某连续刚构桥病害分析及加固方案

2024-04-11

某连续刚构桥病害分析及加固方案（精选6篇）

篇1：某连续刚构桥病害分析及加固方案

某连续刚构桥病害分析及加固方案

某连续刚构桥梁病害情况及病害分析,针对病害进行的加固方案设计.

作者：刘骁邢德林作者单位：黑龙江省公路勘察设计院刊名：黑龙江交通科技英文刊名：COMMUNICATIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY HEILONGJIANG年，卷(期)：32(3)分类号：U445.7+2关键词：桥梁病害原因分析加固方案

篇2：某连续刚构桥病害分析及加固方案

1 施工过程中的病害原因分析

a.施工组织原因:没有严格按照施工组织设计施工, 浇注0#块前没有进行必要的牛腿预压, 导致0#块施工过程中牛腿变形较大。b.设计原因: (1) 施工方案设计中, 牛腿部分偏薄而且配筋量不够; (2) 焊缝的设计长度和等级难以满足荷载强度要求。c.混凝土原因: (1) C50混凝土中添入过量硅粉, 降低了混凝土的初期强度; (2) 浇筑过程时间过长, 整个0#块分两部分浇注, 每部分浇注均超过24小时, 对其整体性影响很大。d.施工环境原因:该桥位于青藏高原深处雅砻江之上, 夏季施工温差达25度, 对混凝土后期影响较大。

2 加固方案的选择

2.1 加固前结构检算

为了提出经济合理的加固方案, 验证原有结构能否加以利用, 需对结构其进行检算。通过建立该桥的有限元模型, 导出该阶段施工荷载组合下应力, 与该桥0#块传感器中的实测数据进行比较, 发现两者差异较大 (见表1) 。其中跨中底板处应力均大于相应翼缘处, 表明0#块横向刚度降低明显, 但原结构内力尚未超过设计范围。为了加强结构整体性, 防止后续施工过程中裂缝的继续开展, 改善原桥横向分布不均匀的程度, 需对结构进行加固整治。

2.2 基于断裂力学的阻裂机理的加固原理

为了提高结构在后期施工过程中全桥的整体性与强度, 应该阻止结构中的裂纹扩展。从断裂力学的基本原理出发, 采取一定的构造措施, 使结构裂纹的应力强度因子尽可能地减小, 进而达到控制裂纹、提高工作性能的目的。针对钢筋混凝土结构的具体特点, 可以运用以下两个具体的阻裂机理来阻止裂纹的发展。2.2.1阻裂机理一:变边裂纹为内部裂纹。对于钢筋混凝土结构, 混凝土一旦开裂, 裂纹即为边裂纹。在结构的表面粘贴一层断裂韧性较大的材料, 原来的边裂纹就变成了内部偏心裂纹, 应力强度因子就会降低;另一方面可以使粘贴材料的断裂韧性远远大于混凝土的断裂韧性, 此时控制裂纹扩展的应力强度因子远远小于边裂纹的应力强度因子。也即, 可以通过在混凝土表面粘贴断裂韧性较高的材料的方法来提高结构的抗裂性。2.2.2阻裂机理二:裂纹集中闭合力阻裂。随着裂缝处钢筋和混凝土粘结的破坏以及裂纹的进一步发展, 钢筋阻止裂纹发展的作用逐渐降低。根据断裂力学的基本原理, 可以发现:在裂纹的起裂点作用一对背向集中闭合力时, 裂纹的应力强度因子最大。文献[1]指出, 在钢筋混凝土结构中, 如果在裂纹扩展时, 从外部裂纹的起裂点对裂纹施加一对相向的集中闭合力, 那么集中力产生的负的应力强度因子也最大。所以此时裂纹的总的应力强度因子也就减小最多。

