基于有限元模拟分析连续刚构...外预应力维修加固方案有效性_赵家胜.pdf

2023 年第 1 期(总第 347 期)黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo1，2023(Sum No347)基于有限元模拟分析连续刚构桥体外预应力维修加固方案有效性赵家胜(乌海市公路养护中心，内蒙古 乌海016000)摘要:以连续刚构桥梁加固为例，通过有限元模拟分析，探究纵向预应力损失对主梁应力的影响，以及桥梁加固前后正常使用极限状态下主梁应力值变化和挠度变化。分析结果表明:通过体外预应力加固后，刚构桥主跨跨中截面预应力值明显改善，主梁受力状态有所好转，桥梁承载力与稳定性明显提升。关键词:有限元模拟;连续刚构桥;体外预应力;挠度;桥梁加固中图分类号:U442文献标识码:A文章编号:1008 3383(2023)01 0076 03收稿日期:2022 06 10作者简介:赵家胜(1971)，男，内蒙古五原人，本科，高级工程师，研究方向:公路桥梁施工和养护0引言随着通车时间延长，在混凝土收缩、徐变、预应力损失、温度等因素影响下，PC 连续刚构桥出现桥梁箱体开裂现象，对行车安全产生了不利影响1。该文对 PC 连续刚构桥桥梁病害情况、病害诱因、加固措施等进行了分析，针对桥梁预应力损失，通过有限元模型模拟进行了加固方案效果的讨论。1工程概况桥梁为 PC 变截面连续刚构桥，箱梁截面为单箱单室，采用横向预应力、纵向预应力、竖向预应力三体系构成，全长 178 2 m，梁顶板宽 12 m，底板宽6 m，根部梁高 4 6 m，跨中梁高 2 3 m，箱梁下结构为双薄壁柔性桥墩和柱台式桩基。对此桥梁病害情况现场调研，结果发现桥梁顶板、底板纵向裂缝较多，腹板斜向裂缝明显，存在行车风险。2典型病害桥梁上部构件常见病害类型包括钢构底板横向裂缝、底板纵向裂缝、顶板纵向裂缝、腹板斜向裂缝，顶板纵向裂缝和腹板斜向裂缝最为常见2。PC连续刚构桥跨中下挠病害诱因如下。(1)顶板预应力损失，PC 连续刚构桥跨中下挠受力不稳定。(2)车辆荷载作用，影响混凝土徐变性能。(3)底板横向裂缝或纵向裂缝出现后，箱梁主梁被拉伸，箱梁稳定性不足，结构受挫，刚度降低，存在一定的质量风险。3桥梁加固及维修方案3 1加固设计目标及思路通过“箱内体外束+箱内腹板加厚+箱内顶板粘贴钢板+箱外底板粘贴钢板”联合加固方案，改善 PC 连续刚构桥主梁应力状态，使桥面变形性得以改善，增强刚构桥跨中下挠底板下缘预应力，改善其承载力和稳定性3。3 2维修完善(1)增大箱梁腹板截面补强薄弱位置，避免裂缝发展，采用粘贴钢板的方式处置顶板或底板薄弱位置，进一步改善裂缝处应力状态，抑制裂缝进一步发展4。(2)PC 连续刚构桥主梁边跨或中跨腹板斜向裂缝，增设体外预应力，改善桥面变形状态，调节结构受力，以增强其承载力。3 3完善方案及内容(1)采用通长布置的方式于箱梁内部布置体外预应力，加设体外预应力后连续刚构桥主跨跨中处出现一定程度位移，桥梁承载力得以改善。(2)顺着桥梁方向，于主墩墩顶和转向处设置预应力束，采用框架梁加固，确保无体外束下弯情况，保持顶板与预应力束位置间隔合理，下弯与底板位置靠近。为提高结构稳定性，尽量减少体外束弯曲，以防止预应力损失。根据项目需求和施工情况结合体外预应力布置情况，在箱梁边跨处设置直径为 15 mm 的预应力束，。67DOI:10.16402/ki.issn1008-3383.2023.01.016第 1 期赵家胜:基于有限元模拟分析连续刚构桥体外预应力维修加固方案有效性总第 347 期4桥梁预应力损失和加固效果4 1有限元模拟及分析方法采用 midas Civil 有限元软件建立模型，根据 PC连续钢构模型，全桥共 236 个单元和 254 个节点。结合项目施工图和工艺参数，对有限元模型的相关参数进行修正，使其应力符合实际情况，对桥梁结构内力和预应力指标进行计算5。4 2桥梁预应力损失和加固效果对比分析通过 midas Civil 有限元软件进行建模，对“箱内体外束+箱内腹板加厚+箱内顶板粘贴钢板+箱外底板粘贴钢板”方案的加固方案效果进行分析，探究纵向预应力损失与主梁应力间的关系6，对不同工序条件下的加固效果进行分析。(1)加固措施实施前，纵向预应力损失与主梁应力间关系如图 1 所示。