小半径混凝土曲线梁桥抗扭加固方法及受力性能研究

于晓杰 翟步升 张小慧 孔令杰 朱凡

内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司呼和浩特分公司 北京公科固桥技术有限公司

摘 要：针对某小半径混凝土曲线梁桥边跨梁体扭矩过大、扭转刚度不足，造成箱梁裂缝病害突出的问题，提出了简支端支座顶升和增大梁截面的综合加固措施，以达到降低荷载效应、提高结构刚度的效果。数值模拟分析表明：顶升简支端曲线内侧支座使两简支端扭矩降低74%和72%;增大梁截面使两边跨底板拉应力降低37%和36%,扭转剪应力降低25%,本文提出的加固维修方法能有效改善梁体扭矩，提高箱梁抗扭性能，有效抑制梁体裂缝，为同类型曲线梁桥加固工程提供参考。

关键词：曲线梁桥;扭转裂缝;抗扭加固;支座顶升;增大截面;

作者简介：于晓杰(1972—),男，工程师;

0引 言

相对于直线梁桥来说，由于曲率的存在，曲线梁桥重心基本与梁体的轴线不重合，因此曲线梁桥的受力特点、病害特点以及相应的加固处治措施都与直线梁桥不同。从受力特点上来说，曲线梁桥具有弯-扭耦合<1>、梁体边缘受力不均、支座反力不平衡等特殊的受力特性；从病害特点上来说，曲线梁桥可能出现梁体扭矩大、径向爬移、倾覆以及支座脱空等病害；从加固处治措施上来说，通常采用增大梁截面、梁体顶升复位、增设支座、严格控制超载等方法。目前，我国尚无曲线梁桥的专用设计规范，导致已建的许多曲线梁桥存在一些设计缺陷，出现了很多病害，也存在一定的安全隐患<2,10>。本文依托某小半径曲线梁桥维修加固工程，通过分析病害特征和数值模拟，提出了降低荷载效应、提高结构刚度两方面综合加固维修措施，并针对所采用的综合加固方法深入分析，探讨其处治效果，分析其有效性，在此基础上对此类病害提出综合处治方案，为同类型曲线梁桥加固工程提供参考。

1工程背景

某混凝土桥梁平面位于半径R=90 m的圆曲线上，跨径布置为5 m×25.5 m, 上部结构为现浇预应力混凝土连续箱梁，采用单箱单室截面，梁高1.4 m, 梁宽8.5 m, 混凝土设计强度等级为C50,桥面铺装采用沥青混凝土，设计荷载为公路I级。2021年，桥梁进行了特殊检测，检测结果显示：箱梁腹板出现多条斜向、竖向裂缝，底板出现多条斜向裂缝，腹板斜向、竖向裂缝和底板斜向裂缝主要集中在两个边跨；外侧腹板沿预应力方向均出现多条纵向裂缝；内、曲线外侧翼缘出现多条横向、斜向裂缝，本桥裂缝统计如表1所示。

表1 裂缝病害统计表 导出到EXCEL

根据裂缝病害分布规律和设计文件，本桥箱梁腹板、底板产生斜向裂缝的主要原因有以下两点：(1)预应力束布置不合理。桥梁设计时未充分考虑弯桥的力学特性，箱梁预应力束布置与直线桥相同，曲线内外侧腹板对称布置。对于弯箱梁截面，预应力钢束径向力的作用点总是沿梁高变化的。当作用点位于主梁截面剪切中心以上或以下时钢束径向力就会对主梁产生扭转作用。在对称布筋的情况下，沿梁长布置的腹板预应力束大部分位于截面剪心下侧，腹板钢束和底板钢束产生的径向力引起了偏心弯矩，导致主梁承受过大扭矩。(2)支座未设置预偏心。曲线桥截面外缘尺寸大于内缘尺寸，截面重心偏移主梁中心线，预设偏心距能够改善结构扭矩分配，降低梁端扭矩。而本工程未设置预偏心，恒载偏心产生的扭矩加剧了主梁的负担。

2综合加固处治方法

曲线梁桥因其特殊的力学性能，其病害特征和加固方法存在显著的特殊性，曲梁桥的病害加固也成为近年来研究热点之一<3>。其主要加固方法有：优化结构受力、粘贴加固法、增大截面加固法。而针对本文依托工程中出现的箱梁结构扭矩过大问题，增大梁截面(腹板、底板厚度)<4>、设置横隔板<5>、横隔梁<6>、增大固结墩横向宽度<7>、粘贴碳纤维<8>等方法能够有效增强箱梁抗扭刚度，提高整体结构的抗扭转性能。由于此预应力混凝土曲线梁桥在设计时未能合理布置预应力钢束和支座偏心，导致主梁承受扭矩较大，箱梁底板和腹板裂缝密集。为了有效恢复梁桥的正常使用功能，减少裂缝病害，提出了针对性的加固方案，方案包括两方面的内容。

