某預(yù)應(yīng)力T梁橋加固設(shè)計(jì)及分析研究

張紅章

（三明市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福建 三明 365000）

某預(yù)應(yīng)力T梁橋加固設(shè)計(jì)及分析研究

張紅章

（三明市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福建 三明 365000）

通過(guò)對(duì)某預(yù)應(yīng)力T梁橋的外觀檢查、質(zhì)量檢測(cè)和動(dòng)靜載試驗(yàn)，分析了該橋的實(shí)際受力狀態(tài)。采用了粘貼底面鋼板、側(cè)面鋼板加固混凝土主梁和橫向體外預(yù)應(yīng)力筋加固橫隔梁的方法對(duì)該橋進(jìn)行了加固，并運(yùn)用力學(xué)知識(shí)進(jìn)行了理論計(jì)算，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了加固后的受力分析，結(jié)果表明，粘貼鋼板的加固方法能有效提高主梁結(jié)構(gòu)部的抗彎拉性能，橫向預(yù)應(yīng)力能提高橋梁的整體剛度，減少和抑制橫梁裂縫的發(fā)展，使結(jié)構(gòu)受力更合理安全。

T梁加固；數(shù)值分析；粘鋼板；體外預(yù)應(yīng)力

某預(yù)應(yīng)力梁橋建于上世紀(jì)90年代，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為汽車—超20，掛車—120，人群荷載3 kN/m2，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T型梁，橋面連續(xù)，主跨結(jié)構(gòu)長(zhǎng)3×50 m（一聯(lián)），橫向由8條T梁組成，翼板由鋼板搭接連接，橫隔梁?jiǎn)慰缭O(shè)置8根，沿縱向相距7 m，橋梁縱坡1%，橫坡1%，柱式墩，兩橋臺(tái)處設(shè)置板式橡膠伸縮縫，支座采用四氟板橡膠支座，預(yù)應(yīng)力由6根預(yù)應(yīng)力φj15鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1500 MPa。經(jīng)過(guò)外觀、質(zhì)量檢測(cè)和動(dòng)靜載試驗(yàn)，結(jié)果顯示上部結(jié)構(gòu)縱橫向連接處開裂嚴(yán)重，主梁存在較多裂縫，橋面破損，且該橋交通量日漸增大，汽車超載現(xiàn)象較為普遍，已無(wú)法滿足當(dāng)時(shí)交通狀況。經(jīng)分析對(duì)主梁采用了梁底粘貼鋼板、橫隔梁采用了體外預(yù)應(yīng)力的加固方法。

1 橋梁現(xiàn)狀與分析

通過(guò)對(duì)該橋進(jìn)行的外觀、質(zhì)量監(jiān)測(cè)及動(dòng)靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明該橋存在較為嚴(yán)重的病害，結(jié)構(gòu)承載能力已經(jīng)明顯降低，且車輛超載現(xiàn)象比較普遍，對(duì)橋梁的安全和使用壽命將產(chǎn)生重要影響。

（1）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：混凝土回彈試驗(yàn)和碳化測(cè)試可以知道，混凝土柱的強(qiáng)度等級(jí)在27.1～37.6 MPa之間（設(shè)計(jì)C30），混凝土主梁的強(qiáng)度等級(jí)在49.5～54.2 MPa范圍（設(shè)計(jì)C50），基本滿足設(shè)計(jì)要求，推算的混凝土強(qiáng)度均值除了右幅2#柱偏低（27.1 MPa）以外，其余均大于28 d立方體強(qiáng)度?？梢?jiàn)，局部混凝土強(qiáng)度較低，混凝土不均勻，墩柱碳化較為嚴(yán)重。

