基于檢測試驗與數值模擬的分離式小箱梁橋損傷評估

趙鵬鵬

（武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430073）

0 引言

近年來，隨著我國交通線路的快速建設，橋梁數量也大幅增長。截至2020 年年末全國公路橋梁91.28 萬座、6628.55 萬延米[1]。在眾多橋梁中，小箱梁橋憑借其自身建筑高度低、抗扭剛度大及經濟性好等優勢而被廣泛采用[2]。但是，部分分離式小箱梁橋建設期間由于設計缺陷、原材料不合格及施工工藝差等原因，導致梁體出現混凝土強度偏低、梁體開裂、跨中下撓及預應力損失過大等病害[3]。這些病害（特別是預應力損失）不僅會降低橋梁的承載能力，還將影響橋梁的運營安全，亟需進行橋梁加固處置。而加固前，需開展橋梁的損傷模擬，分析梁體結構的力學性能，以提高工程的準確性和高效性[4]。

本文以一座分離式小箱梁橋為研究對象，分析現有病害對結構承載力的影響，通過荷載試驗驗證結構承載能力，并判斷預應力損失狀況。采用Midas Civil有限元軟件進行損傷模擬分析，以便從理論上佐證荷載試驗成果，并為后期的體內預應力加固方案提供理論依據。

1 工程概況

本次加固的橋梁位于城市新區的某高速公路進出口匝道，本文僅研究H匝道第1聯。結構形式為30m跨分離式小箱梁。交工前，梁體跨中底板存在橫向裂縫，但因其并未橫向貫穿，所以不能判斷其是否為結構性裂縫，是否直接影響橋梁的承載力。這需要科學的損傷評估來指導對該橫向裂縫的處置工作。

2 小箱梁外觀檢測與荷載試驗的結果及分析

2.1 外觀檢測結果

通過外觀檢測，發現小箱梁存在主梁橫向裂縫、縱向裂縫以及混凝土強度缺陷三種病害。

（1）主梁橫向裂縫。檢測發現小箱梁底板跨中正彎矩區域存在3條橫向裂縫，裂縫總長為48cm，裂縫寬為0.02mm，且代表性橫向裂縫深度為17mm。裂縫雖處于跨中底板，但并未橫向貫穿。其是否為結構性裂縫，有待荷載試驗進一步驗證。

（2）主梁縱向裂縫。小箱梁底板共存在17 條縱向裂縫，裂縫總長為3760cm，裂縫寬為0.02~0.12mm，且代表性縱向裂縫深度為20mm。裂縫病害主要位于小箱梁的第一跨與第二跨，分布在箱梁底板跨中截面至3/4截面的位置，以及靠近支點截面的底板區域。

（3）主梁混凝土強度缺陷。采用回彈法對主梁構件進行檢測，由檢測結果可知：H1聯共12片小箱梁，其中6 片梁的混凝土強度等級不合格，強度范圍在41.7~49.4MPa間。

2.2 荷載試驗結果

對小箱梁進行荷載試驗，綜合試驗成果和裂縫監測可知，測點的應變校驗系數在0.57~1.30 之間，超出了《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）的允許范圍0.85~1.05。且在加載情況下，主梁跨中底板處的三條橫向裂縫的寬度均擴展了0.02mm，表明橫向裂縫為結構性裂縫。綜上所述，該分離式小箱梁橋的承載能力不滿足設計要求。

2.3 承載能力不足的原因分析

2.3.1 裂縫對結構承載力的影響

非結構性裂縫會影響梁體結構的耐久性，主要影響包括滲透和腐蝕[5]。水分滲入裂縫造成滲透侵害，在水分侵蝕及外部荷載的作用下，造成混凝土結構損傷。水分與裸露的鋼筋直接接觸形成腐蝕侵害，影響橋梁承載力。

而對于結構性裂縫，除了上述影響外還會削弱結構豎向剛度，進而影響構件的承載力。根據相關設計規范，當構件截面產生結構性裂縫時，截面的有效工作高度會降低，導致構件正截面的抗彎承載能力降低，從而影響梁體構件的承載力。

2.3.2 混凝土強度對結構承載力的影響

為滿足橋梁所擔負的眾多荷載，混凝土強度必須滿足設計和規范的要求。當構件的混凝土強度不足時，混凝土抗壓強度值將會變小，從而降低梁體承載力。

2.3.3 預應力損失對結構承載力的影響

混凝土強度略低和裂縫導致的截面高度微小削減對承載力的影響較小，根據主梁底板橫向裂縫的寬度在荷載試驗中有所擴展，推測主梁預應力存在一定損失。而當預應力發生損失時，縱向預應力鋼筋抗拉強度設計值將會變小，進而降低梁體承載力。

2.4 預應力損失的原因分析

鋼束與管道的磨阻影響、鋼束應力松弛及混凝土收縮徐變等均會導致主梁應力減小[6]，是屬于規范所允許的正常損失。而預應力損失過大一般由管道壓漿不密實[7]、錨具不合格及鋼束超前張拉等施工不規范引起。經文獻查閱及現場調查可知，預應力管道灌漿密實度、錨具及夾片均滿足規范要求。但該橋僅在澆筑5d（正常7d）后即開始預應力的張拉工作。因此，超前張拉是小箱梁橋預應力損失的關鍵原因。

3 小箱梁損傷數值模型建立與內力分析

3.1 各種缺陷的模擬方法

3.1.1 主梁裂縫的模擬方法

箱梁底板存在3 條橫向裂縫和17 條縱向裂縫病害，且代表性裂縫深度在17~20mm 之間。裂縫病害將可能引起梁體混凝土有效截面減小，進而導致梁體剛度受損。針對該類病害情況，通過減小梁底保護層厚度20mm來模擬梁體豎向剛度的折減。

