針對T梁橋腹板受損斜裂后的局部增大截面加固方式研究

龔輝朋，尚曉莉

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430050)

1 橋梁概述

華麗高速公路是云南省干線公路“9210”主骨架網(wǎng)中第九條放射線“昆明—華坪—麗江—香格里拉—德欽”的組成路段，全長約150 km，是南連大理通東盟、北接迪慶進藏區(qū)、東經(jīng)華坪入川渝、西過保山至南亞的重要交通大動脈。阿肯動大橋位于華麗高速公路哥石山隧道出口和十二欄桿坡隧道進口之間，橋梁兩端橋臺均直接連接隧道。橋梁橫跨深V型峽谷，兩端橋臺均直接連接隧道洞口，所處地形十分險要，施工難度極大。兩端均為懸崖峭壁，現(xiàn)場巖壁表層圍巖多為強風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較為破碎，巖壁懸掛危巖較多，兩側(cè)巖壁擾動后容易滑落掉塊。

其中阿肯洞1號大橋上部結(jié)構(gòu)采用3 m×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，橋面寬12 m，單幅橫向共有5片T梁，T梁梁高2 m，跨中段梁肋寬度為20 cm、馬蹄寬度為50 cm。下部構(gòu)造橋墩為雙柱式墩、空心薄壁墩，現(xiàn)場樁基采用人工挖孔樁，橋臺均為重力式橋臺。由于施工過程中受滑落的山體巖石撞擊，第一跨邊梁1-1#T梁被墜石砸損，墜石落點為距小樁號側(cè)端頭2.31～2.75 m處，導(dǎo)致1-1#T梁翼緣板、腹板以及護欄等構(gòu)件均出現(xiàn)不同程度的損壞。

2 主要病害描述

(1)外側(cè)翼緣板和濕接縫出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

(2)內(nèi)側(cè)翼緣板己完全斷裂，并出現(xiàn)大面積混凝土剝落現(xiàn)象；

(3)防撞護墻已完全斷裂；

(4)1-1#T梁腹板從落石點向大小樁號兩側(cè)方向產(chǎn)生“八”字型分布的斜向裂縫(角度約為30°～45°)，其中外腹板可見裂縫9條，裂縫寬度范圍0.1～0.5 mm；內(nèi)腹板可見裂縫5條，裂縫寬度范圍：0.1～0.5 mm。

3 T梁損傷狀態(tài)模擬分析

3.1 計算參數(shù)

(1)汽車荷載：公路—Ⅰ級。

(2)二期恒載：防撞墻+10 cm瀝青混凝土橋面+10 cm水泥混凝土現(xiàn)澆層。

(3)橫向分布系數(shù)：1#、5#邊梁，汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.802；2#、4#次邊梁，汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.712；3#中梁，汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.608。

3.2 損傷模擬方法

為更好的了解預(yù)制T梁受損后的受力狀態(tài)，本次使用損傷模擬的方式進行驗算分析，模擬方法如下。

(1)對翼緣板局部斷裂、塌陷的區(qū)域，在模型中將翼緣尺寸按實際缺損情況進行削弱，對洞口梁端3 m范圍內(nèi)的T梁截面不考慮翼緣參與受力。

(2)腹板從落石點處向大小樁號兩側(cè)產(chǎn)生“八字形”斜向裂縫，裂縫的開展將會削弱結(jié)構(gòu)的有效截面，通過對裂縫開展區(qū)域截面剛度折減來模擬截面的削弱，對洞口梁端至第一道中橫板之間的T梁截面進行剛度折減。

3.3 損傷狀態(tài)驗算結(jié)果

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)相關(guān)規(guī)定對1-1#梁進行承載能力計算，計算結(jié)果詳見表1、表2。

表1 T梁控制截面抗彎承載能力檢算結(jié)果表

表2 T梁控制截面抗剪承載能力檢算結(jié)果表

并按A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件的規(guī)定進行正截面抗裂驗算。計算結(jié)果詳見表3。

表3 T梁正截面拉應(yīng)力驗算結(jié)果表 單位：MPa

4 加固方案

4.1 總體原則

在充分調(diào)查橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析病害產(chǎn)生的原因及危害程度，根據(jù)1-1#T梁腹板裂縫分布情況及鉆芯取樣結(jié)果，綜合考慮社會效益和經(jīng)濟效益，選取技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟合理、施工快捷方便的維修加固方法。