（2）主梁：主梁裂縫有密集型、破損嚴(yán)重型和可閉合型裂縫3類。左幅第三跨跨中兩橫隔梁之間的裂縫達(dá)30條之多，表明某些主梁存在嚴(yán)重的損傷現(xiàn)象。靜載試驗(yàn)過(guò)程中右幅第三跨的北6～7號(hào)主梁存在可閉合裂縫，且破損嚴(yán)重。按梁統(tǒng)計(jì)表明，顯裂縫的出現(xiàn)率約為12.5%，可閉合裂縫的出現(xiàn)率按梁統(tǒng)計(jì)約為25%，均出現(xiàn)在主梁跨中的梁橫隔梁之間?？砷]合裂縫分布密集，有發(fā)展趨勢(shì)，成為主梁結(jié)構(gòu)安全隱患，將影響結(jié)構(gòu)承載能力和使用壽命。

（3）橫隔梁：主要問(wèn)題是對(duì)接接頭失效和錯(cuò)位。橫隔梁對(duì)接頭完全失效的左幅橋占17.26%，右幅橋21.43%。對(duì)接頭失效的主要原因是施工質(zhì)量低劣，如橫隔梁對(duì)接頭偏差、對(duì)接鋼板尺寸和裝配位置不符合設(shè)計(jì)要求、焊接質(zhì)量極差等。相鄰主梁的橫隔梁對(duì)接部位偏差大多數(shù)在50～59 mm，占23.8%，其次是40～49 mm，占22.2%。橫隔梁對(duì)接頭偏差嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)荷載的橫向分布和結(jié)構(gòu)的承載能力。

（4）靜載試驗(yàn)：在靜載試驗(yàn)中，最大靜載試驗(yàn)荷載下，邊梁跨中的梁底面應(yīng)變約為372×10-6（折算應(yīng)力為12.8 MPa），校驗(yàn)系數(shù)為2.24；中梁的為593×10-6（折算應(yīng)力為20.5 MPa），校驗(yàn)系數(shù)為5.87，大大超過(guò)了校驗(yàn)系數(shù)容許范圍。

中梁靜載試驗(yàn)測(cè)得跨中最大豎向位移為20.04 mm，邊梁的為18.67 mm，有限元計(jì)算求得上部結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力作用產(chǎn)生的撓度為53.80 mm，《規(guī)范》規(guī)定結(jié)構(gòu)容許位移w=L/600=81.7 mm?？紤]自重等因素，最大總撓度為73.84 mm＜81.7 mm，剛度滿足要求，但接近容許位移值，而且荷載較小時(shí)校驗(yàn)系數(shù)大于1.0，較大時(shí)又小于1.0，表明結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重。

（5）跑車試驗(yàn)：跑車試驗(yàn)在40 km/h速度下的最大動(dòng)荷系數(shù)為μ=0.11，在60 km/h速度下的最大動(dòng)荷系數(shù)為μ=0.23，車速對(duì)動(dòng)荷載系數(shù)影響明顯。

（6）雙梁靜載試驗(yàn)：左幅橋第一跨的北二梁與北三梁之間的鋪裝層斷裂，荷載橫向分布大大減小，與鋪裝層完好的第三跨比較，第一跨的應(yīng)力（11.3 MPa）是第三跨的應(yīng)力（5 MPa）的2.26倍，增加126%。計(jì)算表明，主梁在橫向分擔(dān)荷載完好的情況下，安全系數(shù)約為1.63，如果考慮15%的預(yù)應(yīng)力損失，安全系數(shù)降為1.38，因此主梁的極限狀態(tài)的儲(chǔ)備是不樂(lè)觀的。

根據(jù)公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范，綜合評(píng)定指標(biāo)為Dr=64，技術(shù)狀況評(píng)定為二類，接近二類下限，局部應(yīng)該進(jìn)行中修。鑒于主要承重構(gòu)件的主梁存在一定程度的病害和橫隔梁嚴(yán)重病害，原結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)整體性能不適應(yīng)該公路運(yùn)輸?shù)男枰褪褂脡勖?，?yīng)進(jìn)行加固和技術(shù)改造處理。

