T梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)應(yīng)用研究

余敏

（平利縣交通運(yùn)輸局，陜西 安康 725599）

0 引言

隨著我國(guó)橋梁荷載設(shè)計(jì)等級(jí)的不斷提高，同時(shí)服役橋梁受到環(huán)境、超載車輛等各種不利因素的影響，導(dǎo)致了早期按照舊荷載等級(jí)設(shè)計(jì)的橋梁不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，產(chǎn)生了大量的病害，造成一定的安全隱患。因此，對(duì)于早期修建的橋梁有必要按照現(xiàn)行規(guī)范開展結(jié)構(gòu)受力分析，根據(jù)分析結(jié)果確定合理的加固方案。

1 舊標(biāo)準(zhǔn)圖T形梁

《裝配式鋼筋混凝土T形梁》（JT/GQS 025—1984）是按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ 1—81）進(jìn)行荷載設(shè)計(jì)，包括10m,13m,16m及20m裝配式鋼筋混凝土T形簡(jiǎn)支梁。本文選取代表性的20mT形簡(jiǎn)支梁進(jìn)行相關(guān)計(jì)算及驗(yàn)算。

《裝配式鋼筋混凝土T形梁》（JT/GQS 025—1984）中，20m跨徑的T梁按汽-15、掛-80、汽-20、掛-100及汽-超20級(jí)、掛-120荷載等級(jí)設(shè)計(jì)的尺寸均相同，跨中截面梁高1.5m，翼緣板寬1.6m，翼緣板根部厚0.2m，端部厚0.15m，梁肋厚0.18m，如圖1（a）所示。相同跨徑、不同設(shè)計(jì)荷載等級(jí)截面尺寸相同，但是配筋有差異，其中按汽-20、掛-100設(shè)計(jì)的跨中截面配筋如圖1（b）所示，梁肋底部配置5排直徑為32mm的Ⅱ級(jí)鋼筋。梁肋寬度從四分點(diǎn)開始由0.18m均勻變寬至梁端的0.35m，單孔跨中、四分點(diǎn)及端部共設(shè)置5道橫隔板，如圖1所示。

2 加固前驗(yàn)算

為使得按照舊規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁滿足新規(guī)范相應(yīng)荷載等級(jí)的要求，需分別按照新、舊規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，主要涉及作用效應(yīng)和組合方式，以確定結(jié)構(gòu)狀況，為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 T梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

2.1 結(jié)構(gòu)有限元建模

采用Midas進(jìn)行有限元建模，全橋共劃分為22個(gè)單元，23個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 新舊規(guī)范對(duì)比分析

2.2.1 作用效應(yīng)

1989年版的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021—89）（簡(jiǎn)稱“89通規(guī)”）相對(duì)于2015年版的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）（簡(jiǎn)稱“15通規(guī)”），荷載變化主要體現(xiàn)在汽車荷載、溫度荷載兩方面，而簡(jiǎn)支T梁的溫度效應(yīng)不產(chǎn)生內(nèi)力，因此僅對(duì)比汽車荷載效應(yīng)。

89通規(guī)的汽車荷載包括汽-10級(jí)、汽-15級(jí)、汽-20級(jí)及汽-超20級(jí)；15通規(guī)的汽車荷載分為公路-Ⅰ級(jí)和公路-Ⅱ級(jí)，其中公路-Ⅰ級(jí)對(duì)應(yīng)原汽-超20級(jí)，公路-Ⅱ級(jí)對(duì)應(yīng)原汽-20級(jí)，取消了汽-10級(jí)和汽-15級(jí)。在汽車荷載沖擊系數(shù)計(jì)算中，89規(guī)范中的沖擊系數(shù)與跨徑成反比，而15通規(guī)采用結(jié)構(gòu)基頻計(jì)算結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)。按照89通規(guī)及15通規(guī)汽車荷載的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

2.2.2 組合方式

15通規(guī)與89通規(guī)在作用組合形式上變化較大。89通規(guī)中，承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)一般采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ共3種荷載組合。15通規(guī)中，承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)采用基本組合和偶然組合，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)采用頻遇組合和準(zhǔn)永久組合。

2.3 驗(yàn)算結(jié)果

分別按照89通規(guī)和15通規(guī)對(duì)T梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，持久狀況承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎承載能力、斜截面抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

由表3可知，T梁可滿足汽-20、掛-100設(shè)計(jì)荷載要求，但跨中截面正截面抗彎承載能力不滿足公路-Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)荷載要求，且抗剪承載能力安全系數(shù)較低。如將該橋提升到公路-Ⅱ級(jí)，則需對(duì)主梁進(jìn)行加固以提升抗彎及抗剪承載能力。

3 加固計(jì)算及驗(yàn)算

體外預(yù)應(yīng)力是一種主動(dòng)加固方法，可以提升橋梁的承載能力并且改善結(jié)構(gòu)受力，尤其對(duì)于T梁，可利用其特點(diǎn)進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固以提升結(jié)構(gòu)性能。

