既有桥梁体内预应力-增大截面组合加固效果评价.pdf

第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：董建松（），男，高级工程师，主要从事公路工程质量安全监督管理方面的研究工作。：既有桥梁体内预应力 增大截面组合加固效果评价董 建 松（福建省交通建设质量安全中心，福建 福州 ）摘要：目前现役的箱梁桥病害类型较多，并非单一的因素导致，常用加固方法面临无法满足加固需求的问题，需要针对不同病害情况根据常用加固方法的优缺点互补进行组合加固。由于仅增加箱梁腹板截面对原箱梁截面抗弯惯矩、截面应力和主梁挠度的贡献度较小，本文提出一种箱梁桥体内预应力 增大截面组合加固法，并通过有限元分析加固方法及效果。最不利荷载工况下，采用体内预应力 增大截面组合加固方法加固后，背景桥梁跨中截面底缘拉应力和挠度减小 和 ，体内预应力经过新旧腹板粘结界面间传递的损耗率为 ，加固效果明显。关键词：体内预应力 增大截面；组合加固；有限元；抗弯承载力；效果评价中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；随着社会经济高速发展，交通运输量及行车密度的增大导致桥梁病害问题突出。同时，强度降低及材料老化的问题无法避免，进一步加剧了桥梁相应的病害。众多桥梁未及时进行维修养护因此处于超负荷运营状态中。截至目前，我国公路路网中 以上的在役预应力混凝土箱梁桥服役年限均超过 年，预应力混凝土箱梁桥的技术等级为三、四类的带病桥梁，的桥梁为危桥 ，出现了大量的箱梁底板开裂、腹板开裂、箱梁跨中下挠等病害，从而导致桥梁承载力下降，难以保证桥梁安全性、耐久性和适用性，急需大幅度提高箱梁承载力的维修与加固。梁曾奇 分析预应力损失对混凝土薄壁箱梁桥的变形影响并进一步展开转向块布置等核心技术对体外预应力加固的影响。康叶铭 提出了体外预应力筋的应力增量计算公式（简称变形能法），能够解决原先计算方法的缺点，有助于后续相关研究。牛浩 结合连续梁桥加固探讨了体外预应力束应力增量计算及损失计算，得出体外预应力加固与后张法体内预应力结构预应力损失计算的差别。张连锋 将增大梁截面加固法运用到预应力现浇曲线桥加固中。肖金军等 也在曲梁桥中运用增大截面加固法，并采用有限元软件计算分析加固后曲梁桥的性能，结果表明加固措施对于结构的抗剪承载力明显提高。本文以某预应力钢筋混凝土箱梁桥作为背景工程，提出体内预应力 增大截面组合加固混凝土箱梁桥的方法，采用该方法对实际工程进行加固，并根据组合加固方法的设计原则、抗弯承载力计算方法和静动载试验结果进行加固效果评估，验证了加固方法的有效性。本研究可为箱梁桥的加固改造提供新的思路及借鉴，具有较好的经济效益和良好的应用前景。体内预应力 增大截面组合加固方法的提出 工程概况以沈海高速某桥为背景工程，跨径为 ，桥面总宽 。上部结构为 预应力钢筋混凝土箱梁，桥型布置如图和图 所示。下部结构采用桩柱式桥墩、双壁框架式桥台。汽车荷载设计等级为汽超 、挂 级。年静动载试验的检测结果表明该桥的主要病害为梁底横向裂缝、纵向裂缝、腹板竖向裂缝以及部分掉角、露筋缺陷等。该桥左右幅均已不能满足设计活载标准的正常使用要求，为保障桥梁的安全使用，亟需对该桥进行全面的加固维修。图 桥型布置图（单位：）图 跨中横截面图（单位：）组合加固方法提出当单一的加固方法不能同时系统地解决桥梁腹板裂缝、底板裂缝及抗弯承载力不足的技术问题时，需要采用新的加固方法或组合加固方法对该类薄壁箱梁桥进行加固维修。基于增大截面加固法和体外预应力加固法两种方法的特点，提出了一种体内预应力 增大截面组合加固箱梁桥的方法，如图 所示。在桥跨范围内，通过增大腹板截面厚度来提高梁体的刚度，并在腹板新增截面中施加体内预应力。