預應力混凝土小箱梁橋梁加固及有限元分析

孫鵬飛

摘要 文章分析了橋梁加固方法，對比了橋梁不同加固方法的優缺點，并以A預應力小箱梁橋為工程實例，通過ANSYS有限元分析軟件對其進行受力分析：主要計算縱向受力與結構設計承載力，然后進行對比分析；通過荷載實驗，計算梁底縱向應力和撓度值；最后結合有限元分析和荷載實驗，分析預應力小箱梁病害原因，選擇適應加固方案。

關鍵詞 預應力小箱梁橋；加固技術；有限元分析

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0069-03

0 引言

該文以A預應力小箱梁橋作為工程案例，根據有限元分析軟件ANSYS架構小箱梁空間板殼單元模型，由此計算箱梁橋在極限承載力狀態下對應的應力和應變情形，分別進行靜載和動載實驗，分析A橋實際承載力與原設計沖擊系數是否合適，以此總結以預應力小箱梁結構特征的A橋病害產生的原因，提出相應的加固方案。

1 橋梁加固常規方法及優缺點分析

由于起初設計載荷等級較低，不適應目前標準和車輛載荷增加等方面的需求，需要采取措施以滿足橋梁結構承載力要求。總結橋梁加固的方法，發現工程上主要采用內在措施和外在措施對橋梁加固改造[1-4]。國內常規加固方法及優缺點分析見表1。

2 有限元分析模型

2.1 工程概況

某工程A小箱梁橋梁設計荷載汽-20，橋梁長度2.0 km，預應力混凝土小箱梁作為主梁結構，下部的橋墩結構是空心薄壁箱型，墩寬1.56 m。現狀橋梁設計施工較早，建成通車年數久，病害多。主要病害列舉如下：

（1）該橋梁表面損害嚴重，存在大范圍的混凝土剝落現象和橋梁滲水、漏水現象。

（2）由于橋梁滲水導致橋梁端頭和橋墩一直處于泡水狀態，造成水損害，引起混凝土的大面積脫落，致使鋼筋裸露產生銹蝕，結構承載力降低。

（3）該橋箱體高度為1.2 m，橋下凈空受限，由于車輛撞擊造成破損嚴重。

2.2 計算模型

采用橫向分布系數，將橋梁三維空間模型問題轉化為平面模型問題。該文應用受力分析軟件ANSYS程序建立三維立體模型，應用橫向分布系數對預應力混凝土小箱梁進行模擬分析計算。有限元分析模型如圖1所示。

3 試驗分析

3.1 靜載試驗

對試驗段梁進行選取時，選擇較好的梁進行相關試驗，明確各測點，詳細分布點位如圖2所示。

采取有限元分析模型計算得到內力值、變形值與荷載試驗結果比對，主梁應力和撓度比較見表2。

由表2可得出該橋梁結構的剛度較小，梁底的應力實測值和撓度實測值均大于理論計算值，這表明跨中梁底在靜止荷載下產生的實際作用效果會導致裂縫，同時經現場狀況核查，橋面板亦有開裂現象，裂縫延展會不利于橋梁結構的使用耐久性，需對橋梁進行必要的加固。

3.2 動載試驗

采取標準載重為30 t的車輛，分別以行駛速度5 km/h、

10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h行駛于橋梁，測試箱梁底部動撓度和動應變得到的沖擊系數見表3。

由表3數據可知，在載重30 t車輛低于40 km/h行駛速度下的橋梁沖擊系數均能滿足工程相關要求，同時表明隨著車輛行駛速度的增加，橋梁沖擊系數也隨之增加，因而應重視車輛速度對沖擊系數這一指標的影響。

4 具體加固方案

根據以上試驗研究分析，該預應力混凝土小箱梁產生裂縫病害的原因是由于橋梁橫向剛度和橋面板承載力不足。結合病害原因，根據前文橋梁加固方法，得到以下加固方案：

方案一：在主梁間加設橫隔板，增強橫向結構聯系，以此來提高小箱梁結構的橫向剛度，提升整體的穩定性能。

方案二：同時在主梁和縱梁中加設橫隔板。方案一只考慮主梁設置，該方案將導致腹板產生較大受力，對腹板的不利影響不言而喻，因此，考慮該影響應對縱梁也設置橫隔板。

方案三：在主梁間設置斜支撐。一是由于采取方案一會破壞主梁腹板，二是采取方案二，多處設置橫隔板會加大橋梁自重，因而考慮采用該方案三加設斜向支撐加強橫向剛度。

方案四：對橋梁面板進行加厚。經現場觀測和前述受力分析，老橋的橋面板結構承載力不足，可對其進行加厚處理達到加固目的。

對方案一和方案二的加固方案進行比較，以是否位于橋梁腹板施加橫梁結構對比分析其正向應力和主拉應力，從而分析兩種橫隔板設置方案對小箱梁的加固有無效果，是否方案二同時位于縱梁處加設橫隔板要優于方案一。

根據圖3～4分析可知，加橫梁的橋梁受力效果明顯改善。梁中加橫梁后，腹板正應力減少，最大減少比例為15%，另外腹板主拉應力也相應減少，降低比例為21%。這表明小箱梁位于主梁和縱梁之間均設置橫梁其加固效果更佳。

根據圖5分析可知，將方案三和方案一進行分析對比，即確定加設斜撐和加設橫隔板何種方案更優。從圖5得知在直接荷載下加設橫梁和加設斜撐，最大的撓度值相差百分比為1.3%。在荷載作用情況下加設橫梁和加設斜撐，最大的撓度值百分比相差為2%。兩種工況情況下的梁底撓度值基本重疊，相差無幾，由此分析可知，設置斜向支撐和設置橫隔板基本等效，而僅設置斜撐相比而言可大幅降低橋梁自重，該方案可取代橫梁提高小箱梁橫向高度，加固效果更好。

5 結論

該文通過對比研究各類橋梁加固方案的優缺點，再結合有限元分析對預應力混凝土小箱梁進行荷載檢測實驗。通過以上手段得到橋梁裂縫病害原因，并針對該類病害，提出針對性的加固措施。主要研究結論如下：

（1）經過基于橫向分布系數下的ANSYS分析計算結果，箱梁結構極限承載力大于縱向應力，因而縱向受力滿足需求。

（2）梁底的應力實測值和撓度實測值均大于理論計算值，由此表明跨中梁底在靜止荷載下產生的實際作用效果會導致裂縫。

（3）隨著車輛行駛速度的增加，橋梁沖擊系數也隨之增加，因而應重視車輛速度對沖擊系數這一指標的影響。

（4）基于前文橋梁加固方案比選，并對小箱梁橫隔梁和斜撐方案進行力學變形分析，得到采取斜撐的方法可以有效增加結構橫向剛度、減少橋梁自重，因而采取該方案對小箱梁加固是適宜的。

參考文獻

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