剛構公路橋梁體外預應力加固后承載能力分析

張永軍

（山西路橋建設集團有限公司,山西 太原 030031）

0 引言

連續剛構橋具有施工簡便、跨度大、承載力強等優點，在大跨徑橋梁建設中應用較為廣泛。但由于施工不當及設計缺陷等各方面因素影響，箱梁預應力張拉施工時，極易產生底板混凝土保護層崩裂等質量問題[1]，通常采用體外預應力加固措施進行維修加固。為此，該文針對剛構橋體外預應力加固后承載能力進行探究，以保證橋梁運營安全。

1 工程概況

某混凝土連續剛構橋，橋跨組合為（62+2×100+62）m，見圖1。上部結構采用分離式單箱單室預應力箱梁，為縱、橫、豎三項預應力結構?；A形式為整體式承臺結構，橋墩為單薄壁空心墩。

圖1 某連續剛構橋橋型布置示意圖（m）

橋梁主跨預應力張拉時，箱梁10#～13#段底板保護層出現崩裂質量病害，為最大限度確保橋梁施工質量，避免后期張拉施工中出現類似狀況，設計方針對預應力孔道偏差過大的情況，將M6、M7、M8 體內14φ15.24 預應力筋變更為19φ15.24 預應力，采用體外布置[2]，并增加橫隔板與加勁肋，具體布設形式見圖2。

圖2 跨中截面預應力束布置示意圖（cm）

2 橋梁承載能力驗算

2.1 橋梁模型參數

橋梁模型預應力鋼絞線相關技術指標如表1 所示。

表1 預應力鋼絞線的力學指標

橋梁承載力驗算時，荷載主要包括恒載、動載兩部分，其組合形式如下：

組合Ⅰ：恒載+汽車荷載；組合Ⅱ：恒載+汽車荷載+溫度+基礎沉降；組合Ⅲ：恒載+掛車荷載。

2.2 計算模型

借助Midas Civil 2015 軟件構建有限元模型，對橋梁承載能力實施驗算，共劃分為1 567 個單元和1 642 個節點。邊界設置：66#、70#邊墩位置分別布設一個可自由移動的支座，對豎、橫向位移加以約束；67#、68#、69#墩與主梁固結[3]。

2.3 成橋狀態驗算結果

2.3.1 承載能力極限狀態驗算

該橋梁工程成橋狀態時，承載力極限狀態下主梁彎矩、剪力驗算結果如圖3～4 所示，正截面抗彎、斜截面抗剪承載力驗算結果如圖5～6 所示。

圖3 成橋狀態時承載能力極限狀態下主橋主梁彎矩包絡圖（kN·m）

圖4 成橋狀態時承載能力極限狀態下主橋主梁剪力包絡圖(kN)

圖5 成橋狀態時承載能力極限狀態下正截面抗彎承載能力驗算結果

圖6 成橋狀態時承載能力極限狀態下斜截面抗剪承載能力驗算結果

通過圖3～6 能夠看出：①橋梁承載力極限狀態下，最大正、負彎矩分別位于邊跨跨中和中間墩頂部位，其值依次為117 019.9 kN·m 和-533 185.1 kN·m；②最大、最小剪力分別位于大、小里程剛構墩頂部位置，其值依次為28 315.8 kN 和-28 204.8 kN[4]。

橋梁成橋狀態承載力極限狀態下重要部位承載力驗算結果如表2 所示。

表2 成橋狀態時關鍵受力截面承載能力極限狀態驗算結果

通過表2 能夠看出：該橋梁結構各重要截面抗彎、抗剪性能全部符合相關標準要求。

2.3.2 正常使用極限狀態驗算

（1）撓度驗算：按照最新實施的《預應力混凝土橋梁設計技術規程》相關規定，對成橋狀態結構正常使用極限狀態實施驗算，其撓度變形規律如圖7 所示。

圖7 交通載荷作用下主梁下撓變形圖（mm）

通過圖7 能夠看出：橋梁運營過程中，在交通荷載作用下，主梁最大下撓為18 mm，根據撓度發展系數，計算得到該橋梁長期撓度為18×1.43=26 mm，遠遠低于標準允許值100 m/600=167 mm；

（2）荷載Ⅰ：主梁結構在荷載Ⅰ條件下各部位應力分布情況如表3 所示，全部符合標準要求。

表3 荷載組合Ⅰ作用下應力驗算結果 /MPa

（3）荷載Ⅱ：主梁結構在荷載Ⅱ條件下各部位應力分布情況如表4 所示，全部符合標準要求。

表4 荷載組合Ⅱ作用下應力驗算結果 /MPa

（4）荷載Ⅲ：主梁結構在荷載Ⅲ條件下各部位應力分布情況如表5 所示，全部符合標準要求。

表5 荷載組合Ⅲ作用下應力驗算結果 /MPa

根據上述分析結果可知：①承載力極限狀態下，該橋梁結構各重要截面抗彎、抗剪性能全部符合相關標準要求，整體承載性能符合規范及設計要求；②橋梁運營過程中，三種荷載組合條件下，主梁上下緣應力及主拉、壓應力均符合標準要求，下撓遠遠低于標準允許值，符合設計要求。

2.4 當前狀況驗算結果

按照現行《橋梁工程承載力檢測評定技術標準》相關規定，鋼筋混凝土結構承載力評定公式如下：

式中，γ0—— 結構關鍵系數；S—— 荷載函數；R(·)——抗力函數；fd——材料強度標準值；ξc——鋼筋混凝土截面折減系數；adc——構件混凝土截面尺寸；ξs——鋼筋截面折減系數；ads——構件鋼筋截面尺寸；Z1——承載力驗算系數；ξe——承載力惡化系數[5]。

2.4.1 驗算系數的確定

該橋梁工程服役14 年后，承載力驗算系數如表6～7所示。

表6 主橋承載能力驗算系數評定標度D

通過表6、表7 能夠看出，該橋梁結構運營14 年后，盡管材料性能存在少許下降，但整體承載能力仍舊滿足規范及設計要求。

表7 主橋構件截面損傷的評定R

2.4.2 承載能力驗算評定結果

按照現行《橋梁工程承載力檢測評定技術標準》相關規定，對橋梁結構承載性能實施驗算，其結果如表8所示。

表8 當前技術狀況下主橋主梁承載能力驗算結果

通過表8 能夠看出：該橋梁各控制截面抗彎、抗剪性能均符合標準要求。

3 結論

綜上所述，該文結合實際工程案例，針對剛構橋體外預應力加固后承載能力進行驗算分析，得出如下結論：

（1）該橋梁工程經體外預應力加固處理后，服役14 年間，盡管結構表面產生一定程度的缺損、風化，但整體承載性能仍舊符合標準要求。

（2）承載力極限狀態下，該橋梁結構各重要截面抗彎、抗剪性能全部符合相關標準要求，整體承載性能符合規范及設計要求。

（3）橋梁運營過程中，三種荷載組合條件下，主梁上下緣應力及主拉、壓應力均符合標準要求，下撓遠遠低于標準允許值，符合設計要求。