体内预应力 增大截面组合加固法综合了被动加固和主动加固的优点，不仅弥补了增大截面引起的自重效应增加的缺点，降低了体外预应力的养护难度和费用，还具有改善箱梁腹板及底部的受力状态、大幅度提高箱梁抗弯刚度及整体抗扭刚度的效果。图 体内预应力 增大截面组合加固箱梁桥示意图 体内预应力 增大截面组合加固设计 组合加固方法设计原则综合考虑原桥的实际交通状况、病害情况、加固需求、加固构造要求、加固效果和经济指标等多方面因素，依据 公路桥涵设计通用规范 （）、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （）和 公路桥梁加固设计规范 （）等相关规范进行体内预应力 增大截面组合加固箱梁桥设计，主要采用以下几个原则：（）不同的加固受力阶段，结构材料处于弹性阶段，结构截面变形符合平截面假定，不考虑内力重分布。（）极限状态下，原结构受拉区钢筋仍为理想弹性材料，钢筋取抗拉强度设计值。第 期 董建松：既有桥梁体内预应力 增大截面组合加固效果评价（）采用组合加固法进行加固的构件，其极限承载力应根据原结构截面的混凝土或钢筋的设计强度来控制。有限元模型建立与验证为分析腹板新增截面对原桥荷载效应的影响，采用空间有限元计算软件 建立背景工程体内预应力 增大截面组合加固前的杆系有限元模型。在加固前有限元模型中，原主梁共划分 个节点以及 个单元，如图 所示。模型的主要材料有 混凝土和 （）预应力钢绞线，混凝土和预应力钢绞线的弹性模量、设计抗压（拉）强度等基本参数取值如表 和表 所示。模型边界条件设置为两端简支，即一端释放绕 轴转动的自由度，另一端释放绕 轴转动的自由度和沿 轴平移的自由度。静力工况均考虑结构自重、整体升降温、温度梯度及旧桥混凝土收缩徐变。图 有限元模型表 混凝土的强度设计值单位：强度等级弹性模量轴向抗压强度设计值 轴向抗拉强度设计值 表 钢材的强度设计值单位：弹性模量抗拉、抗压和抗弯强度 抗剪强度断面承压 加固后有限元模型腹板增大截面部分采用双单元建模方法，在原主梁节点位置新建单元并赋予增厚腹板混凝土截面。既能区分原主梁和增厚腹板混凝土，又提高建模效率，省去设置原主梁和增厚腹板混凝土之间的边界条件的步骤。根据体内预应力 增大截面组合加固的作用原理，加固前原桥的恒载作用、现浇腹板混凝土的自重及体内预应力由加固前原截面承担，而加固后的移动荷载应由加固后的组合截面承担，有限元模型中施工阶段的定义如表 所示。为了验证有限元模型的正确性，提取加固后实桥静载试验偏载工况下边跨的应力值和挠度值，与加固后有限元模型的计算结果进行对比。结合桥梁结构特点和桥梁现场情况，选取背景工程右幅静载试验的工况为跨中截面最大正弯矩效应的偏载工况。采用应变片对各截面的混凝土进行应变测量，采用精密水准仪对挠度进行测量，应变及挠度测点布置如图 所示。对比实桥静载试验和杆系有限元中 截面正弯偏载工况下的挠度值和应变值，由表 和表 可知：截面正弯偏载挠度实测值和有限元值的最大相对误差为 ，应变实测值和计算值的最大相对误差为 ，有限元模型具有较高的准确性。表 体内预应力 增大截面组合加固施工阶段定义受力截面阶段激活荷载工况加固前原截面加固后组合截面加固前原桥恒载新增腹板混凝土浇筑现浇腹板混凝土湿重加固后移动荷载等可变荷载图 应变及挠度测点布置示意图（单位：）表 截面正弯偏载挠度值对比测点编号实测值 有限元值 相对误差 内侧 外侧 表 截面正弯偏载应变值对比测点编号实测值 有限元值 相对误差 腹板加固厚度试设计对于腹板加固厚度的取值，首先应根据加固规范中对加固构造的规定布置加固腹板内的钢筋、保护层厚度和预应力筋导管直径，从而确定腹板加固最小厚度。其中，纵向受拉钢筋直径取 ，箍筋直径取 ，根据桥梁环境类别，保护层厚度取 ，预应力导管直径取 ，腹板加固最小厚度为 。