装配式斜交空心板桥横向预应力加固

邹兰林，蔡 睿，周兴林，吴耀辉

(武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430065)

装配式板桥是我国较为常见的桥型之一，具有施工质量有保障、现场施工时间短、造价相对较低等优点。其中，装配式斜交空心板桥有较大的抗扭刚度，且结构轻巧、施工简便，能改善道路线形及适应复杂的街道条件，缩短路线和桥长，已广泛应用于高等级公路和市政工程中[1]。但研究发现，由于斜交空心板桥较正交板桥受力复杂，因而其铰缝病害问题更为严重[2-3]。为此，人们进行了大量理论研究和试验分析，找到一些解决方法，例如改变铰缝形式[4]、化学灌浆[5]、钢板加固、预应力加固[6]等。

现在所采用的斜交空心板桥加固改进措施大部分都是被动式加固，不能彻底解决铰缝病害问题。相比较而言，在空心板体外施加横向预应力是目前最有效的一种加固方法。横向预应力加固可使空心板在铰缝接头处产生预应力，有效消除拉应力，改善铰缝应力和荷载的横向分布，避免铰缝产生裂缝以及单板受力，提高桥梁刚度，从而减少病害的发生和进一步发展。

国内现阶段对装配式梁桥的横向预应力加固方法一般是在其底板施加预应力，加固区域通常只位于跨中直线部位，而忽略了斜端部的作用。这种加固方法会使斜端部达不到预压效果，还可能让铰缝上缘出现拉应力，使得铰缝截面上部横向受拉，从而导致铰缝处于更加不利的受力状态，不仅起不到加固作用，还可能会加快铰缝病害的出现[7]。针对此问题，本文提出一种在空心板板底、板顶的直线部位及斜边三分之一处分别施加横向预应力的炭纤维板加固方案，并采用ABAQUS软件建立装配式斜交空心板桥模型，通过仿真分析来验证该方案的可行性和有效性。

1 有限元建模

1.1 桥梁概况与有限元模型

某装配式斜交空心板桥，横向由7块空心板组成，每板宽约 1.25 m，桥梁宽度为8.74 m，跨径L=16 m，计算跨径为 15.4 m，斜交角为30°，梁高0.80 m，混凝土采用 C40，各板间由深铰缝混凝土进行连接。全桥横截面如图1所示。

图1 全桥横截面

由于研究重点是铰缝，所以桥面板采用整体式模型[8]，用均化的钢筋混凝土折算弹性模量ER，计算公式为：

(1)

式中：EC为混凝土弹性模量；ES为钢筋弹性模量；μ为配筋率。

利用ABAQUS软件建立该桥的有限元模型，其中主梁、桥面和铰缝均采用C3D8单元模拟，单元划分方法采用自由网格划分；铰缝内钢筋采用梁单元，钢筋和混凝土的关系用嵌入单元进行模拟，铰缝钢筋和铰缝之间的节点相互协调；空心板与桥面铺装层、铰缝与桥面铺装层、铰缝和空心板等这些接触面均用Tie约束。

1.2 有限元模型的验证

本文对所建模的实际桥梁进行了荷载试验，在相同的工况下将实桥试验所得数据同模型仿真结果进行对比，来验证有限元模型。

该桥的设计荷载等级为公路-Ⅱ级，双向二车道，计算桥梁设计荷载和试验荷载作用下的内力时采用有限元分析软件Midas/Civil。测试截面选择在设计荷载(标准组合)作用下单梁内力最不利截面，即在跨中最大正弯矩工况下测量L/4和L/2(即跨中)截面的挠度。

为检测试验荷载作用下单梁的变位情况，在各挠度测试截面布置位移测点，如图2所示。在选定的测试截面和测点位置粘贴电阻应变片，采用DH-3816静态应变仪进行结构应变数据采集。将试验结果处理后得到中梁各测点的挠度如表1所示、应变如表2所示。

由表1、表2可知：实桥试验和有限元模拟所得的中梁挠度及应变值十分接近，均在误差允许的范围内，表明所建有限元模型能准确地反映出实桥的真实受力情况。

图2 中梁L/4及L/2截面上的测点布置

Fig.2 Layout of measuring points atL/4 andL/2 sections of the middle beam

表1 中梁挠度

表2 中梁应变

2 铰缝最不利荷载分析

导致装配式斜交空心板桥发生铰缝破坏的常见原因有铰缝设计和施工安排不合理、梯度温度场作用、车辆荷载作用以及不合理运营等，本文主要考虑梯度温度场和车辆荷载的影响。建立有限元模型并施加这两种作用，得到铰缝截面荷载最不利位置的横向应力σx的分布如图3所示，其中l代表铰缝沿桥梁纵向坐标。

