張伊青，陳玉驥

（1．廈門合誠工程技術(shù)有限公司，福建廈門361000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山528000）

某預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋底板崩裂后的加固方法及其有限元分析

張伊青1，陳玉驥2

（1．廈門合誠工程技術(shù)有限公司，福建廈門361000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山528000）

某大跨連續(xù)梁橋主跨跨中段進行預(yù)應(yīng)力筋張拉后，由于部分定位鋼筋未安裝到位，跨中底板混凝土在預(yù)應(yīng)力徑向力作用下出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。針對該情況下的開裂現(xiàn)象提出了加固方案，并采用ANSYS建立該橋局部模型模，對需修復(fù)梁段的底板及頂板在加固設(shè)計方案中不同階段的受力情況進行模擬及計算分析，確定該加固方案可行有效。

連續(xù)梁，底板開裂；加固；受力分析

1 工程概況

1.1 基本情況

某大跨連續(xù)梁橋，主橋采用（58+100+58）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)，其梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。施工過程中，在跨中底板預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)后，底板混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且有部分混凝土塊掉落。

連續(xù)梁底板預(yù)應(yīng)力束布置如圖1所示。其中，張拉順序為先頂板后底板，先長束后短束，同一截面上以中心線為基礎(chǔ)從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的順序進行張拉。具體為先張拉頂板T18，然后張拉底板B6、B6'、B5、B5'、B4、B4'、B3、B2、B1；其中B3、B2、B1先外側(cè)后內(nèi)側(cè)。在出現(xiàn)開裂掉塊情況時，底板下層全部張拉完畢，上層B7～B10左右共8束沒有張拉。

圖1 底板預(yù)應(yīng)力布置圖

經(jīng)現(xiàn)場勘察，跨中段底板混凝土剝落面積約為10.0×3.0 m2，剝落混凝土厚度約10 cm；鋼筋裸露面積約為3.0×0.5 m2。由于混凝土剝落，現(xiàn)場肉眼可見B4、B3、B2、B1、B6、B1、B2共7束塑料波紋管，其中B1鋼束有向下位移現(xiàn)象?；炷羷兟湮恢眉艾F(xiàn)場情況見圖2～3。

圖2 底板剝落示意圖

圖3 梁底混凝土剝落情況

2.2 原因分析

經(jīng)現(xiàn)場核實，梁體底板預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力按設(shè)計要求施加，且預(yù)應(yīng)力筋伸長值誤差為-2.2％至3.6％，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，張拉工藝非本次底板開裂原因［1］。

通過現(xiàn)場勘察，部分底板管道位置偏離設(shè)計位置。經(jīng)核實，底板波紋管定位鋼筋未按設(shè)計要求設(shè)置，故混凝土澆注過程，波紋管出現(xiàn)局部上浮。待預(yù)應(yīng)力筋張拉時，局部上浮管道段產(chǎn)生徑向力。同時，由于底板上下層鋼筋網(wǎng)片間的拉筋未按設(shè)計要求設(shè)置，底板上下層鋼筋網(wǎng)不能共同受力，從而在預(yù)應(yīng)力徑向力作用下，導(dǎo)致底板混凝土壓崩剝落。

2 加固方案

針對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，通過原因分析，并結(jié)合國內(nèi)同類橋梁加固方法及施工經(jīng)驗［2-3］，提出加固方案如下：

（1）松掉產(chǎn)生徑向力波紋管對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋，避免出現(xiàn)更多混凝土剝落；

（2）對于其他未變位預(yù)應(yīng)力筋保持不變，必要時進行壓漿錨固，保證跨中梁底受力符合要求；

（3）鑿除底板破碎及開裂的混凝土，在底板波紋管道之間鉆孔間隔布置錨筋及豎向預(yù)應(yīng)力筋，底板下層增設(shè)高強度網(wǎng)狀鋼筋，將有變位波紋管復(fù)位；

（4）灌注C60微膨脹細石混凝土（鑿除厚度超過10 cm時）或微膨脹高強灌漿料（鑿除厚度小于10 cm時），張拉豎向預(yù)應(yīng)力錨筋，使新舊混凝土連成整體；