因此，在保持其他参数不变的情况下，本文选取体内预应力 增大截面组合加固箱梁桥的腹板加固厚度分别为 、和 共七种进行有限元参数分析，组合加固箱梁位置如图 所示。水利与建筑工程学报第 卷图 组合加固箱梁横截面示意图（单位：）根据规范对增大腹板截面前后各增厚厚度的截面抗弯惯矩进行计算，计算结果对比如图 所示。由对比结果可知，腹板新增截面对原截面的刚度影响较小，当腹板增厚厚度由 变化至 时，腹板增大截面前后的截面抗弯惯矩增幅由 提高至 。说明仅增加箱梁腹板截面对原截面的抗弯刚度贡献度较小。图 腹板增厚截面抗弯惯矩对比通过有限元分析结果讨论腹板增厚厚度对主梁应力与跨中挠度的影响，如图 所示。图 腹板增厚厚度对主梁的影响随着腹板增厚厚度增加，恒载作用下，箱梁跨中的梁底拉应力呈线性增加，由 增大至 ；活载作用下，腹板加固混凝土与主梁共同受力从而提高了主梁刚度，箱梁跨中截面梁底底缘拉应力由 减少至 。恒载作用相较于活载作用对箱梁梁底底缘拉应力的影响更为显著，二者组合作用下，箱梁跨中的梁底拉应力也呈上升趋势，当腹板增厚厚度为 时，箱梁梁底底缘拉应力最小。同时，随着腹板增厚厚度的增加，恒载作用下，箱梁跨中挠度由 增大至 ；活载作用下，箱梁跨中挠度由 减少至 。但总体上仅增加箱梁腹板截面对原截面的刚度贡献度较小，腹板新增厚度可取最小厚度 。综上所述，背景工程腹板加固厚度设计的最适腹板增厚厚度为 。体内预应力试设计增设体内预应力的目的是以预压力产生的反弯矩抵消增大截面所增加的自重荷载以及部分外荷载产生的内力，从而改善箱梁的受力性能。增大截面加固后主梁的主要内力按体内预应力 增大截面组合加固分阶段受力的实际情况，恒载内力按原主梁恒载、现浇增厚腹板的混凝土自重、二期恒载这三种情况分别计算；活载内力按车辆荷载级车道荷载计算，冲击系数为 。考虑主梁使用状态下可能出现的荷载作用，根据规范按承载能力极限状态和正常使用计算状态对这些荷载作用进行基本组合，确定腹板不同增厚厚度加固后最不利截面跨中的作用基本组合的内力设计值。基于加固前的桥梁技术状况评定等级以及现有的桥梁损坏情况，工程的设计安全等级属于二级，结构重要性系数 取 ，作用分项系数按规范取值。腹板增厚厚度为 时，跨中最不利截面的内力组合设计值如表 所示。表 荷载内力计算结果单位：基本组合 准永久组合 频遇组合 预应力钢筋数量的确定及布置采用毛截面几何性质估算钢筋数量，增厚腹板厚度为 的计算参数和有效预压力计算结果如表 所示。设计采用 钢绞线，单根钢绞线的公称截面面积 ，抗拉强度标准值 ，张拉控制应力按体内预应力规定取 ，预应力损失按张拉控制应力的第 期 董建松：既有桥梁体内预应力 增大截面组合加固效果评价 估算。根据正截面抗裂性要求计算所需预应力钢绞线根数，计算结果如表 所示。计算截面所需钢绞线取整为 根，即需要配置钢绞线预应力束 束，预应力束截面面积为 ，预留波纹管管道 。表 截面几何特性毛截面面积 重心至底板的距离 截面抵抗矩 有效预加力 ，表 所需预应力钢绞线计算结果增厚腹板厚度 所需钢绞线数量 根所需预应力数量（根 束）背景工程加固方案的确定通过前文对背景工程进行的体内预应力 增大截面组合加固设计，确定腹板增厚厚度为 ，配置预应力钢束 束。预应力钢束采用高强度低松弛 丝捻制的预应力钢绞线，公称直径为 ，公称面积为 ，标准强度 ，弹性模量 ；普通钢筋采用 级和 级；加固采用的混凝土为 自流密实混凝土。体内预应力 增大截面组合加固效果评价 组合加固前后抗弯承载能力对比加固前后正截面抗弯承载力对比如表 所示，由计算结果可知，加固前主梁截面无法满足现行规范下基本荷载组合的正截面抗弯承载能力验算，且结构的安全等级仅达到设计规定的三级，而经过体内预应力 增大截面组合加固后，主梁通过正截面抗弯承载力验算，且富余系数达到 ，满足结构设计安全等级为二级的初始加固设计目标，充分说明体内预应力 增大截面组合加固的有效性。