2.3 加固方案比选。

2.3.1粘贴碳纤维布法。该方案在现有结构裂缝处, 先将环氧树脂补好, 再在上面粘贴碳纤维布。此方案优点是简单, 易实施。但原结构部分出现贯穿裂缝, 单一的粘贴碳纤维布法难以大幅度提高原结构整体刚度。2.3.2体外预应力方案。为增加原结构的整体性和改善内力分布, 考虑了增设体外预应力的方案。采用预应力对拉技术对原结构进行处置, 可达到增强结构横向刚度和防止裂缝的继续开展的目的。经过分析计算, 这样做虽然略可提高承载能力, 但施工起来较为困难, 且0#块周边增加附属结构影响全桥的美观。2.3.3 0#块重建方案。重建0#块, 以彻底解决问题。此方案技术性较为简单, 无后顾之忧, 但造价高, 尤其凿除原结构再重新浇注, 造成较大的经济损失并大大影响施工进度。2.3.4本桥采用的方案。采用方案为:增设粘贴碳纤维布和体内横向预应力联合加固法。先在裂缝处使用环氧树脂进行修补, 然后对混凝土表面进行打磨和糙化处理, 再在裂缝区域粘贴三层优质碳纤维布。增设体内横向预应力钢束, 采用标准强度σy=1 860 MPa的钢铰线, 每束张拉力为σ=0.75σy=1 395MPa。预应力钢束采用梅花形布置, 上下间距60cm, 左右间距170cm。通过前面分析, 考虑基于断裂力学的两种阻裂机理。粘贴碳纤维布可以把边裂纹转化为内部的偏心裂纹, 利用碳纤维布的断裂韧性远远大于混凝土的断裂韧性这一特性, 使得控制裂纹扩展的应力强度因子远远小于边裂纹的应力强度因子, 从而控制裂缝的继续开展。为提高原结构整体刚度, 增设体内横向预应力, 大大提高原结构的整体性。同时由裂纹集中闭合力阻裂机理可知, 预应力钢束施加了一对相向集中闭合力P1, 同时表层碳纤维布提供一对相向集中闭合力P2, 两者共同作用, 大大减小了裂纹应力强度因子, 达到了阻裂的目的。 (见图1)

3 加固方法与检测

3.1 加固方法及步骤。

3.1.1施工时利用原桥施工的工作平台。先进行横向预应力束的安装, 钻孔埋置预应力钢束时, 需避开纵向预应力束及主筋。横向预应力钢束采用梅花形布置, 上下间距60cm, 左右间距170cm。3.1.2张拉、锚固预应力束。采用单向张拉, 锚具为15-3型锚具及15-3p型锚具。3.1.3预应力束锚固后, 进行裂缝灌浆处理。采用环氧树脂对裂缝进行灌浆。3.1.4增设粘贴碳纤维布。

3.2 检测结果

本桥加固完成后, 为了检验加固的工程质量和加固效果, 了解桥梁后期施工过程的受力性能, 通过已有预埋传感器对加固后的桥梁进行了内力监测。3.2.1监测结果说明加固后的桥梁在后期施工过程中, 横向刚度得到提高, 结构整体性良好, 控制截面应力与设计相符。 (见表2) 。3.2.2加固后纵向裂缝均有闭合趋势, 裂缝最宽降至0.1mm, 同时在后期施工过程中, 裂缝未出现变化, 说明抗裂性满足要求。3.2.3通过本次试验, 依实测数据分析, 说明该桥加固后的承载能力和工作性能达到设计要求, 施工质量满足要求, 可以在营运中正常使用。

4 结论

4.1 本桥的加固方案基于断裂力学的阻裂机理的论证, 结合了增设粘贴碳纤维布和体内横向预应力两种方法, 集成了两种加固法的优势, 在合理整治原结构裂缝的同时, 改善了原有桥梁0#块横向刚度薄弱的缺点, 并增加了原有桥梁的整体性, 使梁底的应力趋于均匀并符合设计要求。

4.2 与其它方案相比, 本桥加固方案可以充分利用原结构, 具有工期短、施工相对简单, 加固效果好等特点。

4.3 该方案经济效益和社会效益显著。本次加固费用为150万元, 仅占拆除重建的25%。

4.4 现有钢筋混凝土结构施工中, 由于施工处理不当造成的结构裂缝问题屡见不鲜, 从而影响结构使用的安全性, 本文加固方法的选取具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1]陈, 蔡其巩, 王仁智.工程断裂力学[M].北京:国防工业出版社, 1977.

[2]易志坚.求解应力强度因子的一种新方法[J].重庆交通学院学报, 1991.

篇3：某连续刚构桥病害分析及加固方案

关键词：连续梁桥；高架桥；病害；维修加固；设计

中图分类号：U445.71 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0020-02

1 概述

近年来，我国交通基础设施的建设力度不断扩大，建设规模取得了质的飞跃。高架连续梁桥作为新兴城市基础交通体系中的重要构成部分之一，具有使用性能多元、施工方便迅速、工程造价低廉、以及后续养护简单等多个方面的优点，进而得到了广泛应用。

但同时，随着高架连续梁桥使用经验的不断发展与完善，跨中下扰过大、跨中底板横向开裂、以及顶板底板纵向裂缝等病害缺陷也开始不断凸显，成为影响高架连续梁桥安全运行的最主要问题。

本文即就高架连续梁桥的主要病害以及在维修加固设计方面的关键问题展开探讨，望引起重视。

2 高架连续梁桥主要病害

在高架连续梁桥的实际运行期间，主要可能存在以下缺陷及病害：

第一是跨中下挠。跨中下挠是高架连续梁桥最为常见与典型的结构病害，下挠值的增加可能导致梁体跨中段出现垂直型裂缝，或导致腹板裂缝病害的大量产生，进而影响桥梁结构的整体稳定性与耐久性；

