桥梁体外预应力加固效果及局部有限元分析_有限元分析solidworks
摘要：结合实例对大跨径的预应力混凝土连续刚构桥存在的病害，如混凝土开裂和下挠，进行体外预应力加固技术分析。 关键词：体外预应力加固 有限元分析 中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1008-925X(2012)O8-0114-01
一、前言
本文基于有限元法理论，结合贵州新公路上已建十余年的一座大型预应力混凝土连续刚构桥——腊芒大桥加固前后施工实测数据以及相关检测数据，利用有限元分析软件SAP2000对其加固施工全过程进行仿真分析，设计荷载：公路-Ⅰ级；桥面净空：净-11.0m+2×0.5m（防撞护栏），桥面全宽12.0m。
二、加固方法
体外预应力加固一般是在梁底或梁侧下部增设高强钢丝，钢绞线或高强度粗钢筋等，并锚固在梁的两端，通过转向块确定其走向，与梁体构成一个桁架体系成为超静定结构 ，施加预应力，能抵消部分恒载应力而起到卸载作用，同时还改变了原结构的内力分布，降低了原结构的应力水平，提高了梁的正截面抗弯强度、刚度和抗裂性，从而较大幅度的提高了桥梁的承载能力。
因此，确定采用体外无粘结预应力技术加固方法，主要措施是在箱体内侧布置体外纵向预应力钢束来提高桥梁的承载力，使加固后的结构达到公路-I级标准，并保证有一定的安全储备。加固设计的要点如下：
（1） 体外预应力布置
采用的体外预应力钢束均为腹板弯起束。腹板弯起束在中跨设置8束19ФS15.24mm规格的低松弛钢绞线束，在两个边跨各设置8束12ФS15.24mm规格的低松弛钢绞线束。每跨体外预应力钢束均分四组弯起，在墩顶交叉锚固于墩顶横隔板上，于梁端锚固于混凝土斜锚块上，在各跨跨中区域，腹板束靠近底板，在各主墩墩顶区域，腹板束沿箱梁顶板布设。所有体外预应力钢束均采用钻孔的方式通过主墩横隔板。
（2） 锚固构造
1）端部现浇锚块：原设计在主梁端部设置了较大尺寸的横隔板，新设的体外预应力钢束不能在主梁端部进行张拉，并且数量较多，因此为了保证结构的安全而考虑采用混凝土现浇锚块。即在确保不破坏原结构预应力钢束的条件下，采用植筋技术及在新旧混凝土接触面凿出剪力槽，使现浇端部斜锚块通过顶、底板及腹板抗剪承受体外预应力钢束的张拉力。
2） 墩顶锚固构造：在主墩墩顶横隔板，对横隔板钻孔设置预应力钢束的管道，并浇注混凝土斜锚块及墩顶加强块，以实现体外预应力钢束的平弯和竖弯，使体外预应力钢束交叉锚固于墩顶横隔板上。
3）锚具和垫板：应抽样检查夹片硬度。应逐个检查垫板喇叭管内有无毛刺，对有毛刺者禁止使用。所有锚具均应采用整体式锚头，不允许采用分离式锚头。
三、加固效果分析
1．挠度计算
体外预应力在加固前汽车荷载最不利布置的短期作用下，箱梁边跨的最大挠度为10.44mm，中跨的最大挠度为39.75mm，分别占各跨度的1.4×10-4和4.3×10-4，加固后的箱梁在相同荷载作用下边跨和中跨的最大挠度为7.20mm和31.75mm，分别占各跨度的1.4×10-4和3.5×10-4，挠度分别减小了2.5mm和8mm，占加固前挠度的24%和20%，可见体外预应力加固对于挠度的降低较为显著。
按规范线性内插取得挠度长期增长系数=1.43，预应力长期作用引起的反拱挠度考虑预加力挠度长期增长系数为2.0，预加力挠度长期长期考虑长期效应影响后，加固后的最大挠度为：
边跨：f=ηθfs-f2f=1.43×7.2-2.5×2=5.30mm
说明汽车荷载作用下箱梁的挠度符合规范要求。
2．应力计算
选取适当的控制截面，找出腹板的最大主应力截面。组合工况作用下，箱梁在中跨跨中下缘处取得最大法向应力为0.71MPa（为拉应力），加固后在相同荷载组合作用下，同一点处的法向应力变为-3.01MPa（压应力），减小了3.82MPa，可见体外预应力加固明显改善了箱梁底板的应力状态。加固后在各种工况组合作用下，在控制断面处箱梁的顶面和底面均处于受压状态，可见加固后箱梁对于正截面抗裂能力提高很是明显。
四、结论
本文首先使用有限元软件分别计算原箱梁在正常使用状态下加固前后的挠度、法向应力以及最大主应力，通过对比发现，体外预应力加固能很大程度上的减小原预应力混凝土连续刚构桥的垮中跨下挠趋势，增大了箱梁的应力储备，明显改善了上下缘的应力状态，但对于箱梁腹板的抗剪能力的加固效果不太明显，因此针对该腹板腊芒大桥的加固方案中，因腹板抗剪能力不足，没有仅仅采用体外预应力加固，而是还辅以在腹板内侧粘贴钢板进行补强的措施。故而针对腹板斜裂缝及跨中下挠明显等诸多病害同时出现时，可采用粘贴钢板和体外预应力综合加固技术。
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