(1)降低梁端扭矩。

通过对简支端曲线内侧支座位向上顶升，使内力重新分配，以达到降低边跨扭矩的效果。

(2)增强结构抗扭刚度。

针对裂缝病害严重的两边跨，增大箱梁结构断面，对箱梁两侧外腹板及梁底板外包混凝土，以达到增强结构抗扭刚度，减小结构外表面应力的效果。

3受力性能分析

根据相关设计图纸，建立全桥有限元模型。其中C50、C30混凝土、普通钢筋、预应力钢绞线材料特性、温度梯度、汽车活载、支座沉降等采用原设计要求中《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D60-2004)规范取值。整体升、降温采用+10 ℃。

图1 计算模型 下载原图

3.1 支座顶升

加固过程中对第二联箱梁1#、6#墩曲线内侧支座位向上支顶，顶升过程按力和位移进行双要素控制，最大顶升力为950 kN,5#墩和10#墩曲线内侧支顶位最大顶升高度分别为30 mm和25 mm。

图2为支座顶升前后恒载作用下主梁各支座处扭矩绝对值对比图。从图中可以看出：顶升前两边跨扭矩较中间跨偏大；顶升后简支端扭矩较大情况得到明显改善，恒载扭矩分别减小了3 498 kN和2 791 kN,减小幅度为74%和72%。同时中间墩支座处扭矩减小，但变化值相对较小。表明顶升简支端曲线内侧支座可显著改善主梁边跨扭矩较大情况。

图2 顶升前后恒载作用下各支座处扭矩对比图 下载原图

3.2 外包混凝土

针对两边跨和中跨箱梁梁底和腹板的裂缝病害情况，对箱梁边跨及次边墩支点附近5 m区域箱梁两侧腹板及梁底增大截面，浇筑10 cm厚C50自密实混凝土，加固截面结构示意如图3所示。《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2013)第5.1.3中指出：“当被加固构件界面处理及其粘结质量符合本规范规定时，可按整体截面计算”<9>。本文模拟时认为新增混凝土与原结构协同工作，采用软件中的施工阶段联合截面功能对新增结构进行模拟。

图3 增大梁截面示意图 下载原图

(1)结构底板拉应力分析

图4、图5分别表示了加固前后汽车活载作用下主梁各孔弯矩极值和底板的拉应力极值对比图。可以发现：在加固前后各跨汽车活载弯矩变化不大的情况下，主梁边跨底板角点B4处拉应力分别降低了1.92 MPa和1.74 MPa, 降低幅度为37%和36%。加固结构明显改善了原结构两边跨拉应力偏大的情况，且新增结构底板应力与其他孔跨保持同一水平。

图4 汽车活载作用下主梁弯矩极值图 下载原图

图5 汽车活载作用下底板拉应力极值图 下载原图

(2)扭转剪应力分析

图6为增大截面前后汽车活载作用下箱梁结构的扭转剪应力极值对比图，增大梁截面后，汽车活载作用下两边跨结构扭转剪应力有明显改善，应力值降低25%,增大梁截面的加固方法对于该跨结构的扭转剪应力改善效果较为明显。

图6 汽车活载扭转剪应力极值对比图 下载原图

4结 论

本文以一预应力混凝土小半径曲线连续梁桥为背景，因其设计时预应力束对称布置不合理和未设置支座偏心问题，导致主梁简支端扭矩过大，桥梁运营期间出现较多的裂缝病害。针对桥梁加固设计中顶升简支端曲线内侧支座和增大两边跨主梁截面的加固方法，进行了计算。计算结果显示。

(1)向上顶升简支端曲线内侧支座的加固方法，能够有效改善边跨扭矩较大和简支端曲线两侧支座反力分布不均的情况。

(2)对箱梁边跨及次边墩支点附近区域箱梁两侧腹板及梁底增大截面的加固方法，能够有效增强结构抵抗扭转的性能，减小结构底部拉应力和结构扭转应力。

参考文献

<1> 邵容光，夏淦.混凝土弯梁桥.人民交通出版社，1994.

<2> 朱勤英才.预应力混凝土曲线梁桥偏位问题的研究.西南交通大学，2016.

<3> 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，2019,39(2):5.

<4> 强士中，邢兵，李小珍，等.乌苏大桥大挑臂钢箱组合梁扭转性能试验研究.桥梁建设，2014,44(5):7.

<5> 杨英武，尹宗学，王柏生.箱形梁桥横隔板的作用分析.中南公路工程，2005,30(2):3.

<6> 曹旭，陈香杰.横隔梁对多箱室宽箱梁抗扭影响研究.公路，2017(1):96-100.

<7> 龙靖.中央索面PC斜拉桥抗扭性能研究.重庆交通大学.

<8> 金春福，钮鹏.碳纤维加固钢筋混凝土曲线梁试验与有限元分析.公路工程，2017(3):6.

<9> 本社.混凝土结构加固设计规范GB50367-2013.中国建筑工业出版社，2014.

<10> 周若来，陈卫东.曲线梁桥常见病害与设计要点.中外公路，2008,28(6):3.

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