(1)荷載標(biāo)準(zhǔn)：維持原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)，公路—Ⅰ級。

(2)在滿足受損T梁使用功能要求的前提下，考慮整體維修加固方案，選用技術(shù)成熟，施工快速簡便的加固方案。

(3)確保T梁維修加固后使用功能不低于原設(shè)計要求，不留隱患，滿足運營安全的需要。

(4)以保證結(jié)構(gòu)受力安全為前提，盡量減小結(jié)構(gòu)使用功能的降低；

(5)根據(jù)缺陷及病害的特征，本次1-1#T梁維修主要以受損護欄修復(fù)、T梁翼緣板修復(fù)、T梁腹板裂縫修復(fù)及補強為主，其中T梁腹板裂縫修復(fù)及補強為本次維修加固的重點。

4.2 加固措施

(1)對于1-1#T梁護欄局部損毀區(qū)域，按原設(shè)計圖紙要求，鑿除損壞區(qū)域松散層混凝土，鋼筋嚴重變形或斷裂區(qū)域重新補焊鋼筋，支設(shè)模板澆筑同標(biāo)號混凝土進行恢復(fù)。

(2)對于1-1#T梁翼緣板局部損毀區(qū)域，按原設(shè)計圖紙要求，鑿除損壞區(qū)域松散層混凝土，鋼筋嚴重變形或斷裂區(qū)域重新補焊鋼筋，支設(shè)模板澆筑同標(biāo)號混凝土進行恢復(fù)。

(3)對于T梁腹板出現(xiàn)的裂縫，對寬度δ<0.15 mm的裂縫，采用裂縫修補膠對裂縫進行封閉處理，對寬度≥0.15 mm的裂縫，采用壓注灌縫膠的方式對裂縫進行灌漿處治。

(4)對于T梁腹板加固，待T梁腹板裂縫修復(fù)完成后，再進行T梁腹板增大截面+預(yù)應(yīng)力法加固施工。對混凝土T梁 受損區(qū)域(梁端橫隔板和第一道橫隔板之間)采用在腹板及馬蹄兩側(cè)增設(shè)15 cm厚C55鋼筋混凝土，并在其中布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋進行加固。此種加固方式可補償實際橋梁混凝土受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力的不足，同時可以明顯改善腹板受力性能和增加截面抗剪強度。

4.3 施工注意事項

(1)混凝土面鑿毛

為保證結(jié)構(gòu)安全，新舊混凝土接觸面鑿毛。為保證新澆混凝土與原結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合良好并共同受力，鑿除面需露出混凝土粗骨料，鑿毛深度為0.5～1 cm。

(2)鉆孔植筋

在鉆孔施工前，根據(jù)竣工圖紙放出T梁腹板現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力管道位置。按設(shè)計要求放線后，準(zhǔn)確標(biāo)出需要植筋的孔位，使用振動較小的電錘進行鉆孔，鉆孔時要特別注意控制鉆孔的深度，避免損傷腹板。在T梁現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力管道附近鉆孔時，為防止鉆孔碰到預(yù)應(yīng)力鋼筋波紋管，鉆孔時邊鉆邊查看，如碰到鋼筋，將該鉆孔及隨后鉆孔位置適當(dāng)偏移避開，以利施工和避免結(jié)構(gòu)損傷?？變?nèi)注入植筋膠后，立即把已用丙酮清洗并充分晾干的鋼筋緩緩旋轉(zhuǎn)插入盲孔，按順時針方向邊轉(zhuǎn)邊插，直至達到規(guī)定的深度。種植錨筋時應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求的鋼筋線形進行安裝。植筋膠固化之前，不得擾動種植的鋼筋。

(3)混凝土的澆筑與養(yǎng)護

混凝土罐車運輸混凝土至橋面，從橋面開孔中注入混凝土，每3 m開設(shè)一個混凝土注入孔?；炷磷⑷脒^程中，從高程低的一側(cè)向高的一側(cè)灌注，灌注到最后一個孔時，將灌注管內(nèi)的混凝土灌滿靜壓5 min，讓混凝土盡可能的密實，模板側(cè)面使用橡皮錘輔助敲擊，直至模板上方向外溢漿為止。