第二是裂缝。高架连续梁桥中裂缝病害的表现形式较多，其中，1/4跨径部位、腹板增厚部位、以及边跨现浇段均为斜向裂缝的高发区域；边跨与主跨合拢段部位相应底板则容易出现腹板竖向裂缝缺陷或横向裂缝缺陷。

除此以外，还有部分高架连续梁桥在外部荷载作用力影响下可能导致桥墩墩顶以及顶板地面出现纵向、横向裂缝，影响桥梁结构的正常使用。

3 高架连续梁桥病害原因

导致高架连续梁桥出现各类病害的主要原因包括以下几个方面：

第一是施工控制力度不严，整体施工质量偏低。包括梁体混凝土浇筑不密实，产生孔洞，或因摸板尺寸控制不严导致超方或少方问题的产生；

第二是梁体开裂进而导致下挠值增加。由于混凝土施工质量或养护不到位，加之受到构造尺寸的影响，导致箱梁梁体出现开裂病害，影响高架连续梁桥结构刚度水平，挠度值也显著增加；

第三是温度因素。即部分高架连续梁桥原有规范中缺乏对温度因素的考量，整体升降温以及温度梯度的产生均会对桥梁主体超静定结构产生影响；

第四是箱梁尺寸设置存在局限。部分高架连续梁桥在原有设计方案中片面追求尺寸的轻薄，缺乏对混凝土性能的估计，进而可能导致裂缝等病害的产生。

4 工程实例

某高架连续梁桥为薄壁柔性墩四跨连续刚构桥，桥面布置为55.0 m+85.0 m+85.0 m+55.0 m，单向部分为预应力结构，单幅桥面宽度为12.0m，设计荷载等级为汽车-超20级，挂车为-120级。

工程前期设计标准为：主桥箱梁结构底板宽度为

6.4 m，悬臂长度为2.8 m，支点梁体高度为4.5 m，跨中梁体高度为2.0 m，梁高以及底板厚均呈二次抛物线式过渡，腹板厚度自跨中部位至支点部位分别为30.0 cm、35.0 cm、40.0 cm、以及

45.0 cm。

4.1 检测情况分析

该高架连续梁桥运行2年后，中跨合拢段～主跨跨径1/4范围内于底板出现明显横向裂缝，腹板部位可见斜向以及竖向两类裂缝。边跨合拢段附近底板可见横向裂缝。

结合本工程前期施工资料认为，病害产生原因有以下几个方面：

第一，设计环节缺乏对混凝土收缩徐变以及温度作用等因素的考虑；

第二，结构自身预应力度偏低，局部腹板尺寸偏小，导致裂缝病害的产生；

第三，沿线车流量大，超重车多，结构受力被动加大。

4.2 加固设计原则

结合本工程实例，在对高架连续梁桥进行维修加固时，加固方案的设计应当遵循以下几个基本原则：

第一，确保满足高架连续梁桥结构极限承载力要求以及高架连续梁桥正常使用的要求；

第二，最大限度的降低高架连续梁桥箱梁法向拉应力水平，将主梁恢复为A类预应力构件；

第三，有效降低高架连续梁桥箱梁腹板主拉应力水平，以合理提高箱梁腹板抗裂能力；

第四，针对高架连续梁桥在实际使用中已经出现的病害进行处理，避免已形成裂缝的进一步发展与扩大；

第五，避免高架连续梁桥的维修加固过程对交通通行产生影响。在被动加固以及主动加固两种加固设计模式下，被动加固仅能够借助于补强材料承受活载作用力以及后加横载内力，但难以对高架连续梁桥结构受力状态产生影响。

故而，本工程加固方案设计应当优先选用主动加固方式，包括体外预应力加固技术、新增有粘结预应力加固技术、以及改变结构体系加固技术这三种类型。

4.3 维修加固措施

在对高架连续梁桥病害进行处置以及加固的过程中，维修加固措施的设计与实施必须综合考虑方案成熟度、施工可操作性、以及运营风险等多个方面的问题。结合本工程案例特点来看，维修加固应选择方案为以体外预应力加固为主，其他主动加固维修措施为辅的整体性维修加固方案。具体维修加固措施可按照如下方案进行设计：

