装配式斜交空心板桥体外横向预应力加固研究

张云娜，陈 淮

(1.深圳市综合交通设计研究院，深圳 518003;2.郑州大学 土木工程学院，郑州 450001)

在桥梁建设中，由于公路对线形的要求，或者桥位处的地形限制，常常建造斜交空心板桥。早期所建造的装配式空心板桥，各板之间多用小企口缝连接。近些年随着交通量急剧增大，装配式空心板桥在桥面经常出现沿板间企口缝的纵向裂缝、坑槽和塌陷等病害，发展下去将使装配式空心板之间的横向联系失效，出现单板受力现象，影响桥梁安全［1-2］。

针对装配式空心板桥横向联系失效的病害，工程界提出了一种通过施加体外横向预应力来增强桥梁横向整体性的方法［3-5］。施加体外横向预应力的方法虽已在一些工程中得到使用，但是关于施加体外横向预应力的加固效果，尤其是对装配式斜交空心板桥的加固效果，还未见文献报道。本文采用有限元方法，对装配式斜交空心板桥施加横向预应力加固后的效果进行数值模拟和分析。

1 桥梁概况与建模

某标准设计的装配式预应力混凝土斜交空心板桥，横向由11块空心板组成，桥梁宽度为11 m，跨径为30 m，交角为15°。采用施加体外横向预应力加固所用的应力筋设置为:沿顺桥方向，从通过第6号板的中点并垂直于桥轴线方向横截面开始，向两端依次在间距为1 m，2 m，3 m，3 m处设置体外横向预应力筋，共计9根。体外横向预应力筋在空心板底3.5 cm处，两端锚固在两侧边空心板下面增加的牛腿上。

体外横向预应力筋采用1×7-φj15钢绞线。桥面板和企口缝混凝土的弹性模量为3.25×104MPa，泊松比为0.2;混凝土护栏的弹性模量为2.80×104MPa，泊松比为0.167;防水混凝土铺装层的弹性模量为3.00×104MPa，泊松比为0.2。桥梁横截面、单板横截面见图1、图2。

采用MIDAS/Civil有限元程序建立上述装配式预应力混凝土斜交空心板桥的空间有限元计算模型。用三维空间块体单元对空心板桥进行离散，截面顶板普通钢筋区采用钢筋与混凝土的折算弹性模量考虑顶板处普通钢筋的影响，截面底部预应力钢筋采用等效的预应力板带模拟;横向预应力筋采用只受拉不受压的桁架单元。全桥共计划分110 952个实体单元，9个桁架单元，132 307个节点。空心板桥边界条件为两端简支，共计44个支座。

图1 全桥横截面(单位:cm)

图2 单板横截面(单位:cm)

装配式空心板桥加固前后的荷载横向分布影响线的平缓变化程度可以反映空心板桥的加固效果，本文借用荷载横向分布影响线的变化来评价施加体外横向预应力后装配式斜交空心板桥的加固效果。为了得到桥梁荷载横向分布影响线，分别在第6号板中点并垂直于桥轴线方向的横截面上，对第1～6号板的板中心处施加单位竖向荷载，对每个单位荷载，再细分2种工况:工况1，仅单位荷载;工况2，单位荷载 +100 kN/根的体外横向预应力筋荷载，全桥共计12种工况。

由于铰接空心板桥按板挠度和弯矩求得的跨中荷载横向分布影响线是一致的，本文按各板在计算面上的挠度比例计算跨中荷载横向分布影响线。具体计算过程为:将单位荷载依次施加到空心板计算截面上的宽度中心处，计算得到对应于此荷载的各个空心板的挠度值，根据位移互等定理，可得到该块空心板挠度的横向影响线，最后根据挠度和荷载横向影响线的关系，得到空心板桥荷载横向分布影响线。

2 计算结果及其分析

2.1 未施加体外横向预应力的荷载横向分布影响线

施加体外横向预应力前，各片空心板间的横向联系较弱，可视为铰接;根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)的规定:“整体式或装配式斜交板桥，当斜度等于或小于15°时，可按正交板计算”，可知:对于本桥，加固前的荷载横向分布可近似看作正桥计算，故可根据传统铰接板理论，通过对相应的正桥计算来得到荷载横向分布影响线。为了对比计算结果，将装配式空心板桥加固前采用有限元法与按传统铰接板法对应正桥计算得到的横向分布影响线绘于图3。

图3 加固前各板荷载横向分布影响线

对比图3可知，采用有限元法与按传统铰接板法计算得到的荷载横向分布影响线吻合较好，说明本文所建立的装配式斜交空心板桥计算模型的正确性和有限元法的有效性，可以采用此有限元模型计算装配式斜交空心板的荷载横向分布影响线。

2.2 施加体外横向预应力前后荷载横向分布影响线

为了评价施加体外横向预应力加固装配式斜交空心板桥的效果，对第1～6号空心板加固前后的荷载横向分布影响线进行比较，如图4所示(限于篇幅，文中仅列出其中4块板)。

分析图4可以看出，装配式斜交空心板桥施加体外横向预应力后，荷载横向分布影响线变得平缓，说明空心板之间的传力作用有所增强。亦即由单板受力向多板协同作用发展，表明了施加体外横向预应力加固法对提高装配式斜交空心板桥横向整体性是有效的。

图4 加固前后各板荷载横向分布影响线

2.3 斜交角对加固效率的影响

分别建立跨径、宽度和材料均与上述装配式斜交空心板桥相同，但斜交角分别为 0°(即正桥)、30°和45°的3座桥梁的有限元计算模型，通过计算确定斜交角对装配式斜交空心板桥加固效率的影响。根据这3个计算模型和15°斜交角模型所得结果，以荷载横向分布影响线最大值与最小值的差值Δη=ηmax-ηmin的变化λ(Δη)作为评价加固效果的指标，得出斜交角对加固效率λ(Δη)的影响，如表1所示。

表1 斜交角对各片空心板 λ(Δη)的影响 %

由表1可知，施加体外横向预应力加固装配式斜交空心板桥，效果没有正交板桥明显;在跨径、宽度、截面特征系数γ和体外横向预应力荷载大小均相同的情况下，随着斜交角的增大，加固效率将逐渐减小。

3 结论

1)对比施加体外横向预应力加固装配式斜交空心板桥前后荷载横向分布影响线图可知，采用施加体外横向预应力方法，对装配式预应力混凝土斜交空心板桥进行加固，能有效地改善荷载横向分布，增加空心板之间的横向联系和板间协同作用能力，增强装配式空心板桥的整体性，加固效果明显。

2)对于斜交角不同的装配式斜交空心板桥，施加体外横向预应力加固后，对比加固效率可知:斜交角的大小对装配式预应力混凝土斜交空心板桥的加固效果影响较大，斜交角越大，加固效率越低。

［1］陈晓强，赵佳军，吴建平.板梁结构由铰缝引起的病害分析及加固改造［J］.现代交通科技，2004(1):46-48.

［2］王砚酮.高等级公路中“单板受力”现象及原因分析［J］.公路交通技术，2004(4):29-32.

［3］胡巧玲.装配式预应力混凝土空心板梁加固方式的探讨［J］.铁道建筑，2009(3):27-28.

［4］李友好，赵豫生.某病害桥横向体外预应力加固实践［J］.重庆交通学院学报，2005，24(2):18-21.

［5］陈淮，张云娜，葛素娟.横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨［J］.铁道科学与工程学报，2008，5(6):22-25.