5 加固后營運狀態(tài)計算分析

采用midas civil建立有限元分析模型，1-1#梁加固后的承載能力計算結(jié)果詳見表4、表5。

表4 T梁加固后抗彎承載能力檢算結(jié)果表

表5 T梁加固后抗剪承載能力檢算結(jié)果表

1-1#梁加固后的抗裂驗算結(jié)果詳見表6。

表6 T梁加固后正截面拉應(yīng)力驗算結(jié)果表 單位：MPa

通過計算分析1-1#T梁在損傷狀態(tài)及加固后的受力情況，對比分析損傷區(qū)域控制截面(第一跨L/8、L/4處)在加固前后的受力特性，可得出以下結(jié)論。

(1)經(jīng)加固后，損傷區(qū)域控制截面(第一跨L/8、L/4處)的抗彎承載能力提高了30%，抗剪承載能力提高了12%～15%。損傷區(qū)域控制截面處上下緣正拉應(yīng)力及主拉應(yīng)力均有降低，其中T梁最不利正拉應(yīng)力值降低了26%，對受力狀態(tài)有較好的改善。

(2)加固后承載能力極限狀態(tài)：在18規(guī)范體系公路Ⅰ級汽車荷載工況下，T梁跨中、墩頂正截面抗彎承載能力均滿足要求，最小安全系數(shù)為1.09；T梁墩頂斜截面抗剪承載能力均滿足要求，最小安全系數(shù)為1.28。

(3)加固后正常使用極限狀態(tài)：在18規(guī)范體系公路Ⅰ級汽車荷載工況下，T梁上下緣截面正拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

6 加固后施工狀態(tài)計算分析

考慮到兩側(cè)隧道與橋梁直接相連，且隧道出口洞頂存在危石，經(jīng)過本次危石滑落撞擊橋梁事件后，經(jīng)工程建設(shè)各方研究討論決定，在隧道出口變更新增棚洞工程，防護洞頂危石。其中棚洞洞身長度14 m，棚洞內(nèi)弧半徑7.6 m，棚洞壁厚0.8 m，棚洞現(xiàn)澆支架位于T梁橋面上，同時罐車及泵車需在T梁行走。

6.1 計算參數(shù)

棚洞鋼管支架最大反力為305 kN。

混凝土罐車總重31 t，軸距為1.95 m+3.625 m+1.35 m。

混凝土泵車整車質(zhì)量43 t，軸距為1.7 m+4.6 m+1.35 m。

汽車荷載考慮作用于橋面中心，支架荷載距T梁邊緣3.25 m，計算不同梁的橫向分布系數(shù)。1#、5#梁：汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.185，支架橫向分布系數(shù)為0246+0.149=0.395；2#、4#梁：汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.204，支架橫向分布系數(shù)為0.239+0.165=0.404；3#梁：汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.221，支架橫向分布系數(shù)為2×0.202=0.404；經(jīng)對比可知，3#梁受力最大，因此對其進行計算。

6.2 承載能力極限狀態(tài)

(1)正截面抗彎承載力檢算

施工階段主橋控制截面正截面抗彎承載能力檢算結(jié)果見表7。

表7 施工階段抗彎承載能力檢算結(jié)果表

(2)斜截面抗剪承載力檢檢算

施工階段主橋控制截面斜截面抗剪承載能力檢算結(jié)果見表8。

表8 主橋控制截面抗剪承載能力檢算結(jié)果表

6.3 短暫狀況應(yīng)力計算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)第7.2.1條“橋梁構(gòu)件在進行短暫狀況設(shè)計時，應(yīng)計算其在制作、運輸及安裝等施工階段，由自重、施工荷載等引起的正截面和斜截面的應(yīng)力，并不應(yīng)超過本節(jié)規(guī)定的限值。施工荷載除有特別規(guī)定外均采用標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)有組合時不考慮荷載組合系數(shù)”的規(guī)定進行驗算，對計算結(jié)果按第7.2.8條進行分析。

標(biāo)準(zhǔn)組合下，T梁上下緣法向應(yīng)力見表9。

表9 上下緣法向應(yīng)力驗算結(jié)果表 單位：MPa

7 結(jié) 論

針對預(yù)應(yīng)力混凝土T梁受外部落石沖擊導(dǎo)致的腹板嚴重斜裂病害，依托工程采用腹板外包混凝土并布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋的加固方案；該加固方式不僅增大了受損區(qū)域的截面剛度，并可有效補償受損區(qū)域的預(yù)應(yīng)力損失；經(jīng)過加固前后的計算分析，該方法有效的將T梁受損區(qū)域抗彎承載能力提高了30%，同時將T梁最不利正拉應(yīng)力值降低了26%，該加固方法切實可行。