第一，增加体外纵向预应力钢束。在高架连续梁桥箱梁结构内部布设体外预应力钢束，利用体外预应力钢束提高高架连续梁桥整体结构承载力，改善使用性能，以确保主梁结构能够满足本工程汽车超20级、挂车-120级的A类预应力构件要求。单幅桥梁横向设置4束体外预应力钢束，如图1和图2所示。边跨采用15.2 mm钢件，中跨采用15.2 mm钢束，抗拉强度标准值为1 860.0 MPa，张拉控制应力标准值为0.6 fpk，张拉模式为先边跨后中跨、分批对称性张拉方案。除此以外，在本工程箱梁内部应用植筋方式设置转向块以及锚固齿板。结合高架连续梁桥专项构造要求，转向块选型以竖肋式以及块式为主，体外预应力借助于钻孔方式穿过墩顶横隔板，并通过锚固方式与边跨锚固齿板以及墩顶齿板进行固定。

第二，对高架连续梁桥箱梁裂缝进行处理。针对高架连续梁桥在使用过程中关键结构已经出现的裂缝缺陷进行全封闭处理，针对最大宽度不足0.15 mm的裂缝，用树脂封闭胶进行涂刷并封闭，针对最大宽度在0.15 mm及以上的裂缝，则用灌注胶灌缝的方式进行封闭。

本工程中针对边跨与中跨合拢段附近箱梁腹板，采用内侧粘贴钢板的方式改善构件主拉应力水平，以提高箱梁腹板抗裂性能。同时，为增加边跨与中跨合拢段连接刚度，提高底板承载性能，采用于合拢段附近底部粘贴纵向钢板的维修加固方式，同时有效限制合拢段裂缝发展。

4.4 维修加固效果

经上述维修加固设计方案处理后，主梁正截面以及斜截面抗裂强度均能够满足A类预应力构件的基本要求。经针对性处理后，本工程在预计工期内成功恢复通车运营，至今桥梁技术状况良好，未再次出现裂缝病害。

5 结语

高架连续梁桥在经过长时间的运行后，部分桥梁容易出现跨中下扰过大、跨中底板横向开裂、以及顶板底板纵向裂缝等病害缺陷，对高架连续梁桥结构的安全使用产生不良影响，需及时进行维修加固，以提高高架连续梁桥结构稳定性，延长其使用寿命。本文联合某工程实例，就高架连续梁桥病害与设计时维修加固方案进行研究与论述，望能够引起重视。

参考文献：

[1] 黄绍锋，王秀芬，孟涛，等.城市高架桥维修加固方案的研究[J].公路， 2012，（10）：98-100.

[2] 齐欣.高架桥的常见病害及防治措施[J].城市建设理论研究（电子版）， 2011，（23）.

篇4：某连续刚构桥病害分析及加固方案

关键词：病害分析,裂缝,粘贴碳纤维布加固

引言

济南黄河二桥,位于济南西北,南北横跨黄河之上,西接济聊一级汽车专用路,终点(桩号K100+630)接通与济青高速相接的北联路线,南通泰安。该桥为济南西外环的组成部分,全长5750米,宽35.5米,双向6车道;主桥为长947.66米的预应力钢构连续梁体系,该连续梁分为5跨,最大跨径为210米;其南北引桥均为35米的简支T型梁。设计荷载为汽-超20、拖-120。该桥于1996年开始修建,1999年完成通车。随着交通量、车辆载重的不断增加,梁体底面出现了大量严重程度不同的裂缝,所以对该桥梁进行病害成因分析及加固维修。

1桥梁概况

该桥梁体下部受拉面出现裂缝,很有可能是体内配筋不足,材料强度不足, 不能满足承载能力的要求,T型简支引桥的梁肋部位出现少量细裂缝和残缺,主桥和引桥的某些腹板部位出现细裂缝。值得一提的是,桥墩表面也有少量裂缝出现。

2桥梁病害成因分析

该桥最大的病害就是存在大量的裂缝,这些裂缝在不同部位的宽度和发展方向各不相同,并且严重程度也各不相同。

对于梁体底面出现的裂缝,可能有以下几种原因:1)梁体混凝土强度不足, 钢筋设置偏少,导致桥梁本身承载力不达标;2)桥梁实际受力超过了梁体结构受力设计值,使梁体的结构安全系数降低了;3)桥梁设计时,没有考虑到工程实际应用中的通车量是处于增长状态的。

2.1裂缝成因分析

混凝土结构极易出现裂缝,一般的混凝土结构是带裂缝状态工作的。当混凝土结构出现损伤与破坏,所受的拉应力大于混凝土的抗拉强度时,裂缝就会不断开展,直至达到所规定的裂缝限值,使得人们从视觉上感到不安,即适用性和耐久性不能满足要求。

混凝土结构裂缝成因十分复杂,往往是多种因素相互作用而导致的裂缝形成。就其成因大致可分为两大类:

