某连续箱梁桥的加固方案及其效果探讨
时间：2023-04-16 11:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘星友
（湖南省洪江市公路建设养护中心,湖南 怀化 418100）
目前，由于交通量、载重量的持续增大，使得大部分早期桥梁产生跨中下挠过大、梁体开裂等质量病害，严重威胁使用安全，亟须进行补强加固[1]。桥梁运营过程中导致其质量病害的因素较多，因此在进行加固前应结合病害具体成因实施具体分析，以制定切实有效的加固方案[2]。该文结合某桥梁工程运营现状，针对其加固方案及加固效果进行探究，为提高桥梁结构安全性，保证交通运输安全具有重要意义。
现阶段，变截面预应力混凝土连续箱梁桥普遍存在跨中下挠过大、箱梁开裂等质量缺陷，严重降低结构承载性能，威胁使用安全，得到了业界人士的广泛关注。各国业界专业人士从不同层面对相关质量缺陷进行了大规模研究。目前针对桥梁质量缺陷的研究内容具体包含以下几个方面：①原始设计方案的优化；
②完善箱梁结构形式；
③精确计算预应力损失；
④全面考虑混凝土收缩徐变、温度效应、箱梁空间效应等；
⑤超载效应计算；
⑥优化计算模型，提升计算准确性；
⑦施工方法及质量管控。
当前针对桥梁结构质量缺陷成因分析理论还处于初级阶段，混凝土结构抗剪性能研究，主要集中在承载力方面，未考虑剪切变形的作用。同时，混凝土收缩徐变影响因素较多，是混凝土特性中最难控制的方面。通过借鉴以往相关研究发现，大部分研究模型是采取输入特定参数形式而建立，存在较大的局限性，得到的结论有待进一步验证。
总之，造成变截面预应力混凝土连续箱梁桥质量缺陷的因素繁多，各种质量缺陷是桥梁发展最大的阻碍因素，需不断优化和完善设计方案，确保桥梁工程建设质量。为此，通过病害形成机理分析，能够使我们更加全面地了解病害形式，反思设计方面存在的缺陷，以便在施工阶段对质量缺陷实施预防，避免病害形成[3]。此外，还能根据桥梁服役过程中产生的质量病害，制定出切实可行的补强措施，全面提升结构承载性能，确保桥梁运营安全。
2.1 桥梁结构
某桥梁加固工程的桥型为变截面预应力混凝土连续箱梁桥，桥跨组合为（45+75+75+45）m，主跨桥长240 m，宽25 m，单幅桥面宽度为11.5 m，两幅相距2 m，桥面左右两侧边缘为防撞护栏，高度1.1 m。桥面采用双向六车道布置，设计时速100 km/h，横向坡度为2%。主梁为单箱单室变截面连续箱梁，支座位置梁体高度为4.8 m，厚度0.7 m，跨中位置高度为2.2 m，厚度0.25 m，底板宽度为5.8 m，厚度0.3 m。桥梁下部结构为薄壁柔性墩+桩径为0.5 m钻孔桩，桩体间距1.5 m。
2.2 病害分析
该桥梁至今已服役7年，通过质量检测发现存在诸多质量缺陷，具体包括：①箱梁结构预应力损失过大；
②桥面铺装层大规模破损；
③箱梁顶板、腹板、底板产生开裂，且有些裂缝已贯穿状态，缝宽超过0.5 mm；
④箱梁跨中部位下挠过大。根据设计信息及检测结果分析，确定导致该桥产生质量缺陷的原因在于交通量、载重量的增加，使得桥梁结构产生疲劳破坏，原设计方案未充分考虑混凝土收缩徐变及温度作用。
2.3 加固方案
为确保桥梁结构满足使用要求，并综合考虑安全性、可行性、高效性等各方面因素，确定采取更换铺装层、增加体外预应力钢束、修补裂缝等方式对桥梁实施补强加固，以增强其承载性能。详细方案如下：
（1）在箱梁内部设置体外纵、横向预应力钢束，其中边跨、中跨位置钢束规格分别为12φs15.2 mm和19φs15.2mm，其标准抗拉强度、张拉控制应力分别1 860 MPa和0.6倍标准抗拉强度。钢束布置图如图1所示。
图1 预应力钢束增设位置（cm）
（2）根据箱梁裂缝宽度采取不同的修补方式，当缝宽超过0.15 mm时，采取注胶修复处理；
当缝宽小于0.15 mm时，可采用涂刷树脂胶进行修复，并在箱梁合龙部位增设钢板条进行加固[4]。
（3）将桥面原始铺装层彻底清理干净，在1#～3#主墩顶部分别设置长度不小于10 m的纵向钢筋网，并加铺9 cm厚沥青混凝土。
结合原始设计资料，采用Midas Cilvi系统构建全桥有限元分析模型，针对桥梁结构加固前后混凝土应变和挠度变化实施数值模拟分析。模拟分析时假定钢筋与混凝土接触性能优良，忽略二者间的产生的相对滑动；
