T型剛構(gòu)橋加固及荷載試驗研究

陳照全 ，陳衛(wèi)全

（1.廣州市承信公路工程檢驗有限公司，廣東廣州511401;2.長沙理工大學，湖南長沙 410076；3.長安大學，陜西西安710000）

1 T型剛構(gòu)橋

T型剛構(gòu)橋是一種具有懸臂受力特點的墩梁固結(jié)梁式橋，因橋墩向兩側(cè)伸懸臂形同T字，故稱為T型剛構(gòu)橋，主要有帶掛梁T型剛構(gòu)和帶剪力鉸T型剛構(gòu)兩種。帶掛梁T型剛構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)由部分懸臂和掛梁組成，屬于靜定體系結(jié)構(gòu)，受力簡單明確。與連續(xù)梁相比，具有懸臂法施工階段的受力狀態(tài)與運營階段一致，無需體系轉(zhuǎn)換，省掉設置大噸位支座裝置及更換支座的麻煩。與帶剪力鉸T型剛構(gòu)相比，雖由于T型剛構(gòu)單元獨立作用，在受力和變形方面略差一些，但它的受力明確，不受各種內(nèi)外因素的影響。在跨內(nèi)因有正、負彎矩分布，其總彎矩圖面積比帶剪力鉸T型剛構(gòu)小，雖然增加了牛腿構(gòu)造，但對施工階段的標高控制的精度可以稍放寬些，不需要設置構(gòu)造復雜的剪力鉸進行強迫合攏和更換剪力鉸處支座的麻煩。

正因為帶掛梁T型剛構(gòu)橋有以上優(yōu)點，所以我國在20世紀90年代之前修建了大量的帶掛梁T型剛構(gòu)橋，但該種橋梁經(jīng)過長時間的運營，也出現(xiàn)了不少問題。主要有：由于預應力筋應力松弛、混凝土收縮徐變較大造成預應力損失，導致懸臂端撓度過大，跨徑越大越顯著；掛梁與懸臂端之間的接縫較多，徐變后又形成折角，所設置的伸縮縫裝置容易損壞，需要經(jīng)常維修和更換；各T構(gòu)之間不能共同工作，其跨徑受到限制。另外，還存在可能由于車輛超載、施工質(zhì)量差和應力集中等于原因，出現(xiàn)梁體頂板、腹板、底板和根部開裂，牛腿開裂、橋面開裂，梁箱內(nèi)橫隔板開裂等病害，影響橋梁的耐久性和承載能力。由于帶掛梁T型剛構(gòu)橋出現(xiàn)以上問題，所以近年來這種橋型很少修建，逐漸變成一種被淘汰的橋型。

2 帶掛梁T型剛構(gòu)橋加固方法

目前對帶掛梁T型剛構(gòu)的加固方法，主要有粘貼鋼板加固法、粘貼纖維增強復合材料加固法和體外預應力加固法。對于帶掛梁T型剛構(gòu)橋，預應力損失大為主要病害，體外預應力加固法最為有效。體外預應力加固機理是在體外對橋梁上部結(jié)構(gòu)施加預應力，是一種主動加固法，以預應力產(chǎn)生的反彎矩部分抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，從而達到改善橋梁使用性能并提高承載能力的目的。體外預應力加固的特點有：在自重很小的情況下，能較大幅度地改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的受力情況，提高承重結(jié)構(gòu)的剛度、抗裂性；體外預應力筋布置在構(gòu)件截面以外，其灌漿質(zhì)量和銹蝕狀況便于檢查，可以修補或更換；由于體外預應力筋的變形與混凝土截面不協(xié)調(diào)，力筋的應力沿長度方向分布均勻，變化幅度小，能夠有效控制原結(jié)構(gòu)的裂縫和撓度，使裂縫部分或全部閉合；能夠控制和調(diào)校體外索的應力。