鑒于橫梁連接失效和前期運(yùn)營(yíng)車輛超載現(xiàn)象普遍等造成橋梁種種損傷和病害，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗彎能力，應(yīng)該進(jìn)行加固和改造，以提高橋梁的局部和整體結(jié)構(gòu)的安全性，阻止病害的增加和發(fā)展，提高病害橋梁的永久承載能力，達(dá)到提高使用壽命的目的。

2 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)與改造

該橋主體結(jié)構(gòu)存在不同程度的損傷和病害，靜載試驗(yàn)曲線與設(shè)計(jì)理論曲線相差較大，難以確保設(shè)計(jì)荷載下使用期安全和具有足夠的使用壽命，特別是在超載普遍存在的情況下，加固和改造是必須的。

粘貼鋼板和碳纖維等加固混凝土梁體方法因施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低、加固效果好等廣泛運(yùn)用于工程實(shí)踐[1-3],橫隔梁對(duì)增加橋梁的橫向剛度、限制扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等方面發(fā)揮重要作用[4-5]，橫隔梁預(yù)應(yīng)力的設(shè)置，對(duì)橫隔梁的抗裂、抵抗超載效應(yīng)起著較大的作用[6-7]，鑒于此，本項(xiàng)目采用鋼板對(duì)主梁進(jìn)行加固改造，體外預(yù)應(yīng)力對(duì)橫隔梁進(jìn)行加固。

（1）行車道板：在原設(shè)計(jì)中，主梁翼板是通過(guò)鋼板搭接,設(shè)有9 cm的橋面鋪裝，形成行車道板的橫向聯(lián)系的。由于某些翼板的搭接失效和橋面鋪裝遭到破壞，造成鋪裝層在翼板連接處呈現(xiàn)大范圍的縱向裂縫，使得行車道板和橋梁的整體承載能力大大降低。對(duì)于行車道板，鑿開鋪裝層和相鄰翼板處混凝土，一方面把搭接頭改為連續(xù)板接頭，即在翼板底面增加橫向連接鋼筋，加強(qiáng)橫向聯(lián)系，澆注混凝土濕接頭，形成連續(xù)的行車道板；另一方面將鋪裝層厚度改為10 cm，采用雙層鋼筋網(wǎng)。

（2）主梁：主梁的加固可以使裂縫的發(fā)展受到遏制，防止永久承載能力的下降，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。通?？刹捎谜充摷庸毯驼程祭w維加固方法，既可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力，又可以提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度[2,8]。本項(xiàng)目從施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析后，主梁采用粘貼鋼板的方法進(jìn)行加固。

該橋主梁粘貼鋼板范圍主要集中在跨中至1/4(或3/4)的橫隔梁之間，為了保證加固的有效性，提供足夠的錨固長(zhǎng)度，加固范圍在跨中的3×7＋2＝23 m范圍，如圖1。在兩端和一定間距范圍內(nèi)加箍板錨固，箍板用預(yù)應(yīng)力鉚釘錨固，如圖2。

考慮到橋面鋪裝層厚度增加和難以避免的超載車輛對(duì)全橋的主梁進(jìn)行粘鋼，一般主梁的底面采用 2條鋼板加固(圖 3（a）)，在病害較為嚴(yán)重的主梁的兩側(cè)再以粘鋼加固(圖 3（b）)。

主梁粘鋼加固的施工應(yīng)該安排在上部結(jié)構(gòu)荷載最小的時(shí)候進(jìn)行，如鋪裝層鑿開并清理完畢后。在粘鋼完成并錨固后，再進(jìn)行新的鋪裝層施工，可以更好地發(fā)揮鋼板作用。