（5）啟用底板備用鋼束，保證梁體跨中受力。

具體修復(fù)步驟為：放松向下有位移的波紋管→鑿除底板松散混凝土→鉆孔布置錨筋及預(yù)應(yīng)力筋→布設(shè)高強度網(wǎng)狀鋼筋→新舊混凝土接觸面涂界面劑→立模澆注底板混凝土和高強灌漿料→混凝土和灌漿料達到設(shè)計強度后張拉預(yù)應(yīng)力錨筋（張拉力50％）→全部修復(fù)完成后張拉剩余的底板上層鋼束B7～B10（左右各4束）→張拉增設(shè)的預(yù)應(yīng)力錨筋至設(shè)計值→底板頂層封錨。

3 有限元建模參數(shù)

為驗證上述加固方案的加固效果及其可行性，特采用ANSYS軟件建模［4］，模擬加固方案，并逐一分析加固過程中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)安全。

3.1 模型建立及單元劃分

計算模型采用大型有限元軟件ANSYS建立，模型結(jié)構(gòu)取中跨100 m進行建模。其中，梁體單元為SOLID45實體元，而預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用LINK8桿元。模型共劃分SOLID45實體元346 348個，LINK8桿元3 776個。單元模型參見圖4所示，梁底開槽段細部模型圖參見圖5，跨中橫斷截面和支點橫斷截面見圖6～7。

圖4 結(jié)構(gòu)整體模型單元節(jié)點圖

圖5 梁底開槽段細部模型圖

圖6 跨中橫斷面圖

圖7 支點橫斷面圖

3.2 邊界條件模擬

由于模型僅選取連續(xù)梁中跨結(jié)構(gòu)進行建模分析，故而邊界條件的模擬十分重要。根據(jù)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)變形及受力，對于模型的邊界條件，采用一端固結(jié)，另一端采用豎向絞支加端部節(jié)點的水平位移耦合，即要求端部不發(fā)生轉(zhuǎn)動。通過固結(jié)及水平位移耦合以模擬實際結(jié)構(gòu)中兩中支點截面的邊界情況。

3.3 計算工況

計算模型采用如下5種工況進行計算：1）按照設(shè)計情況，底板采用全截面，設(shè)計預(yù)應(yīng)力荷載全部張拉到位；2）保持底板截面不變，松掉除B4、B5、B10外其余底板預(yù)應(yīng)力；3）將底板開裂范圍處開槽，挖除底板；4）將已挖除的底板補上，恢復(fù)全截面底板；5）張拉先前松掉的除B4、B5、B10外其余底板預(yù)應(yīng)力。

4 有限元計算結(jié)果

經(jīng)建模計算，得各工況作用下結(jié)構(gòu)跨中段，底板σx（縱向正應(yīng)力）應(yīng)力場如8～12所示。

圖8 工況1作用下底板底σx云圖（Pa）

圖9 工況2作用下底板底σx云圖（Pa）

圖10 工況3作用下底板底σx云圖（Pa）

圖11 工況4作用下底板底σx云圖（Pa）

圖12 工況5作用下底板底σx云圖（Pa）

5 計算結(jié)果匯總

5.1 各工況作用下梁跨中段底板縱向正應(yīng)力

匯總各工況結(jié)構(gòu)跨中段梁底縱向正應(yīng)力，得跨中梁底正應(yīng)力如表1所示。

表1 各工況結(jié)構(gòu)跨中段梁底縱向正應(yīng)力匯總表MPa

圖13 截面底板點位示意圖

5.2 各工況作用下梁跨中段底板橫向正應(yīng)力

匯總各工況結(jié)構(gòu)跨中處梁底橫向正應(yīng)力，得跨中梁底正應(yīng)力如表2所示。

表2 各工況結(jié)構(gòu)跨中段梁底橫向正應(yīng)力匯總表MPa

5.3 各工況作用下梁跨中段頂板縱向正應(yīng)力

匯總各工況結(jié)構(gòu)跨中段頂板縱向正應(yīng)力，得跨中頂板正應(yīng)力如表3所示。

表3 各工況結(jié)構(gòu)跨中段頂板縱向正應(yīng)力匯總表MPa

（續(xù)上表）

5.4 計算結(jié)果分析

通過上述應(yīng)力圖表，前后對比分析［5］，可得：

（1）結(jié)構(gòu)各工況作用下應(yīng)力圖表結(jié)果，基本能反映出結(jié)構(gòu)在各工況作用下的受力變形狀況，基本符合結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；

