大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋損傷分析

曾 鵬

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

預應力混凝土連續(xù)剛構橋是梁式橋中可實現(xiàn)跨徑最大的結構形式，其懸臂澆筑的施工方法、平順的行車性、高墩跨越、整體造價適中的優(yōu)勢，使得該橋型得到了相當普遍的應用。我國從1988年開始從國外引進了連續(xù)剛構橋，1990年建成主跨為180 m的預應力混凝土連續(xù)剛構橋——廣州洛溪大橋，其后陸續(xù)建成了一批大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋。隨著這些橋梁建成運營一段時間以后，問題逐漸顯現(xiàn)出來，陸續(xù)出現(xiàn)了一些病害，主要表現(xiàn)為主梁跨中下?lián)虾拖淞洪_裂(特別是箱梁腹板裂縫)，且兩大病害相互伴生，相互促進和影響。這些病害的出現(xiàn)，輕則影響行車舒適性，重則大大降低橋梁結構的耐久性，甚至影響到橋梁安全，需要及時進行加固處理。而對既有橋梁進行損傷分析，找出最可能的橋梁真實損傷情況，是擬定合理的加固方案及評估加固效果的前提條件。

1 “參數(shù)→狀態(tài)→檢驗”方法的步驟

該損傷分析方法其實可以看做一個迭代循環(huán)的過程，先分析出造成橋梁病害的主要因素，將這些因素歸納為計算模型中影響結果的參數(shù)，然后通過“參數(shù)→狀態(tài)→檢驗”的多次迭代驗算，以不斷改變參數(shù)來計算結構狀態(tài)，待某狀態(tài)獲得檢測及荷載試驗檢驗時，即宣告迭代結束。此時得到的狀態(tài)就是病害橋梁目前狀態(tài)的最接近模擬，此時的主要參數(shù)稱之為損傷參數(shù)，此參數(shù)下的計算模型稱之為主控模型，用于指導加固設計。該方法的基本步驟如下：

(1)原橋設計狀態(tài)驗算，以判定結構是否存在不正常的劣化和損傷；

(2)確定損傷分析的主要參數(shù)及其序列，損傷參數(shù)的確定需要參考類似橋梁的分析參數(shù)及學術研究情況；

(3)進行“損傷參數(shù)→結構狀態(tài)”的計算分析；

(4)以檢測數(shù)據(jù)和荷載試驗數(shù)據(jù)為驗證的依據(jù)，終止“損傷參數(shù)→結構狀態(tài)”分析，確定損傷因素(或者其范圍)及結構損傷狀態(tài)(或者其范圍)。

2 某大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋的損傷分析

2.1 橋梁概況

某跨徑組合為(106.6+2×160+106.6) m的預應力混凝土連續(xù)剛構橋，橋寬2×15.75 m，左右幅分修，采用JTG D60-1985《公路橋涵設計通用規(guī)范》簡稱《85規(guī)范》進行設計。箱梁頂板寬15.75 m，底板寬8.0 m；部段梁高8.0 m，跨中及支點梁高3.0 m，梁高按二次拋物線變化。上部結構箱梁為50號混凝土，采用縱橫豎三向預應力體系，縱向和橫向鋼束采用1 860 MPa的φ15.24高強度低松弛鋼絞線，豎向采用750 MPa的φ32精軋螺紋粗鋼筋。主墩為雙肢薄壁墩，墩橫橋向寬8.0 m，順橋向寬1.4 m，每肢薄壁墩采用5根φ2.0 m嵌巖群樁，承臺厚3.5 m,橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置

該橋在建成通車七年后，檢測顯示在邊跨梁端腹板存在不同程度的斜裂縫。在第十年又連續(xù)做了兩次檢測，發(fā)現(xiàn)病害呈現(xiàn)出發(fā)展趨勢。腹板斜裂縫長度和寬度均加大，主要分布在邊跨梁端、邊跨的跨中附近、中跨以跨中為中心左右各0.05L～0.25L的范圍內，裂縫已延伸至頂、底板倒角部位，大部分已貫通腹板厚度，最大寬度為0.7 mm左右；跨中底板橫向裂縫寬度繼續(xù)增加，最大寬度為0.6 mm，部分裂縫橫向貫通底板寬度，并向腹板延伸；0#塊和合攏段頂板出現(xiàn)縱向裂縫；中跨跨中下?lián)希畲笙聯(lián)狭?3 cm，橋梁總體布置見圖1。

2.2 病害原因及損傷分析參數(shù)選擇

2.2.1 預應力的額外損失

造成大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋出現(xiàn)病害的主要原因之一是有效預應力不足或損失過大，造成主拉應力過大。查閱國內出現(xiàn)病害的幾座典型大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋檢測和加固資料，發(fā)現(xiàn)普遍存在預應力施工質量較差的情況，如壓漿不飽滿、孔道存在著空隙；孔道預應力束銹蝕等。這些都將使得縱向鋼束的有效預應力降低，造成橋梁預應力度降低。同時，在一些大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構的設計中，橋梁縱向預應力鋼束布置主要采用頂板索和底板索，腹板的彎起鋼束極少，設計通過設置豎向預應力筋，來降低結構的主拉應力。但是實際情況是，豎向預應力鋼束長度較短，很小的錨固變形也會使預應力損失大大增加。參考文獻的研究表明，沒有專門設備和嚴格施工控制的情況下，豎向預應力施工完成后，其有效預應力可能僅為理論值的3/4或2/3；同時，在橋梁運營過程中，由于車輛荷載長期沖擊作用，精軋螺紋鋼筋錨頭的逐漸松動，豎向有效預應力因將進一步降低，從而使得橋梁的抗剪能力下降，主拉應力增大。