圖1 主梁沿縱向加固范圍

圖2 箍板與預(yù)應(yīng)力錨栓

圖3 主梁馬蹄粘鋼加固

（3）橫梁：恢復(fù)橫隔梁的連接，保證橋梁整體的橫向聯(lián)系。對(duì)于施工的連接頭鋼板尺寸未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要更換；鑒于施工質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于未脫落混凝土或連接鋼板進(jìn)行補(bǔ)焊處理，對(duì)于尺寸不合要求的予以更換，有錯(cuò)位的加焊連接鋼板補(bǔ)強(qiáng)，并逐個(gè)敲掉接頭混凝土，加固后回補(bǔ)混凝土。在接頭的橫梁底面采用150cm×10cm×0.5 cm粘鋼板連接補(bǔ)強(qiáng)，見(jiàn)圖4。

鑒于橫梁的橫向接頭的錯(cuò)位會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的有效性，為了提高結(jié)構(gòu)的承載能力，在跨中4根橫隔梁處施加橫向體外預(yù)加力，橫向體外預(yù)加力施加在橫隔梁兩側(cè)。

（4）其他：橋臺(tái)處伸縮縫業(yè)已出現(xiàn)嚴(yán)重破損，全部更換，減小對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊，提高行車安全。

圖4 橫隔梁接頭部位加固 （單位：mm）

3 加固設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)分析

（1）主梁加固后正截面承載力理論分析

由主梁截面性質(zhì)可以算得，形心在翼緣以下，距離底面1.63 m處。粘鋼加固后，截面形心下移。取鋼板的極限抗拉強(qiáng)度為170 MPa，在梁底和側(cè)面均粘貼鋼板，厚10 mm，寬22 cm，計(jì)算所得加固后的極限承載能力見(jiàn)表1。

表1 粘鋼加固后承載能力值

從表1可以看出，粘鋼加固的效果是非常明顯的，承載能力提高12.97%，抗彎高度提高14.83%。

（2）加固后的數(shù)值模擬及分析

有限元模型取與加固一致的橋跨，網(wǎng)格采用實(shí)體單元建模，見(jiàn)圖5，結(jié)點(diǎn)總數(shù)46 449個(gè)，單元總數(shù)31 668個(gè)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，約束于橡膠支座的下底面，墩柱為完全剛性支承，車載按集中力施加在輪壓處，車載大小按實(shí)際車載施加。預(yù)應(yīng)力采用等效荷載法，等效成為橋面分布荷載，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

有限元粘鋼加固分析按粘鋼板厚度和橫向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行劃分。粘貼鋼板的厚度為10 mm，寬度22 cm。在最大試驗(yàn)荷載下，加載工況主要有：

加載工況Ⅰ：縱向按跨中截面彎矩和撓度最不利布載，橫向?yàn)槠d。

加載工況Ⅱ：縱向按跨中截面彎矩和撓度最不利布載，橫向?yàn)橹休d。

加固有限元分析的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6～7，沿構(gòu)件縱向的混凝土應(yīng)力、鋼板應(yīng)力見(jiàn)表3，其中拉應(yīng)力為正。

表2 有限元模型材料參數(shù)

圖5 有限元模型

圖6為底面粘鋼板的偏載工況的汽車荷載產(chǎn)生的主梁及橫隔梁應(yīng)力云圖。邊梁鋼板最大應(yīng)力為 38.7 MPa，如圖 6（a）和圖 6（b），焊接的橫隔梁的連接鋼板最大壓應(yīng)力達(dá)到 56 MPa，如圖 6（c），在連接板和預(yù)埋件連接的部位，即焊接部位，因此接頭的焊接一定要確保施工質(zhì)量。

圖6 試驗(yàn)工況Ⅰ的應(yīng)力分布

圖7為底面粘鋼板的中載工況的汽車荷載產(chǎn)生的主梁及橫隔梁應(yīng)力云圖。中梁鋼板最大應(yīng)力為19.4 MPa，如圖 7（a），焊接的橫隔梁的連接鋼板最大壓應(yīng)力達(dá)到 47 MPa，如圖7（b），最大拉、壓應(yīng)力都發(fā)生在焊接部位。由于橫隔梁不在跨中，連接鋼板（橫隔梁）存在扭矩。