3.1 體外預(yù)應(yīng)力鋼束估算

對(duì)于梁體承載能力不足的情況，體外預(yù)應(yīng)力鋼筋用量按式（1）估算。

式（1）中：Ap為體外預(yù)應(yīng)力鋼束的面積；epe為體外預(yù)應(yīng)力鋼束的作用力臂長(zhǎng)度；M0為加固前的設(shè)計(jì)彎矩；M1為加固后的設(shè)計(jì)彎矩。

根據(jù)式（1）估算加固所需體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力鋼束用量，然后再次驗(yàn)算，循環(huán)以上步驟直至滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 承載能力計(jì)算

3.2.1 基本假設(shè)

用體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的極限抗彎強(qiáng)度計(jì)算方法可參照規(guī)范中對(duì)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算方法。引入以下幾點(diǎn)假設(shè)：①平截面假設(shè)仍然成立；②極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)受拉區(qū)混凝土開裂退出工作，全部拉力由原梁內(nèi)鋼筋和體外索承擔(dān)；受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力仍為矩形應(yīng)力分布，其應(yīng)力大小為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，混凝土極限壓應(yīng)變?yōu)?.003；④原梁中受拉及受壓鋼筋的應(yīng)力均達(dá)到其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.2.2 截面平衡方程

按上述假設(shè)，由平衡方程可得如下兩組方程：

式（2）~式（5）中：fcd為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度；b'f為頂板寬度；x為受壓區(qū)高度；f'sd,A's分別為受壓區(qū)鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度和面積；σpu,e,Ap,e分別為預(yù)應(yīng)力鋼束極限狀態(tài)應(yīng)力及其面積；fsd,As分別為受拉區(qū)鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度和面積；γ0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；Md為抗彎承載能力設(shè)計(jì)值；h0為截面有效高度；a's為受壓區(qū)鋼筋合力點(diǎn)至截面上緣距離；b為腹板厚度。

3.3 加固后驗(yàn)算

根據(jù)式（1）估算所需鋼束量，預(yù)應(yīng)力筋采用精軋螺紋鋼，則fp=530MPa，經(jīng)計(jì)算所需預(yù)應(yīng)力筋面積為1 047mm2，選取2束φ28鋼筋。主梁加固后按受彎構(gòu)件進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，持久狀況正截面抗彎承載能力、斜截面抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

由表4可知，加固后結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且有一定安全儲(chǔ)備。

4 體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)造

T梁體外預(yù)應(yīng)力加固可采用兩種布置形式。加固方式一：針對(duì)四分點(diǎn)處未設(shè)置橫隔板情況，利用水平滑塊起到轉(zhuǎn)向作用。加固方式二：針對(duì)四分點(diǎn)處設(shè)置橫隔板的情況，可利用橫隔板起到轉(zhuǎn)向作用。

4.1 加固方式一

（1）水平筋與斜筋

由高強(qiáng)螺紋粗鋼筋組成，構(gòu)造如圖3所示。體外索水平筋為2φ28，斜筋為2φ32，均為冷拉Ⅲ級(jí)鋼。張拉控制應(yīng)力取0.8fsd=424MPa。

圖3 體外預(yù)應(yīng)力筋布置圖（單位：cm）

（2）水平滑塊

由連接斜向和水平向預(yù)應(yīng)力鋼束的活動(dòng)滑塊支承和固定在梁底的支承鋼墊組成。水平滑塊的主要功能是通過水平滑動(dòng)起到轉(zhuǎn)向作用，調(diào)整斜筋與水平筋的內(nèi)力分配，并使局部受力趨于均勻。

4.2 加固方式二

（1）水平筋與斜筋

為一根預(yù)應(yīng)力束，材料可選用高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線等。

（2）U形承托

利用T梁四分點(diǎn)橫隔板作為支撐，起到轉(zhuǎn)向作用，加設(shè)U形承托減少摩擦，如圖4所示。

圖4 U形承托示意

5 結(jié)語

隨著交通量的不斷增大，汽車荷載效應(yīng)也越來越大，按照原荷載等級(jí)設(shè)計(jì)的橋梁面臨著不能滿足新規(guī)范要求的問題，必要時(shí)需進(jìn)行加固。體外預(yù)應(yīng)力加固法是一種主動(dòng)加固技術(shù)，可改善結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高結(jié)構(gòu)的安全性能。本文提出承載能力補(bǔ)強(qiáng)預(yù)應(yīng)力用量估算法，完善了加固設(shè)計(jì)流程。以《裝配式鋼筋混凝土T形梁》（JT/GQS 025—1984）中20mT梁為例，分別按照新舊規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明：該類T梁可滿足原規(guī)范設(shè)計(jì)要求，但不滿足現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)要求。因此采用體外預(yù)應(yīng)力對(duì)梁體進(jìn)行加固，按照T梁的構(gòu)造特點(diǎn)，提出兩種不同的加固布置形式，取得了良好的效果，可為同類橋梁的加固設(shè)計(jì)提供參考。