1)荷载裂缝;结构在外荷载的作用下形成的裂缝,裂缝宽度以及分布与外荷载密切相关。这种荷载裂缝的产生往往说明混凝土结构的承载能力不能满足要求。

2)变形裂缝;结构在非荷载因素作用下产生的裂缝。比如在温度变化、混凝土收缩等因素作用下,混凝土结构产生的变形受到限制时,结构内部就会产生拉应力,当混凝土极限抗拉强度不足以抵抗拉应力时,裂缝就会产生,一旦裂缝产生,混凝土就退出工作,拉应力由钢筋承担。

裂缝成因分析是裂缝评定、裂缝修补和加固的依据。如果不对带裂缝结构进行分析就盲目的对结构进行维修加固,不但得不到预期的补强效果,而且有可能引发二次病害。

3维修加固措施

3.1粘贴碳纤维布加固

该桥横跨黄河之上,加大了维修的难度,并且桥墩及地基承载力不予改变,上部结构的自重也不予改变,所以应选择轻质高强加固材料,便于施工。加固该受损梁体, 采用粘贴高强度、高弹性模量碳纤维布是最理想的施工方案;碳纤维布质量轻、厚度薄,不需要较大的空间,尤其适用该桥加固空间紧张、加固环境不乐观的情况;粘贴碳纤维布时,施工简便,对施工环境要求低,通过环氧树脂将其粘贴在梁底表面使之与梁体形成整体即可。采取粘贴碳纤维布加固后的质量不会增加,还保证了外表轻巧美观,相比体外预应力施工有很大的优势;此加固方法能够使结构具有很好的耐久性, 加固时只需碳纤维布和环氧树脂,它们具有耐碱、耐酸和耐大气环境腐蚀等性能。对梁体腹板某些细微裂缝以及桥墩上出现的细微裂缝,其宽度小于0.2mm,为保证梁体耐久性和防水性,避免结构体内钢筋锈蚀,通过喷射混凝土砂浆的方法灌缝即可。对于梁体某些残缺部位,可通过植筋技术进行修补。

3.1.1加固原理

粘贴碳纤维布加固技术是将高强度的碳纤维布粘贴于结构表面,使它们共同参与受力以达到提高结构承载力的目的。

碳纤维材料的力学性能优良,它的抗拉强度可达普通钢材的10倍,碳纤维材料在被织成碳纤维布之后,构成碳纤维布的碳纤维丝不能共同参与受力,一般情况下, 它受力时,一部分碳纤维丝达到其极限抗拉强度而退出工作,剩下的部分碳纤维丝参与下一阶段受力,直至所有碳纤维被拉断而退出工作。但是当碳纤维布和粘结剂作用时,组成碳纤维布的各碳纤维丝就能共同参与受力,这样很大程度上提高了碳纤维布的抗拉强度。碳纤维加固技术少不了粘结剂的参与,它既能使各碳纤维丝共同作用, 又能使碳纤维布与结构共同受力,以达到结构补强、加固的效果。

4施工方法

1)准备工作

在梁底面标出需粘贴碳纤维布的位置和范围。

2)表面处理

清除梁体底面风化层,使其露出新的结构面,清除结构表面灰尘,保证结构表面干净;对梁底裂缝进行凿开处理并喷射混凝土灌缝,然后整平被粘贴表面, 保证无油污等杂质;对残缺部位应进行修补,保证表面平顺。表面处理时应注意: 当外露钢筋锈蚀了,应对其做除锈处理;平整处理时,可通过涂刷环氧腻子于凹凸粗糙处,并刮平。

3)涂刷涂料

待表面干燥后,将表面处理树脂用滚筒均匀的涂刷在需补强部位,不得有遗漏;待表面处理树脂不粘手时,用修平树脂填平表面凹凸处,保证表面平整。

4)粘贴碳纤维布

待涂料基本固化后,用干燥的滚筒将浸渍树脂涂刷于待补强表面上;将碳纤维布展开、拉紧平铺在浸渍树脂上,用滚筒反复滚压以排除布与树脂之间的空气, 使布与树脂充分的结合并完全浸于浸渍树脂中,如果发现碳纤维布与浸渍树脂之间有未密合的地方,可用美工刀沿着碳纤维布的顺纤维方向剪开,再涂上浸渍树脂并用滚筒反复挤压直至无空气;待碳纤维布粘贴30min后,用滚筒再次涂刷浸渍树脂;待碳纤维布自然风干,重复上述步骤,粘贴第二层碳纤维布,以此类推。注意:在铺设最后一层碳纤维布时,需做最后一次平整处理并涂上浸渍树脂,风干过程中应做好防水、防尘等保护措施。

5)养护

粘贴碳纤维布后初期固化需1天,在初期固化尚未完成之前,禁止车辆通行, 达到完全固化则需7天。养护期间可采取铺盖薄膜的方式来防水、防尘。

6)涂装

在碳纤维布表面充分风干,浸渍树脂硬化前,可根据设计要求,在其表面涂刷涂料漆进行装饰或涂刷防护漆。

5结论

针对该桥梁体底面出现的裂缝,选择粘贴碳纤维布加固的方法,它施工简便快捷、材料轻薄、极具耐久性、能有效提高承载力。如今,该桥的安全性和适用性均满足要求,说明粘贴碳纤维布对该桥进行加固的方法是切实可行的。

参考文献

[1]郑正华,邓超.粘贴碳纤维布加固技术在桥梁维修加固中的应用[J].黑龙江交通科技,2013,(12):74,77.

