裂縫的影響

文章通過(guò)模型的建立與計(jì)算來(lái)分析預(yù)應(yīng)力損失對(duì)箱梁腹板開(kāi)裂的影響，通過(guò)計(jì)算無(wú)預(yù)應(yīng)力損失時(shí)、預(yù)應(yīng)力損失為20%時(shí)、預(yù)應(yīng)力損失為30%時(shí)截面5、7、9 的主拉應(yīng)力，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理及分析得到當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到20%時(shí)，腹板上部位置5 號(hào)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失最大值為-1.41MPa；腹板中部位置7 號(hào)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失最大值為-1.27MPa；腹板下部位置9 號(hào)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失最大值為-0.89MPa。

當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到30%時(shí)，腹板上部位置5號(hào)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失最大值為-1.85MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)31%；腹板中部位置7 號(hào)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失最大值為-1.53MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)26%；腹板下部位置9 號(hào)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失最大值為-1.13MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)32%。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，預(yù)應(yīng)力損失越大，應(yīng)力增長(zhǎng)越嚴(yán)重，越容易在該點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致箱梁腹板上該點(diǎn)的主拉應(yīng)力增大，產(chǎn)生斜裂縫。

3.溫度對(duì)裂縫的影響

本節(jié)主要研究新舊規(guī)范不同規(guī)定下，溫度對(duì)箱梁開(kāi)裂的影響，通過(guò)計(jì)算主拉應(yīng)力值的大小作為評(píng)定依據(jù)。

通過(guò)應(yīng)力數(shù)值變化可以看出：不同規(guī)范下5 號(hào)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力差值為0.15MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)24%；7 號(hào)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力差值為0.13MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)14%；9號(hào)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力差值為0.06MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)9%。通過(guò)應(yīng)力增長(zhǎng)的數(shù)值可以看出溫度荷載對(duì)箱梁腹板斜裂縫的影響較小。

4.汽車荷載對(duì)裂縫的影響

汽車荷載作為橋梁結(jié)構(gòu)分析的可變荷載，會(huì)使橋梁構(gòu)件產(chǎn)生一定的彎矩和變形，所以在分析箱梁開(kāi)裂因素影響時(shí)，汽車荷載必不可少。經(jīng)過(guò)模型建立及數(shù)值分析得到以下結(jié)論：

不同規(guī)范下5 號(hào)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力差值為0.22MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)36%；7 號(hào)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力差值為0.22MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)34%；9 號(hào)節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力差值為0.15MPa，應(yīng)力增長(zhǎng)34%。

通過(guò)結(jié)果可分析出：汽車荷載對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土腹板的主拉應(yīng)力數(shù)值變化受汽車荷載影響較大，但應(yīng)力值變化幅度較小，且符合規(guī)范要求。

三、箱梁橋加固設(shè)計(jì)

1.加固原則

人口流動(dòng)性的提升，交通流量的持續(xù)增長(zhǎng)，在這些因素影響下對(duì)橋梁的質(zhì)量和耐久性提出了更高要求，對(duì)于一些舊橋來(lái)說(shuō)由于永久荷載和臨時(shí)荷載的作用以及自然環(huán)境的變化，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)了各種各樣的病害，影響橋梁的正常使用和耐久性。所以為保證橋梁的正常使用狀態(tài)以及耐久性，對(duì)橋梁局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是最有效的，其加固原則應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：

（1）橋梁加固技術(shù)需要考慮耐久性和安全使用性，加固后的橋梁要有滿足各方面的指標(biāo)要求，同時(shí)加固的成本要比新建橋梁成本低很多。

（2）通過(guò)加固的效果和加固方法同時(shí)結(jié)合施工技術(shù)綜合選定加固方案，保證加固的可行性。

（3）當(dāng)遇到技術(shù)需要或地形障礙時(shí)可以優(yōu)先考慮多種加固方法共同實(shí)施的方案。

2.加固方法

直接加固法主要是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行截面的擴(kuò)大或者在結(jié)構(gòu)薄弱的結(jié)構(gòu)面增設(shè)鋼筋，提高承載能力，增加結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度。直接加固又可以分為主動(dòng)加固法和被動(dòng)加固法。

（1）主動(dòng)加固法

主動(dòng)加固主要是通過(guò)提高預(yù)應(yīng)力約束來(lái)實(shí)現(xiàn)加固，這種方法主要是在結(jié)構(gòu)薄弱部位，或者結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力較大的部位增設(shè)鋼筋，對(duì)結(jié)構(gòu)起到加固補(bǔ)強(qiáng)的作用。主動(dòng)加固法當(dāng)中的加固材料和原結(jié)構(gòu)同步受力，更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)特性，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提高材料的抗拉強(qiáng)度。

（2）被動(dòng)加固法

被動(dòng)加固法主要是通過(guò)在橋梁的薄弱部位或者損害部位進(jìn)行相應(yīng)材料的填充，填充材料有相應(yīng)強(qiáng)度鋼板、濕砂以及纖維布等。該加固方法目的是使加固材料和箱梁共同受力，但橋梁構(gòu)件與加固材料受力不同步，所以加固材料與梁體不能完全協(xié)同工作，橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到荷載作用時(shí)，梁體產(chǎn)生的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)梁體本身會(huì)產(chǎn)生較大影響。所以梁體一般達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度。

間接加固法是通過(guò)改變梁體的自身結(jié)構(gòu)或受力特點(diǎn)，使梁體產(chǎn)生內(nèi)力重分布，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力，改善構(gòu)件的使用性能，間接起到加固補(bǔ)強(qiáng)的作用。橋梁工程中經(jīng)常用到的間接加固法有：加斜支撐法（減小因跨徑過(guò)大而產(chǎn)生的過(guò)大彎矩）、簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)連續(xù)梁法，調(diào)整荷載橫向分布系數(shù)等方法。

（1）加斜支撐法

在橋梁墩臺(tái)的位置設(shè)置斜向鋼架支撐從而將主梁進(jìn)行撐架，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于原橋梁結(jié)構(gòu)的上部增加彈性支撐，使構(gòu)件的跨徑減小，從而彎矩減小，拉應(yīng)力降低，這種方法間接的加固上部結(jié)構(gòu)，這種方法適用于梁體本身會(huì)產(chǎn)生過(guò)大撓度，使承載力不足。

（2）斜拉索加固

利用斜拉索進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的方法是通過(guò)調(diào)整邊中跨位置來(lái)改變體系類型，使內(nèi)力的分布得到改善，優(yōu)化變形結(jié)構(gòu)。加固方法的主要內(nèi)容有：通過(guò)對(duì)邊跨增加橋墩的方式來(lái)減小邊跨的距離。通過(guò)張拉斜拉索來(lái)改變橋梁的受力結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加多個(gè)彈性支承點(diǎn)的方式提高承載力，從而間接地起到了加固梁體的作用。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究橋梁箱梁腹板斜裂縫得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)計(jì)算公式的理論分析可知主拉應(yīng)力過(guò)大是造成斜裂縫的主要原因。

（2）通過(guò)建立模型進(jìn)行分析可知預(yù)應(yīng)力損失對(duì)斜裂縫的產(chǎn)生影響程度最大；溫度變化對(duì)斜裂縫的產(chǎn)生影響程度最小；汽車荷載對(duì)斜裂縫的產(chǎn)生影響程度較大。

（3）通過(guò)加固方法和原則的研究可知，在加固過(guò)程中應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的耐久性和安全使用性，根據(jù)橋梁的不同類型和構(gòu)造使用不同的加固方法。