2.2.2 剛度折減

由于截面開裂，會造成橋梁的剛度下降，檢測報告顯示，邊跨合龍段處斷面在試驗車作用下的撓度為12.45 mm；跨中斷面在試驗車作用下的撓度為15.45 mm。通過建模計算兩斷面處的理論撓度值，得出校驗系數(shù)(試驗值/計算值)，可知本橋的剛度折減范圍應該在20 %～30 %間。剛度折減下的計算撓度值及校驗系數(shù)見表1。

表1 剛度折減下的計算撓度值及校驗系數(shù)

2.2.3 結構自重增加

檢測顯示，橋面的混凝土鋪裝厚度平均為14.1 cm，比設計的8 cm多了6 cm，增加的鋪裝層自重會使跨中下?lián)?5.4 mm，而引起的收縮徐變又使跨中下?lián)?4.2 mm，合計25.4+44.2=69.6 mm。而橋梁跨中下?lián)蠒觿∠淞旱拈_裂，從而引起箱梁下緣的混凝土失效，造成箱梁形心軸上移，又會進一步加重箱梁的下?lián)?。加上混凝土實際的收縮徐變可能比原設計更大，造成跨中底板下緣混凝土的應力儲備減少，進一步使底板產(chǎn)生橫向裂縫?？缰械装寤炷灵_裂與跨中下?lián)蟽烧唛g互相作用，使得下?lián)线M一步加劇。

2.2.4 梯度溫度的影響

原橋采用《85規(guī)范》進行設計的，而梯度溫度對橋梁應力影響較大。按TJG D60-2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》以下簡稱《04規(guī)范》梯度溫度與原設計《85規(guī)范》的頂板升溫工況進行對比驗算顯示，梯度溫度使上緣壓應力增加4 MPa左右，上緣拉應力增加2.6 MPa左右；下緣壓應力增加0.6 MPa左右，下緣拉應力增加0.4 MPa左右。溫度效應下應力比較見表2。

2.3 根據(jù)選定參數(shù)進行損傷分析，得到主控模型

建立計算模型，采用實際鋪裝厚度和《04規(guī)范》梯度溫度，對于計算模型中的縱向預應力(包括頂板和頂板)額外損失參數(shù)、豎向預應力額外損失參數(shù)、剛度折減參數(shù)進行逐級調整組合，把每一次的計算結果與實測的橋梁損傷狀態(tài)進行對比分析驗證，使得計算模型中的參數(shù)逐步逼近或者超越檢測到的結構損傷狀態(tài)。通過多次的參數(shù)迭代調整，得到最接近病害橋梁當前狀態(tài)的損傷參數(shù)為：縱向預應力額外損失15 %，豎向預應力額外損失60 %，剛度整體折減22 %。此時，在邊跨2個梁段主拉應力超限(最大值-3.78 MPa)，主跨跨中9個梁段下緣正應力出現(xiàn)拉應力(最大值-2.94 MPa)。主跨出現(xiàn)8個梁段主拉應力超限單元(最大值-3.15 MPa)。分析出現(xiàn)的超限位置及趨勢與實測損傷符合度好，可能造成檢測損傷狀態(tài)的程度，將此模型作為主控損傷模型。

表2 溫度效應下應力比較

2.4 加固設計的模型選用

通過上述損傷分析，雖然得到了病害橋梁目前狀態(tài)的最接近模擬——主控模型，但由于橋梁的實際狀況十分復雜，并不會完全與理論分析一致，主控模型并不能完全反映橋梁的實際狀態(tài)。在加固設計時，考慮加固方案的合理性和安全性，宜采用包絡設計。即以主控模型作為加固設計的基本模型，通過計算分析擬定出合適的加固方案，并用原設計狀態(tài)模型作為包絡設計的上限，最大損傷狀態(tài)模型作為包絡設計的下限，去包絡驗證加固方案的安全性。

通過2.3條的損傷分析，可以得到本橋超越結構病害狀態(tài)的最大損傷狀態(tài)模型的參數(shù)：縱向預應力額外損失20 %、豎向預應力額外損失80 %，剛度整體折減30 %。此狀態(tài)下，邊跨2個梁段主拉應力超限(超過最大值-4.04 MPa)，主跨跨中11個梁段下緣正應力出現(xiàn)拉應力(超過最大值-3.81 MPa)。主跨出現(xiàn)多個梁段主拉應力超限單元(最大值-4.84 MPa)。分析出現(xiàn)的超限位置與實測損傷符合好，但可能造成的損傷要明顯大于檢測得到的損傷程度。

該橋按照前述方式進行損傷分析及加固設計，加固完成后荷載試驗數(shù)據(jù)與模型計算結果吻合度高。加固完成通車運營后多次檢測顯示，橋梁病害得到有效控制，加固效果良好。

3 結束語

采用“參數(shù)→狀態(tài)→檢驗”迭代驗算的方法進行損傷分析，即通過不斷調整計算模型的參數(shù)，逐步逼近或者超越檢測到的結構狀態(tài)，以荷載試驗和檢測數(shù)據(jù)作為驗證標準，確定損傷參數(shù)得到大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構的損傷狀態(tài)。該方法思路明確，過程清晰，判斷、驗證的依據(jù)來自客觀試驗數(shù)據(jù)，結果可靠。該方法為預應力連續(xù)剛構橋提供了一種模式化的損傷分析路徑，同時其思路和步驟亦可為其它類型橋梁損傷分析所參考。

[1] 張方. 大跨度預應力混凝土梁橋時變性能及分析方法研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2011.

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