许 晟

(1.福建省高速公路建设总指挥部 福建福州 350001； 2.福州莆炎高速公路有限公司 福建福州 350000)

0 引言

由于多种因素影响，预应力混凝土桥梁在施工过程存在着许多影响桥梁质量和安全的病害，如预应力张拉失控、混凝土空鼓、孔道位置偏差等[1-2]。王艺洋[3]、李露[4]、赵卓[5]和金卫[6]等采用有限元分析方法，定性定量分析这些实际施工过程的病害对桥梁结构的影响程度。

本文以某变截面连续刚构箱梁桥箱梁顶部预应力钢束圆曲线段下沉和顶板空鼓病害修复为背景，通过有限元分析该桥局部应力和整体受力状态，分析该病害对桥梁的影响程度，并提出病害修复方案。研究结论为类似工程修复提供参考。

1 工程概况

某大桥主桥上部结构为60+110+60m变截面连续刚构箱梁，主桥下部结构桥墩采用薄壁墩，基础采用挖孔灌注桩+承台基础。采用双幅桥设计，桥梁平面位于曲线上。竣工验收前发现大桥左幅第六跨箱内距离5#梁40m 顶板W4号齿块处约有1.5m×2.0m范围空鼓，且空鼓处W4号预应力钢束在圆曲线段有下沉现象，最大下沉量约4cm。位置如图1所示，病害现场照片如图2所示。

图1 位置示意图(单位：cm)

图2 病害图示

2 有限元模型

采用桥梁博士软件建立全桥有限元模型，上部结构分为88个单位。共划分34个施工阶段，模拟大桥左幅第六跨左侧W4号钢束下沉按钢束完全失效的极限情况进行验算。W4号钢束失效与否对剪力并无影响，因此不对结构剪力进行验算。计算模型如图3所示。

图3 桥梁博士计算模型

设计荷载为公路-I级，主梁采用C55混凝土；预应力钢筋采用高强度低松驰17丝捻制的预应力钢绞线，公称直径15.20mm，公称面积139mm2，标准强度fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，1000h后应力松驰率不大于2.5%，预应力管道采用塑料波纹管成形，管道摩擦系数u=0.17；管道偏差系数K=0.0015m；锚具变形和钢束回缩量为6mm(单端)。其他均按《公路桥涵设计通用规范》[7]和《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》[8]取值。

根据《公路桥梁设计通用规范》的规定，运营阶段针对拱肋与桥面系主要考虑以下荷载组合，其中组合I、II为承载能力极限状态组合，组合III～V为正常使用极限状态组合。

组合Ⅰ：1.2自重+1.0预应力+1.0收缩徐变+1.4汽车荷载(含冲击)；

组合Ⅱ：1.2自重+1.0预应力+1.0收缩徐变+1.4汽车荷载(含冲击)+1.12温度效应(整体升降温与温度梯度)；

组合Ⅲ：1.0自重+1.0预应力+1.0收缩徐变+0.7汽车荷载(不计冲击)+1.0整体升降温；

组合Ⅳ：1.0自重+1.0预应力+1.0收缩徐变+0.7汽车荷载(不计冲击)+1.0整体升降温+0.8温度梯度；

组合Ⅴ：1.0自重+1.0预应力+1.0收缩徐变+1.0汽车荷载(含冲击)+1.0整体升降温+1.0温度梯度。

3 计算分析

3.1 局部应力分析

对比W4号钢束失效前后，该截面正常使用极限状态组合下纵梁截面上下缘的最大最小正应力和主应力如表1所示，由表1可知，W4号钢束失效后，应力满足要求，但是上缘正应力增大2.7%，下缘正应力增大27.0%,主应力增大2.1%。

表1 W4号钢束失效前后截面应力比较

3.2 整体受力分析

3.2.1承载能力极限状态

图4和图5分别列出基本组合下全桥最大(小)弯矩及其对应的抗力，浅色、深色分别代表最大(小)弯矩对应抗力及最大(小)弯矩。最大(小)弯矩对应抗力及最大(小)弯矩，具体如表2所示。由图4～图5及表2可见，承载能力极限状态下全桥的正截面抗弯强度满足要求。

图4 最大抗力及抗力对应内力图(单位：MPa)

图5 最小抗力及抗力对应内力图(单位：MPa)

表2 正截面抗弯强度验算表 kN·m

3.2.2正常使用极限状态

(1)抗裂验算

如图6所示短期效应组合下纵梁截面上下缘的最大最小正应力，主梁上(下)方浅色、深色分别代表上、下缘的最大、最小正应力。如图7所示出短期效应组合下纵梁截面的最大最小主应力，浅色、深色分别代表最大主压应力及最大主拉应力。正应力和主应力的最大值汇于表3，应力均满足规范要求。本桥短期效应组合下的抗裂验算满足要求。