表 加固前后抗弯承载力对比单位：弯矩设计值 加固前结构抗力 安全系数加固后结构抗力 安全系数 组合加固前后控制截面对比结合有限元软件及规范要求，对背景工程最不利截面的正常使用极限状态进行验算和对比，如图所示。在原设计成桥运营阶段短期荷载组合下，跨中截面底缘拉应力达到 ，超出了 混凝土的规范限值 。加固后的跨中截面底缘拉应力改善幅度为 ，拉应力为 ，满足规范对预应力 类构件的抗裂验算要求。说明在跨中可能出现的裂缝工作区域内，经加固后有明显改善。结合有限元软件及规范要求，对背景工程最不利截面的正常使用极限状态进行验算和对比，如图 所示。在原设计成桥运营阶段短期荷载组合下，跨中挠度达到 。加固后的跨中挠度改善幅度为 ，挠度值为 ，满足规范中对预应力 类构件的挠度验算要求。考虑长期效应对加固后主梁挠度的影响，按直线内插法计算挠度长期增长系数 为 ，长期效应下，加固后主梁挠度值为 ，同样满足规范中对预应力类构件的挠度验算要求。图 梁底底缘应力结果对比图 挠度结果对比 组合加固界面损耗分析由于新增的预应力钢筋位于原箱梁腹板外的新增混凝土内部，新增的预应力张拉力先经过新旧混凝土的粘结面，再传递至原桥，因此存在着新增的预应力钢筋张拉力在新旧混凝土界面存在损耗的问题。采用有限元软件 软件建立采用体内预应力 增大截面组合加固方法加固的箱梁桥的非线性实体有限元模型。为简化计算，仅建立箱梁桥 主跨模型，在简支箱梁桥的 跨径、跨径、跨径三个关键截面两侧各 范围内，网格边长设置为 ；除此之外的部位，网格边长水利与建筑工程学报第 卷设置为 。同时，为避免原桥与加固增厚腹板接触面因网格线错位产生畸异，导致收敛比过大，造成有限元模型无法运行，将加固增厚腹板与原桥腹板的网格按共节点划分。全桥网格共划分为 个单元，其中加固前原桥网格划分为 个单元，加固增厚腹板部分网格划为 个单元。图 为加固后箱梁桥整体的网格单元和加密的网格单元。图 整体网格单元和加密网格单元为了保证实体有限元模型计算结果的准确性和收敛性，模型中混凝土材料采用 软件中自带的 节点六面体实体单元 来模拟，其各节点均有三个方向的自由度。预应力钢筋采用软件自带的三维二节点 单元来模拟，采用 （“嵌入”）功能定义嵌入主体为预应力单元，通过“降温法”，定义预应力钢筋的线膨胀系数使其随温度降低而发生收缩，从而在预应力钢筋内产生拉应力。采用 中“粘着”的接触方式对新、旧混凝土粘结面进行模拟，其粘结强度根据界面的受力方向可分为沿界面法向的轴拉强度 以及两个沿界面切向剪的切强度、，如图 所示。根据文献 箱梁腹板增大截面的新增混凝土与原箱梁的旧混凝土之间的粘结滑移关系可采用双折线模型模拟，如图 所示。其横坐标代表新旧混凝土之间的相对滑移量；纵坐标代表新旧混凝土发生相互作用而产生的应力，数值大小取决于混凝土等级较低的混凝土的强度标准值；曲线的斜率代表粘结滑移的刚度。图 粘结面粘结强度方向预应力筋竖弯段和直线段示意图如图 所示。预应力筋竖弯段任意截面的轴向应力方向与预应力钢筋的截面垂直，其沿纵桥向和竖桥向具有两个应力分力，在分析新旧混凝土上应力的传递时，若同时考虑这两组应力分离较为复杂，且预应力筋竖弯段的轴向应力沿纵桥向的分力相对于直线段的轴向应力较小，因此，选取简支梁的跨中最不利截面，分析预应力钢筋拉应力通过新旧混凝土粘结面后，传递至原桥的应力量。通过有限元软件 的数值模拟，提取体内预应力张拉前后，增大截面混凝土底部下边缘节点的正应力和原桥腹板混凝土底板底缘节点的正应力进行比较，得到加固体内预应力的传力效率。图 双折线模型图 预应力筋竖弯段和直线段示意图张拉腹板新增截面混凝土的体内预应力前，原箱梁和加固腹板在恒载作用下就存在正应力，因此，需要将此阶段的正应力扣除，方可得到张拉增大截面混凝土的体内预应力后带来的正应力改变量。