[2]刘松平.钢筋混凝土桥梁裂缝成因分析与加固措施研究[硕士学位论文][D].浙江:浙江大学,2012.

篇5：连续刚构桥病害模拟及预案设计

目前, 大多数软件不能对混凝土的徐变进行模拟, 本文根据桥梁“运营”阶段的特点, 引入“稳态徐变”概念, 通过ANSYS的高级开发技术UPFs, 实现了对预应力混凝土徐变的模拟, 同时也实现了对桥梁病害的模拟、分析。

1 连续刚构桥病害概述

一般在5～15年, 混凝土的徐变的累计总和值相当可观, 可达弹性变形的1～3倍, 在某些不利的条件下还可能增大[2]。

某黄河公路大桥1993年通车到2003年中跨下挠达到22 cm, 某大桥辅航道从1997年通车到2002年中跨下挠达到17 cm (预留了10 cm) 。

桥面下挠主要原因有[3]:①混凝土徐变因素;②后期预应力钢材的锈蚀;③预拱度设置偏差和施工误差;④超载车辆的行驶。可以看出, 除了混凝土徐变这个因素, 后面的3项都是可以人为控制的。但是, 因为连续刚构桥的这种病害涉及了混凝土的徐变, 而混凝土的徐变属于微观问题, 且受周围环境影响很大, 又有较大的不确定性, 故而, 研究桥梁等宏观结构方面的学者, 对于其研究相对较少。

2 连续刚构桥病害模拟的ANSYS实现

ANSYS作为世界上著名的大型通用有限元分析软件, 为用户提供了100多种单元, 具有完善的前后处理功能;通用前处理器可以方便地建立几何模型, 进行网络划分等, 后处理器提供了结果分析的多种手段。ANSYS提供了2个用户徐变方程[4]:USERCR.F和USERCREEP.F。其中:显式徐变用USERCR.F;前提是C6=100;隐式徐变用USERCREEP.F, 前提是TBOPT=100。

然而, ANSYS中给出的徐变公式均为应变和全量应力之间的函数关系, 也就是说, 对于混凝土的早期变化比较剧烈的徐变进行分析, ANSYS现有算法是不适用的。除非对现有算法进行修改, 即对ANSYS有关徐变部分内容改为增量应变与增量应力关系式, 才可以直接用于混凝土浇筑早期的徐变分析。

2.1 稳态徐变概念的引入

在恒定的荷载和位移条件下, 徐变效应表现出2个阶段:第一阶段是结构的内力重分布;第二阶段为结构达到稳定的应力状态。第一阶段称为“瞬态徐变”状态, 最后达到了第二阶段则称为“稳态徐变”状态。对于瞬态徐变状态, 需要利用增量有限元方法进行分析;而稳态徐变状态可以利用全量有限元方法进行分析[5]。

因为进行的是桥梁运营阶段的徐变分析, 不是针对施工阶段混凝土浇筑时变化比较剧烈的徐变, 此时混凝土的徐变在理论上已经进入平稳的时期。所以, 引入 “稳态徐变”的概念, 对于桥梁运营阶段的混凝土进行徐变分析。引入了 “稳态徐变”的概念, 可以使用ANSYS的全量有限元方法进行分析。

2.2 用户徐变程序的二次开发

由于目前的徐变理论已经不能解释连续刚构桥跨中挠度不断增加的情况, 本文避开这些复杂的理论, 根据实际数据拟合一个连续刚构桥的病害发展规律及国内关于连续刚构桥跨中挠度“长期观测”的报道[6]:虎门大桥辅航道桥, 其主跨跨中挠度的变化趋势, 可以近似的认为是“直线”。

鉴于以上情况, 假设跨中的挠度在10年内的发展符合线性发展规律, 对于10年内的病害进行模拟分析。由某黄河公路大桥10年中跨下挠22 cm和某大桥辅航道5年中跨下挠达到17 cm, 可以得到一个跨中挠度随着时间发展的直线方程y=x+12, x表示时间 (年) , y表示跨中挠度 (cm) 。