图6 短期效应组合正应力图(单位：MPa)

图7 短期效应组合主应力图(单位：MPa)

表3 短期效应组合抗裂验算表 MPa

(2)应力验算

图8为标准组合下纵梁截面上下缘的最大、最小正应力，主梁上(下)方浅色、深色分别代表上、下缘的最大、最小正应力。

图8 标准组合正应力图(单位：MPa)

图9为标准组合下纵梁截面的最大、最小主应力，浅色、深色分别代表最大主压应力及最大主拉应力。

图9 标准组合主应力图(单位：MPa)

正应力和主应力的最大值汇于表4。由表4可见，应力均满足规范要求。本桥在持久状况下混凝土的应力满足要求。

表4 持久状况混凝土应力验算表 MPa

(3)挠度验算

按照新《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》规定，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响。该桥采用C55混凝土，其挠度长期增长系数ηθ=1.4125，消除结构自重产生的长期挠度后，主梁的最大挠度不应超过计算跨径的1/600。表5列出消除结构自重产生的挠度后主梁挠度最大值。

表5 极限状态挠度验算表 mm

(4)预应力钢束验算

正常使用极限状态，预应力钢束应力最大为1201MPa，失效前后变化较小，均小于1208MPa，满足规范要求。

该桥在承载能力极限状态和正常使用极限状态下，裂缝、应力和挠度验算均符合规范要求；且验算时，假设W4号预应力钢束完全失效，但实际上W4号预应力钢束应力只是损失了部分预应力，并未完全失效。所以，实际上桥梁性能优于计算结果，不管是局部受力还是全桥受力，均能满足要求。因此，桥梁箱内空鼓缺陷不会对桥梁结构产生严重影响。

4 修复方法研究

由于W4号钢束下沉段位于圆曲线段，张拉时产生沿着桥轴线方向的向下分力，同时由于施工时混凝土浇筑振捣控制不到位，导致钢束下部形成空鼓并造成钢束下沉。虽然现阶段空鼓不会对桥梁结构产生重要影响，但若不进行修补，在长期运营状态下，环境会对裸露的钢筋和钢束波纹管产生影响，逐渐产生锈蚀等病害，因此应对其进行修复。而且，在修复时，要防止钢束继续下沉，并修补混凝土空鼓。

4.1 混凝土空鼓

空鼓修复应先判明空鼓范围，将松散混凝土凿除并露出新鲜骨料，采用同标号高强度、强粘结性的混凝土进行填充，确保与旧混凝土的粘结。具体的修复步骤如图10所示。

(a) 凿除空鼓

(b)植入U型钢筋

(c)环氧混凝土修补图10 空鼓的修复方法

(1)对空鼓处进行凿除。

(2)使用直径16mm的U型钢筋对下沉的预应力钢束通过钻孔植筋的方式进行固定。

(3)对钢筋进行除锈防锈处理。

(4)对凿除范围进行清洗。

(5)采用C55环氧混凝土人工填充空鼓位置，分层填充，每层厚度不得超过2cm。

(6)洒水养护。

4.2 预应力钢束下沉

虽然W4预应力钢束下沉损失了部分预应力，对整体结构性能影响较小，但局部仍会受到一定影响。为防止预应力钢束进一步下沉，除在空鼓修复时用U型筋固定外，还采用预应力碳纤维板修复。预应力碳纤维板可以使碳纤维板强度有效发挥，提升结构承载力，同时提高受弯构件的抗弯刚度，减少原构件的挠度，抑制构件变形和裂缝扩展。具体步骤如图11所示。

(1)在W4号齿块旁粘贴碳纤维板，粘贴的碳纤维板长度应与W4钢束相近，且纵向位置尽量与W4号预应力钢束所在位置重合，并延伸到弯起处。共粘贴3条碳纤维板，单片碳纤维板宽100mm、厚10mm。

(2)使用100cm×10cm碳纤维布压条对碳纤维板进行固定。

5 结论

(1)顶板局部钢束失效后，截面上缘正应力略微增大，截面下缘正应力变化较大，但仍满足规范要求。

(2)承载能力极限状态下全桥的正截面抗弯强度满足要求；正常使用极限状态下应力、挠度和裂缝验算等均符合规范要求。

(3)对混凝土空鼓修复采用的步骤和方法：首先，凿除空鼓；其次，使用U型钢筋对下沉的预应力钢束固定；再次，涂抹环氧混凝土修复空鼓位置。

(4)对预应力钢束下沉修复，可采用沿预应力钢束粘贴预应力碳纤维板，锚固点位于弯起处，并使用碳纤维布压条对碳纤维板进行固定。