3.1.2 混凝土強度缺陷的模擬方法

本次檢測共12 片梁，其中6 片梁的混凝土強度最小值為41.7MPa，最大值為49.4MPa，均不滿足設計要求。為此，本模擬階段中小箱梁采用C45 混凝土，模擬混凝土強度不足。

3.1.3 預應力損失的模擬方法

對于直接檢測現有橋梁的預應力損失情況，目前在世界范圍內還沒有有效的方法，只能通過試算的辦法進行損失檢驗。因此，本模擬階段通過分別降低10%、20%、30%及40%的預應力張拉控制應力，進行鋼束預應力損失的模擬分析。

3.2 損傷模型建立與參數選取

3.2.1 損傷程度量化模擬

為高度還原現有病害對梁體結構的損傷情況，準確模擬該分離式小箱梁橋真實的結構響應，如表1 所示，在原橋理想狀態（GK-0）的基礎上開展其余工況的損傷模擬。

表1 分離式小箱梁損傷模擬工況

3.2.2 損傷模型的建立

采用Midas Civil 2021有限元進行損傷模擬分析，以GK-0為基礎進行建模。如圖1所示，結構形式為3×30m（先簡支后連續），全橋共劃分為354個節點數、514個單元數及4 個邊界條件。有限元計算模型中的主要材料參數見表2。

圖1 分離式小箱梁橋有限元模型圖

表2 主要材料參數表

在有限元計算模型中，其計算參數主要參考如下：

（1）設計荷載：公路-Ⅰ級；

（2）二期恒載：49.75kN/m3；

（3）預應力鋼束：預應力筋與管道摩擦系數μ=0.2；管道偏差的摩擦影響系數k=0.0015；

（4）不均勻沉降：最大沉降量按-5.0mm取值；

（5）收縮徐變時間：3650d；

（6）溫度：溫度梯度按《公路橋涵設計規范》（JTG D60-2015）進行取值。

3.2.3 橋梁損傷模型的確定

經對比分析，在GK-3（4）作用下，底板下緣的混凝土失效20mm、混凝土強度采用C45 及預應力損失40%時，梁體構件的正截面和斜截面拉應力均超出規范要求，導致損失模擬的承載能力不滿足設計要求。該模擬工況下的梁底跨中將產生橫向裂縫，表明該工況比較符合梁體實際情況。因此，確定GK-3（4）為該小箱梁的損傷模型。

3.3 損傷模型內力分析

3.3.1 持久狀況承載能力極限狀態驗算

在正截面抗彎驗算中，主梁跨中最大正彎矩8390kN·m，小于結構抗力9003kN·m；中支點最大負彎矩5979kN·m，也小于結構抗力7822kN·m。且在斜截面抗剪驗算中，構件最大剪力1836kN，小于結構抗力2975kN。綜上所述，主梁承載能力驗算滿足設計要求。驗算包絡圖如圖2~圖3所示。

圖2 使用階段正截面抗彎驗算包絡圖

圖3 使用階段斜截面抗剪驗算包絡圖

3.3.2 持久狀況正常使用極限狀態驗算

在正截面抗裂驗算中，短期組合下截面的上下緣拉應力分別為2.751MPa 和3.144MPa，均超出限值1.757MPa。長期組合下截面的上下緣均為壓應力。且在斜截面抗裂驗算中，短期組合下截面的拉應力為3.147MPa，同樣大于限值1.757MPa。綜上所述，主梁截面抗裂驗算不滿足設計要求。驗算包絡圖如圖4~圖6所示。

圖4 使用階段正截面抗裂驗算短期包絡圖

圖5 使用階段正截面抗裂驗算長期包絡圖

圖6 使用階段斜截面抗裂驗算包絡圖

3.3.3 持久狀況應力驗算

在正截面的應力驗算中，標準組合下正截面的上下緣壓應力分別為11.333MPa 和10.291MPa，均小于限值14.800MPa。且在斜截面應力驗算中，斜截面的主壓應力為11.335MPa，同樣小于限值17.760MPa。綜上所述，主梁壓應力驗算滿足設計要求。其驗算包絡圖如圖7~圖9所示。

圖7 使用階段正截面壓應力驗算上緣包絡圖

圖8 使用階段正截面壓應力驗算下緣包絡圖

圖9 使用階段斜截面主壓應力包絡圖

3.3.4 計算成果總結

對所確定的損傷模型GK-3（4）進行結構內力驗算，結果顯示，在正常使用極限狀態驗算環節，構件的正截面和斜截面抗裂驗算結果均大于其限值。因此，判定該損傷模型現有承載力不滿足設計要求。

4 結束語

通過研究得到以下認識：

（1）通過橋梁外觀檢測，發現小箱梁橋的底板存在橫向裂縫、縱向裂縫及混凝土強度不足等病害。根據荷載試驗成果，推斷箱梁底板處的橫向裂縫為結構性裂縫，綜合判斷小箱梁承載能力不滿足設計要求。分析了梁體現有病害對結構承載力的影響，確認了預應力損失是承載能力不足的關鍵因素，并分析了預應力損失的主要原因為超前張拉。

（2）開展了小箱梁橋的損傷模擬，量化混凝土裂縫缺陷和強度缺陷，并分階段進行預應力試算，確定了損傷模型GK-3（4）為最接近主梁實際狀況的模型（有效截面高度折減20mm、混凝土強度采用C45 及預應力損失40%），為后期體內預應力加固方案提供了理論依據。