行車道板改為連續(xù)的橫向濕接頭連接后，在荷載作用下，最大拉、壓應(yīng)力分別為1.76 MPa和2.11 MPa，如圖7（c）。因此在翼板改為濕接頭連續(xù)形式后，底面應(yīng)該增設(shè)鋼筋，已滿足結(jié)構(gòu)的抗拉要求。

圖7 試驗(yàn)工況Ⅱ的應(yīng)力分布

表3為主梁及橫隔梁在兩種最不利試驗(yàn)工況作用下，結(jié)構(gòu)混凝土及鋼板所受的應(yīng)力情況。由表可知，在兩種試驗(yàn)工況作用下，主梁底面鋼板、側(cè)面鋼板及橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)主梁跨中應(yīng)力及橫梁應(yīng)力都具有一定的改善作用。對(duì)于主梁跨中應(yīng)力，在試驗(yàn)工況Ⅰ作用下，底板鋼板和側(cè)面鋼板對(duì)減小主梁混凝土跨中應(yīng)力具有一定的改善作用，但橫向應(yīng)力反而會(huì)增大主梁跨中拉應(yīng)力；試驗(yàn)工況Ⅱ作用下，底板鋼板和側(cè)面鋼板對(duì)減小主梁混凝土跨中應(yīng)力具有較好的改善作用，但橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)減少主梁混凝土跨中應(yīng)力不顯著。對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在試驗(yàn)工況Ⅰ的作用下，橫梁底板鋼板和側(cè)面鋼板對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能作用不明顯，主要原因是此時(shí)結(jié)構(gòu)主要受到的是壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)效應(yīng)主要由混凝土承擔(dān)，但在橫向預(yù)應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利；在試驗(yàn)工況Ⅱ作用下，橫梁底板鋼板和側(cè)面鋼板對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能作用也不明顯，且在試驗(yàn)工況下，未施加橫向預(yù)應(yīng)力前，橫梁結(jié)構(gòu)混凝土和鋼板均處于不利的受拉狀態(tài)，但施加橫向預(yù)應(yīng)力后，橫梁混凝土和鋼板均處于受壓狀態(tài)，其壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。

表3 加固后主梁與橫梁應(yīng)力

4 結(jié)論

（1）粘貼鋼板的加固方法是加固T型梁橋主梁承載能力的有效方法，能改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)提高T梁的抗彎能力。

（2）橫向體外預(yù)應(yīng)力加固橫隔梁，能有效提高橋梁的整體穩(wěn)定性和剛度，減少橫梁裂縫，改善橋梁的受力性能，使橫隔梁受力更加合理化。

（3）運(yùn)用有限元數(shù)值模擬，和理論分析對(duì)比，二者的結(jié)果統(tǒng)一，證明上述加固方法可靠。

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（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Reinforcement Design and Analysis of a Prestressed T Beam Bridge

ZHANG Hong-zhang
（Traffic Planning and Design Institute of Sanming City,Sanming365000,China）

Based on the visual inspection,quality test and static and dynamic load test of a prestressed T beam bridge,the actual stress state of the bridge is analyzed.The reinforcement of the bridge is strengthened by the method of strengthening the concrete beam with the bottom plate,the side plate and the transverse external prestressing tendons.The theoretical calculation was carried out by using the mechanics knowledge,and the stress analysis was carried out by using numerical simulation method.Results show that the strengthening method of sticking steel plate can effectively improve the flexural tensile performance of the main beam and transverse prestress can improve the overall rigidity of bridge,reduce and inhibit the development of beam cracks,which make the structure more reasonable and safe.

T beam reinforcement；numerical analysis；paste steel plate；external prestressing

U445.72

A

1673-4343（2017）04-0075-08

10．14098 ／j．cn35－1288 ／z．2017．04．013

2017-04-08

張紅章，男，湖北武漢人，工程師。主要研究方向：道路與橋梁加固。