为简化表达，将腹板新增截面的体内预应力张拉前后原箱梁底板底缘的正应力分别用代号 和 表示，加固腹板底缘的正应力分别用代号 和 表示。将正应力 和 分别扣除正应力 和 则表示增大截面混凝土的体内预应力给新、旧混凝土带来的正应力改变量 和 ，并可通过式（）即可得到体内预应力经过新、旧混凝土粘结面后的损耗率 。（）加固后跨中截面最大应力如图 所示。为简化计算，提取增大截面混凝土的体内预应力钢筋张拉前后，原箱梁和加固腹板的底缘应力如图 所示。腹板新增截面混凝土的体内预应力钢筋张拉后，箱梁跨中底缘恒载作用下的正应力得到改善，但原箱梁和加固混凝土的底缘正应力存在明显的差值。因此，分别提取增大截面混凝土的体内预应力钢筋张拉前后，原箱梁跨中混凝土底缘的正应力和第 期 董建松：既有桥梁体内预应力 增大截面组合加固效果评价加固腹板混凝土底缘的正应力，按式（）计算加固混凝土的体内预应力在界面上的损耗率，计算结果如表 所示，张拉加固腹板体内预应力后，原箱梁跨中混凝土底缘的正应力差值为 ，加固腹板混凝土底缘的正应力差值为 。通过计算得到新增腹板的体内预应力经过新旧腹板粘结界面间传递的损耗率为 。图 加固后跨中截面最大应力（单位：）图 加固体内预应力前后对原桥底板应力的变化表 预应力损耗率结果计算表施工阶段原桥跨中底缘正应力 加固腹板底缘正应力 损耗率 张拉前 张拉后 改变量 结论（）在对比分析了现有加固方法优缺点的基础上，提出了体内预应力 增大截面组合加固箱梁桥的方法，即在桥跨范围内，通过增大腹板截面厚度提高梁体的刚度，并在增大腹板截面中施加体内预应力，以抵消由增大截面所产生的自重效应；提出了箱梁腹板增大截面和体内预应力的设计原则；建立了采用体内预应力 增大截面组合加固箱梁的正截面抗弯承载力计算方法。（）通过理论计算和有限元参数分析得到腹板增厚厚度对截面抗弯惯矩、梁底应力和主梁挠度的影响规律和影响程度。当腹板增厚厚度由 增大至 时：腹板增大截面前后的截面抗弯惯矩增幅由 提高至 ；恒载作用下，箱梁底应力由 增大至 ，箱梁跨中挠度由 增大至 ；活载作用下，箱梁底应力由 减少至 ，箱梁跨中挠度由 减少至 。说明仅增加箱梁腹板截面对原箱梁截面抗弯惯矩、截面应力和主梁挠度的贡献度较小，背景桥梁腹板增厚厚度可取最小厚度 。（）基于确定的腹板增厚厚度 ，通过有限元分析获得最不利跨中截面的内力，并基于本文建立的抗弯承载力计算方法确定所需的有效预应力，最终根据正截面抗裂性要求得到背景工程所需预应力钢绞线根数为 束 钢绞线。（）最不利荷载工况下，采用体内预应力 增大截面组合加固方法加固后，背景桥梁跨中截面底缘拉应力由 减小至 ，减小幅度为 ；跨中挠度由 减小至 ，减小幅度为 。（）原箱梁跨中混凝土底缘的正应力差值为 ，加固腹板混凝土底缘的正应力差值为 。体内预应力经过新旧腹板粘结界面间传递的损耗率为 。参考文献：交通运输部综合规划司 年交通运输行业发展统计公报 北京：交通运输部综合规划司，彭卫，林晨 预应力混凝土连续箱梁桥防裂设计建议 混凝土，（）：梁曾奇 混凝土薄壁箱梁体外预应力加固关键技术研究 重庆：重庆交通大学，康叶铭 体外预应力加固机理及应用 南京：河海大学，牛浩 体外预应力法在加固连续梁桥中的应用 武汉：武汉理工大学，张连锋 现浇曲线箱梁病害分析及维修加固工程应用 西安：长安大学，肖金军，李传习 小半径曲线箱梁非对称增大截面加固分析与试验研究 中外公路，（）：公路桥涵设计通用规范：北京：人民交通出版社，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：北京：人民交通出版社，公路桥梁加固设计规范：北京：人民交通出版社，叶见曙，刘九生，俞博，等 空心板混凝土铰缝抗剪性能试验研究 公路交通科技，（）：水利与建筑工程学报第 卷