以此直线方程作为跨中下挠的发展规律来加入ANSYS。此直线方程是为了得到一个粗略的跨中挠度随着时间发展的规律, 是作为一个病害分析的“参照系”, 作为对比分析用。通过如下的命令流[7], 完成对于已开发的用户徐变程序的调用, 命令流中的参数应根据具体情况变化:

再通过以下的命令流, 可以得到跨中的位移等值线图, 如图1所示。

3 算例分析

某大桥为三跨连续刚构桥, 跨径为50 m+80 m+50 m, 预应力变截面双箱双室高墩刚构桥, 与桥墩连接处梁高为3.0 m, 跨中梁高为2.1 m;混凝土, 弹性模量取3.25e10, 泊松比取0.2, 密度取2650;钢筋, 弹性模量取2.07e11, 泊松比取0.3, 密度取7850。采用SHELL43单元划分箱梁的顶板、底板、腹板和高墩, 采用LINK8单元模拟预应力钢筋。

如图1所示, 以下为UPFs开发的徐变程序下模拟的有限元结点竖向位移, 时间为10年 (如图1所示, TIME=3 650) ;跨中的最大位移 (如图1所示DMX=0.194 474, 单位:m) 为19.4 cm, 与实际出现的病害基本吻合。

3.1增加钢筋探寻预防病害

ANSYS建模对比分析, 分别为横截面钢筋为1排, 和增加到2排的2种情况。可以得到:在横截面增加到2排钢筋后, 在徐变作用下, y方向的位移明显不同, 一排钢筋时为:19.4 cm, 2排钢筋时应为11.1 cm;具体对比如图2所示 (为跨中横向10个结点的对比图) 。

由图2可以看出, 横截面钢筋由1排增加为2排可以使跨中位移在10年之内减少大约42.7%, 所以桥梁增加含筋量是很有效的方法。

3.2增加预应力度探寻预防病害

虽然过多的增加预应力钢筋的预应力度的方法在工程中可行性不大, 然而, 由于实际施工会出现不能保证设计预应力度的情况, 预应力度在某些情况下设计值可以适度提高;所以, 少量的增加预应力进行探索研究、观察跨中挠度对于预应力度的变化是否明显很有必要。

为了进行有效的对比, 每次增加的预应力度均为10%。首先对于横截面1排钢筋的情况进行对比:经过尝试, 发现预应力度增加10%, 对于跨中挠度几乎没有影响;于是采用100%扩大预应力度的方法, 得到的结果是: 最大位移为19.3 cm, 与原来的19.4 cm相比改变只有5.1%, 现实情况不可能增加预应力度为100%。

对横截面2排钢筋的情况进行对比:仍然首先尝试增加预应力度5%的情况, 跨中挠度11.09 cm, 相对于没有增加预应力度时的11.16 cm, 改变了0.6%, 影响同样比较小。

4 结束语

1) 引入材料的“稳态徐变”概念后, 使用ANSYS模拟桥梁运营阶段混凝土徐变所引起的病害是可行的, 即模拟连续刚构桥“跨中下挠”的病害是可行的。

2) 提高混凝土结构的“含筋量”对于减轻病害是很有效的方法。由对比分析可知, 如果“含筋量”提高50%, 可以使得跨中位移在10年之内减少大约42.7%, 目前, 该类桥设计时未考虑普通钢筋的效应, 若引入普通钢筋能够减少跨中下挠的概念, 将会改变以往的设计理念。

3) 增加预应力度的方法, 减轻病害的效果并不明显。

摘要：连续刚构桥作为一种经济实用的桥型, 在西部地区得到广泛应用。然而, 随着使用年限的增加, 跨中下挠成为一种不容忽视的典型病害, 严重影响桥梁的正常使用。通过大型有限元程序ANSYS的高级开发技术UPFs和FORTRAN77语言, 开发适合混凝土徐变规律的用户程序, 实现对桥梁病害的模拟和分析, 得出预防此类病害的具体措施。

关键词：连续刚构桥,ANSYS,二次开发,UPFs,病害

参考文献

[1]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社, 2001.

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[3]马健.三门峡黄河公路大桥的主桥加固[J].公路, 2004 (6) :62-64.

[4]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[5]杨志平.预应力混凝土连续刚构桥挠度长期观测[J], 公路, 2004 (8) :285-289.