（2）結(jié)構(gòu)在各工況作用下，底板均處于受壓狀態(tài)，受力情況較好；

（3）結(jié)構(gòu)在工況2、3作用下，由于部分底板預(yù)應(yīng)力筋松掉，導(dǎo)致跨中截面頂板頂位置處出現(xiàn)0.2 MPa左右的拉應(yīng)力，應(yīng)力值較小，在規(guī)范要求范圍內(nèi)，對結(jié)構(gòu)并無破壞性影響；

（4）對于開槽段底板，其順橋向正應(yīng)力σx在前后拆裝過程中，通過應(yīng)力釋放，使得在工況5作用下較工況1平均壓應(yīng)力減小約5.5 MPa；

（5）對于開槽段底板兩側(cè)未鑿掉處，其順橋向正應(yīng)力σx工況5較工況1平均壓應(yīng)力增大2.8 MPa左右；

（6）開裂底板異側(cè)對稱底板段，結(jié)構(gòu)前后應(yīng)力狀況基本持平，表明其受底板開鑿影響較小。

6 結(jié)語

本文結(jié)合某橋跨中底板開裂及加固案例，分析了類似問題的開裂原因及加固處理方法，總結(jié)而言，有以下幾點，以供類似結(jié)構(gòu)參考：

（1）開裂原因分析表明，切勿忽略小鋼筋［6］。對于結(jié)構(gòu)中的管道定位鋼筋及底板架立筋，施工過程中經(jīng)常容易忽略，而本案例證明，正是對于小鋼筋的忽略，引起了底板開裂的大問題?？偨Y(jié)而言，在以后的設(shè)計及施工過程中，需注意小鋼筋、大作用。

（2）通過本文建模分析，對于此次加固方案效果及可行性進行了驗證［6］，實際工程中，最后的加固效果也對此次加固方案及模擬計算進行了印證，對于類似問題，提出了一個可行的方案予以參考借鑒。

［1］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社,1988．

［2］劉來群,趙小星.橋梁加固設(shè)計與施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社,2004.

［3］關(guān)冀.連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板開裂成因分析和對策研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué),2010.

［4］王勖成,邵敏.有限元單元法基本原理和數(shù)值方法［M］.2版.北京:清華大學(xué)出版社,1997.

［5］徐郁峰,梁立農(nóng),宋神友.某連續(xù)剛構(gòu)橋底板崩裂后的修補方法及其有限元仿真分析［J］.構(gòu)梁建設(shè),2007（4）:70-74.

［6］魏樂永,沈旭東,肖汝誠,等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁底板崩裂破壞的機理及其對策［J］.結(jié)構(gòu)工程師,2007,23（2）:53-57.

【責任編輯：周紹纓410154121@qq.com】

Reinforcement method and finite element analysis of bottom slab with bursting cracks of a prestressed continuous beam bridge

ZHANGYi-qing,CHENYu-ji

（1.Xiamen Holsin EngineeringTechnologyCo.,LTD,Xiamen 361000,China; 2.Department ofCivil Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China）

Because some positioning bars are not installed in place,after prestressed tension,the bursting cracks occurred in the mid-span bottom slab of a long-span continuous bridge under the effect of prestressed radial force.This thesis puts forward the reinforcement scheme for this cracking phenomenon,and uses ANSYS to build the partial models of this bridge.The force condition of the bottom and roof beams which need repair were simulated and computational analysis at different stages in the design of reinforcement to determine the reinforcement scheme is feasible and effective.

continuous beam;bottomslab crack;reinforce;force analysis

U445.7

A

1008-0171（2015）03-0070-07

2015-02-02

張伊青（1983-），女，湖南株洲人，廈門合誠工程技術(shù)有限公司工程師。