将钢板看作性能优良的弹性材料，假定钢筋理想塑性，忽略胶层作用。箱梁、桥墩通过梁模块进行模拟，共计206各模块、278各节点，具体如图2所示。
图2 全桥有限元模型
加载方式采用偏心和对称加载2种形式，以6辆重型货车进行模拟加载，总荷载约350 kN。分别选择左、右幅桥梁跨中部位作为计算截面，并对加固处理前后箱梁1#～20#测点位置的混凝土应变和箱梁顶板Ⅰ～Ⅹ号测点位置的挠度实施模拟分析。其测点布置图如图3所示。
图3 加载方式及测点位置示意图（左幅桥梁）
4.1 对称加载加固效果分析
利用Midas Cilvi系统构建对称荷载作用下桥梁有限元分析模型，对加固效果实施综合分析。
4.1.1 混凝土应变
通过模拟分析发现，对称荷载作用下，左幅桥跨中位置处，所有测点混凝土应变明显高于右幅，充分表明左幅桥承载性能较差，右幅桥承载力较高。加固前后左幅桥梁跨中部位1#～10#测点处的混凝土应变如图4所示。
图4 左幅跨中截面1#～10#测点的混凝土应变
通过图4能够看出：通过上述修复方案对该桥梁实施加固处理后，对称荷载作用下，左幅桥跨中位置所有测点处的混凝土应变均有所降低。1#～10#测点混凝土应变依次降低22.3%、22.1%、23.5%、22.7%、21.8%、7.1%、13.9%、17.4%、18.1%和7.6%，充分表明此方案能有效控制箱梁结构混凝土应变，显著增强结构强度、刚度、稳定性，保证运营安全。
4.1.2 结构挠度
通过模拟分析发现，对称荷载作用下，左幅桥跨中部位下挠较大，右幅桥下挠相对较小，充分表明左幅桥形变量高于右幅形变量，损坏较为严重。经加固处理后左幅桥跨中部位Ⅰ～Ⅴ号测点挠度变化如图5所示。
通过图5能够看出：通过上述修复方案对该桥梁实施加固处理后，对称荷载作用下，左幅桥跨中位置Ⅰ～Ⅴ号测点处的挠度大幅度降低。降幅依次为21.5%、19.3%、22.5%、26.5%和23.6%，充分表明此维修方案能有效控制箱梁底部下挠增加，提高桥梁刚度，约束桥梁结构变形。
图5 左幅跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点挠度变化
4.2 偏心加载加固效果分析
利用Midas Cilvi系统构建偏心荷载作用下桥梁有限元分析模型，对加固效果实施综合分析[5]。
4.2.1 混凝土应变
通过模拟分析发现，施加偏心荷载状况下，左幅桥和右幅桥跨中部位所有测点混凝土应变均呈现下降趋势。其中左幅桥跨中部位1#～10#测点混凝土应变如图6所示。
图6 左幅跨中截面1#～10#测点的混凝土应变
通过图6能够看出：偏心荷载作用下，维修加固前后左幅桥跨中位置最大混凝土应变依次为96 με和70 με，降幅达27.1%，表明偏心荷载作用下，此加固方案能显著降低箱梁混凝土应变，提高桥梁整体结构性能。
4.2.2 结构挠度
通过模拟分析发现，施加偏心荷载状况下，左幅桥和右幅桥跨中部位所有测点挠度均有所下降。其中左幅桥跨中部位Ⅰ～Ⅴ号测点挠度变化如图7所示。
通过图7能够看出：偏心荷载作用下，维修加固前后左幅桥跨中位置挠度最大值分别为50.7 mm和37.6 mm，降幅达25.8%，表明偏心荷载作用下，该维修方案能有效控制箱梁底部下挠增加，提高桥梁刚度，约束桥梁结构变形。
图7 左幅跨中截面Ⅰ～Ⅴ号测点的挠度变化
综上所述，该文结合某预应力混凝土连续箱梁桥运营现状，分析病害具体成因，采取更换铺装层、增加体外预应力钢束、修补裂缝等方式对桥梁实施补强加固。结合原始设计资料，采用Midas Cilvi系统构建全桥有限元分析模型，针对桥梁结构加固前后混凝土应变、挠度变化实施数值模拟。其主要结论如下：
（1）对称和偏心荷载作用下，左幅桥梁产生的混凝土应变及挠度均显著高于右幅，表明左幅桥梁产生的质量病害较为严重，右幅病害相对较轻。
（2）经加固处理后，左幅桥梁在对称荷载作用下，其混凝土应变及挠度均呈现下降趋势，降幅分别为7.1%～23.5%、19.3%～26.5%；
偏心荷载作用下，混凝土应变及挠度分别降低了27.1%和25.8%。结果表明，此加固方案在2种荷载作用下，可有效控制桥梁结构变形，增强结构强度、刚度、稳定性。