图 1加固前纵向预应力损失对主梁上、下缘应力影响对图 1 分析可知，加固前，纵向预应力损失后，连续钢构桥梁主梁上缘应力损失为 10%时，测量结果显 示 主 梁 上 缘 最 大 应 力 为 6 62 MPa 和6 43 MPa，主梁下缘应力损失 10%时，最大应力为 7 13 MPa和 6 8 MPa。主梁上缘预应力损失20%时，最大应力为 7 21 MPa 和 7 74 MPa，主梁下缘最大应力为 7 28 MPa 和 6 4 MPa。(2)连续刚构桥处于正常使用的极限状态下，主梁上下缘应力加固前后情况如图 2 所示。图 2正常使用极限状态下主梁上、下缘应力变化对图 2 分析可知，连续刚构桥主梁上缘加固前最大预应力值为 8 48 MPa 和 9 04 MPa，主梁下图 3加固前后考虑预应力损失的主梁上、下缘应力变化77总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期缘加固前最大预应力值为 7 45 MPa，加固后主梁上缘最大应力值为 10 3 MPa 和 10 9 MPa，连续钢构桥跨中应力值为 11 3 MPa。(3)桥梁中跨底板纵向预应力损失 25%、其他区域预应力损失 20%情况下，主梁加固前后桥梁中跨上下缘应力值变化情况如图 3 所示。对图 3 分析可知，将预应力损失考虑在内，加固前 主 梁 上 缘 最 大 应 力 值 为 6 24 MPa 和6 45 MPa，主梁跨中下缘应力值为 4 12 MPa，加固 后 主 梁 上 缘 最 大 应 力 值 为 7 74 MPa 和8 17 MPa，加 固 后 主 梁 跨 中 下 缘 应 力 值 为8 15 MPa。(4)正常使用情况下桥梁极限状态下挠度值见表 1。分析表 1 可知。原设计方案条件下，刚构桥边跨相对挠度和中跨相对挠度值分别为 7 22 mm 和 30 14 m，加固后边跨相对挠度和中跨相对挠度值分别为6 61 mm和 29 71 mm;中跨底板纵向预应力损失 25%和其他底板纵向预应力损失为 20%情况下，加固前边跨和中跨相对挠度值分别为 7 34 mm 和 29 78 mm，加固后边跨 和 中 跨 相 对 挠 度 值 分 别 为 6 75 mm 和27 49 mm。综合分析可知，相关加固措施实施后，刚构桥边跨和中跨相对挠度值有所减少。表 1正常使用极限状态下的挠度分析序号状态变化影响因素边跨挠度/mm中跨挠度/mm1加固前原设计7190301202加固前纵向预应力损失(20%)7250302803加固前湿度(40%)7230309404加固前中跨底板纵向预应力损失(25%)+其他纵向预应力损失(20%)7340297805加固后原设计6570296806加固后中跨底板纵向预应力损失(25%)+其余纵向预应力损失(20%)6720274205结论对某 PC 变截面连续刚构桥承载能力极限状态进行了分析，并借助有限元模型模拟对原加固方案实施前后桥梁参数进行了对比。(1)借助有限元模型进行参数模拟和修正后发现，纵向预应力损失会导致预应力减小，跨中挠度值增加，加固前主梁跨中相对挠度值为 30 14 mm，借助张拉体外预应力措施调整后，产生了 3 mm 的理论拱值，实际测量值与预期指标之间有一定的偏差。(2)中跨底板纵向预应力损失25%和其他底板纵向预应力损失为 20%情况下，加固前主跨跨中截面下缘存在拉应力，边跨跨中位置拉应力最大为7 84 MPa，上缘拉应力值与桥梁开裂，下挠情况下的数据接近。(3)正常极限使用状态下，桥梁加固前主跨跨中截面下缘拉应力为 0 02 0 032 MPa。加固措施实施后，桥面处于全截面受压状态，在荷载情况下测量主梁跨中预应力，结果显示张拉体外预应力后，主跨跨中截面预应力值明显改善，主梁受力状态有所好转，桥梁承载力与稳定性明显提升。参考文献:1 汤舒 钢筋混凝土连续刚构桥主梁加固工程应用 J 交通世界，2022(27):14 16 2 常树林 体外预应力在桥梁盖梁加固中的应用 J 粘接，2022，49(9):158 162 3 余敏 T 梁体外预应力加固技术应用研究 J 交通世界，2022(23):163 165 4 郭钢 公路桥梁裂缝碳纤维加固与处治效果分析 J 西部交通科技，2022(7):126 128 5黄志刚，黄卫国，尹祥，等 基于宏应变监测的 CFP板桥梁加固预应力评估理论研究J 华东交通大学学报，2022，39(4):24 31 6 苏贤芬 高强环氧材料结合钢板加固梁底技术在桥梁施工中的应用 J 交通世界，2022(21):70 7287