篇6：某连续刚构桥病害分析及加固方案

本文以西安绕城高速公路上的一座普通钢筋混凝土箱梁立交的加固为依托工程, 对桥梁病害成因进行分析, 提出相应的维修措施。

1 桥梁概况

香王立交主线桥于2002年建成通车, 桥梁全长880.08米, 为双向六车道, 桥面宽35米。左幅共33跨, 上部结构为钢筋混凝土单箱多室连续箱梁, 下部结构为桩基础, 埋置式桥台, 柱式桥墩。

2 结构病害状况分析

由于西安绕城高速公路的车流量增长较快, 特别是重载货车流量增长迅速, 对西安绕城高速公路部分钢筋混凝土连续箱梁桥的耐久性产生严重影响, 香王立交主线桥, 出现了下挠、超限裂缝等病害, 影响行车安全及舒适性。

2.1 上部结构

2.1.1 表面病害

经过外观检查, 桥梁结构表面病害主要表现为:1) 大部分桥跨桥面出现波浪现象, 沥青混凝土破碎, 梁体混凝土掉块, 勾缝脱落;2) 由于伸缩缝漏水, 造成梁端混凝土破损脱落, 钢筋锈蚀。

2.1.2 裂缝

现香王立交主线桥普遍存在跨中高程低于支点高程的现象。通过与2010年检测结果进行比较, 上部结构裂缝数量和裂缝宽度均有所增长。宽度较大, 达到0.4m m。因此可以认定裂缝为结构裂缝。部分裂缝宽度大于规范建议值, 而且大多数裂缝深度超过混凝土保护层厚度。可见, 桥面板受力已不满足设计要求, 需进行加固处理。

2.2 下部结构

过渡墩处盖梁侧面均出现一定数量的竖向裂缝, 如香王桥以左幅10#、28#墩及右幅10#、28#墩处盖梁竖向裂缝居多, 主要原因是盖梁侧面防裂分布配筋数量不足或盖梁施工时侧面保护层厚度不够或混凝土本身的质量问题等, 在荷载的作用下产生的竖向裂缝, 部分支座出现开裂。在荷载作用下, 次边墩墩顶截面承载能力不满足要求, 边墩墩顶截面安全储备较低。该桥梁技术状况评定为三类桥梁。

3 加固处理措施

3.1 常用加固方法

由于结构出现裂缝将会影响其抗压强度和抗剪强度。目前, 常用加固方法有以下几种:1) 加大截面尺寸法。通过采用植筋且外包混凝土的方法, 加大原截面尺寸, 从而达到增大截面配筋率, 提高截面抗弯刚度的加固方法。2) 粘贴钢板法。将钢板粘贴到构件的受拉或者脆弱部位上, 以提高梁的承载力。该方法不需要破坏原有结构, 施工工艺简单, 工期短。3) 改变结构体系法。采用一定措施改变原有结构受力体系, 降低控制截面内力。4) 施加体外预应力法。通过对梁体外加预应力钢束, 从而增加结构的抗弯能力。

3.2 维修加固设计

3.2.1 上部结构加固

本桥加固设计上主要采用有粘结体外预应力的加固方法和“钢板-混凝土”组合结构。简介如下:

1) 通过设计特殊的锚垫板和一般的夹片式锚具, 采用锚固于底板或墩顶区域大梁外腹板上的小股钢绞线, 利用小型千斤顶对梁施加预应力, 然后喷射具有一定抗拉性能的复合砂浆, 从而构成有粘结预应力加固体系。该体系根据受力分为体外预加力阶段和有粘结阶段, 简图如图1所示。

有粘结体外预应力的加固方法的优点是:

a.大幅提高原桥承载力;b.自重增加小, 可提高结构刚度和抗裂性能, 从而改善桥梁结构的受力;c.此加固技术设备简单, 施工方便, 工期短, 经济效益明显;d.由于此种加固方法对结构自重影响小, 相对其他方法, 对墩台及基础加固时可节省材料。

2) 钢板-混凝土组合加固技术是增大截面法和粘钢加固法的有效组合, 充分发挥了钢板和混凝土这两种材料的优点。加固钢板可以布置混凝土梁的底部, 以提高抗弯承载能力。

本项目针对大梁底位置承载力的增强, 采用以上两种方法的结合方式。即:先于底板的腹板位置附近贴压钢板条, 再于腹板下区域增加厚度为10cm (20m长) 钢筋混凝土底板, 并加预应力束, 以改善底板的工作应力状态, 并提高相应的承载能力。

3.2.2 下部结构加固

下部主体结构加固主要对墩盖梁侧面裂缝进行注胶、封闭。可针对不同破坏程度选择以下三种方法:1) 对裂缝注浆封缝, 再用环氧树脂砂浆增厚保护层;2) 在侧表面表面植筋, 绑扎钢筋并浇筑钢纤维混凝土保护层;3) 在盖梁侧面粘贴钢板, 喷复合砂浆外包抹平。

4 结论

文章提出了有粘结体外预应力的加固方法和“钢板-混凝土”组合结构的施工工艺。伴随着该加固方法的应用, 将会出现一些新材料和新工艺。对于桥梁的维修加固, 应在分析病害原因的基础上, 找到经济合理的方法, 以提高结构的设计标准和防止病害的出现。