图3 铰缝荷载最不利位置的横向应力分布

Fig.3 Transverse stress distribution at the most unfavorable loading position of hinge joints

从图3可以看出：①车辆荷载作用下，铰缝截面底部出现最大值为0.3 MPa的拉应力，其对铰缝影响不明显；②在正梯度温度场作用下，中间铰缝交接界面出现最大为1 MPa 的拉应力，由于新老混凝土黏结力较弱以及施工过程不规范等问题，此拉力可能导致铰缝开裂；③负梯度温度场作用下，桥面板顶部出现最大值为2.8 MPa的拉应力，大于C40混凝土抗拉强度，会导致桥面板开裂。

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)的要求，考虑荷载的最不利组合，可以得出：①与单一因素相比，负梯度温度场和车辆荷载的共同作用更加不利，会在铰缝截面顶部的桥面板处产生3.7 MPa的拉应力；②正梯度温度场和车辆荷载共同作用时，在铰缝交接面会出现1.2 MPa的拉应力。因此，有必要对该装配式斜交空心板桥施加横向预应力进行加固。

3 横向预应力加固方案设计

常见的预应力加固材料有两种，分别是钢绞线和炭纤维板。采用预应力钢绞线时，施工难度较大，需要在板上开孔，还要进行防腐处理，所以其应用受限。炭纤维板具有轻质、耐腐蚀、高抗拉强度、高抗疲劳性以及低氯腐蚀敏感性等优点，被广泛应用于工程领域，并在桥梁加固工程中开始应用[9-10]，故本文采用炭纤维板加固方案。

国内对空心板梁桥的加固通常是仅在其底板施加横向预应力，如前所述，这种方法存在缺陷。为此，本文采用一种改进的横向预应力加固方案，即在底板和顶板同时施加横向预应力。该方案能使装配式斜交空心板梁桥上部结构整体受力。

按照偏压构件估算所需横向预应力的大小：

(1)计算最不利荷载产生的最大横向拉应力；

(2)沿桥梁纵向按横向预应力布置间距进行等分；

(3)通过式(2)计算所需要的横向预应力大小。

(2)

式中：σx,max为最大横向拉应力；N为横向预应力；yo为横向预应力距等效偏压构件截面形心的距离；y为等效偏压构件截面形心距底缘的距离；A为等效偏压构件的面积；I为等效偏压构件的抗弯惯矩。

将各参数值代入式(2)，解得N=215 kN，取预应力大小为200 kN。

预应力布置如图4所示，采用宽50 mm×厚2 mm的炭纤维板在底板和顶板同时加固。从中间空心板的中点垂直于桥梁轴线方向开始，向左右两端布置，参照文献[8]，直线部位横向预应力施加间距取2000 mm。为使桥梁斜端部铰缝也达到预压效果，在斜边三分之一位置各增加一道预应力，即空心板底部和顶部分别设置5个横向预应力加固区域。

图4 预应力的布置

4 加固效果分析

为了检验本文方法的加固效果，利用前面所建有限元模型得出各空心板的荷载横向分布影响线，如图5所示，以1～4号空心板为例。

分析图5可知，装配式斜交空心板桥采用横向预应力炭纤维板加固后，荷载横向分布曲线变得更加平缓，各板之间的横向传力作用增强，减小了桥面板单板受力情况的发生。这表明采用横向预应力炭纤维板加固方法可以提高装配式斜交空心板桥横向整体性，该加固方案是有效的。

(a)1号空心板 (b)2号空心板

(c)3号空心板 (d)4号空心板

图5 加固前后各空心板的荷载横向分布影响线

Fig.5 Influence lines of transverse load distribution of hollow slabs before and after reinforcement

5 结论

(1)通过实桥荷载试验和相同工况下的有限元仿真结果对比，验证了本文建立的装配式斜交空心板桥有限元模型的准确性。

(2)在负梯度温度场和车辆荷载共同作用下，装配式斜交板桥的铰缝交接面会出现拉应力，极可能导致铰缝开裂，有必要对桥梁进行加固。

(3)所提出的在装配式斜交空心板桥板底、板顶的直线部位以及斜端部三分之一处同时施加横向预应力的炭纤维板加固方法，能使各空心板之间的横向传力作用增强，避免了单板受力情况的发生，提高了装配式空心板桥的整体承载性能，具有较好的加固效果。