3 工程實例

某在用公路大橋建于1996年，橋梁全長1130 m，該橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用55 m+80 m+55 m懸拼式預應力混凝土T型剛構(gòu)加30 m掛梁，懸臂長度為25 m，單箱雙室截面，T構(gòu)根部梁高4.85 m，端部梁高2.00 m，分左右兩幅橋，單幅橋?qū)?1 m。設計荷載：汽車-20級；掛車-100；人群荷載3.5 kN/m2。主橋T型剛構(gòu)橋立面圖見圖1，縱截面見圖2，橫截面見圖3。

圖1 主橋T型剛構(gòu)橋立面圖（單位：m）

圖2 主橋T構(gòu)縱截面圖（單位：cm）

圖3 主橋T構(gòu)橫截面圖（單位：cm）

該橋經(jīng)過長時間的運營，受預應力筋應力松弛和混凝土收縮徐變影響，主橋T構(gòu)懸臂端撓度不斷增大，箱梁頂板、腹板、內(nèi)橫隔板出現(xiàn)裂縫，經(jīng)檢測判定主橋承載能力不滿足要求。為提高主橋的承載能力和耐久性，對主橋進行加固，具體加固措施有：

（1）在T構(gòu)頂板增設6束預應力鋼筋，預應力鋼筋布置見圖4所示，預應力鋼筋采用標準抗拉強度為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱徑為15.2 mm，公稱截面積為140 mm2，張拉控制應力為0.6 fpk=1116 MPa，預應力鋼束采用兩端張拉。施工時，首先將橋面鋪裝混凝土全部鑿除，然后在箱梁頂板的相應位置鑿出深度為20 cm的預留槽用于設置錨固端，預留槽詳見圖5、圖6所示，采用BMI5-5型錨具。預應力管道現(xiàn)場布設及灌漿見圖7、圖8所示。

圖4 T構(gòu)頂板體外預應力筋布置圖（單位：cm）

圖5 預留槽縱截面圖（單位：cm）

圖6 預留槽平面圖（單位：cm）

圖7 布設預應力管道實景

圖8 預應力管道灌漿實景

（2）箱梁內(nèi)裂縫灌膠封閉處理，對于寬度小于0.15 mm的裂縫采用環(huán)氧水泥表面封閉，對于寬度大于等于0.15 mm的裂縫采用壓力灌注修補膠修補，修補膠選用優(yōu)質(zhì)無溶劑型改性環(huán)氧樹脂類裂縫注射膠，粘度要求小于200 MPa.s。

（3）箱梁內(nèi)頂板、腹板及橫隔板粘貼鋼板，主要采取在混凝土表面用錨固螺栓和灌膠材料粘貼鋼板，鋼板采用Q235-B鋼板，厚度為10 mm，錨固螺栓采用5.8級M16高強化學螺栓，粘結(jié)劑采用高分子樹脂。

（4）重新鋪設橋面鋪裝，在鑿除原橋面鋪裝時，不得損壞原主梁結(jié)構(gòu)，待原橋面鋪裝鑿除后，對橋面及梁端縫隙進行徹底清理，并要求三涂FYT-1型防水層，新橋面鋪裝完成后的橋面標高必須與原橋面標高一致。

4 加固后靜載試驗分析

應用計算軟件midas civil建模，對該橋受力進行計算分析，計算模型見圖9所示。

圖9 計算模型

4.1 靜載加載試驗方案

選取T構(gòu)懸臂端部最大撓度、1/2懸臂最大撓度和墩頂最大負變矩三個工況進行加試試驗，墩頂最大負彎矩應變測點布置見圖10所示。對試驗結(jié)果與加固前的荷載試驗結(jié)果進行對比分析，判定橋梁的加固效果。應變測試，在箱梁底和腹板表面粘貼電阻式應變片，采用靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行測試。撓度測試，采用全站儀測量，測試精度為0.01 mm。裂縫觀測，對控制截面派專人查看裂縫開展情況，如有裂縫開展，用裂縫寬度檢測儀測量裂縫寬度及開展情況。

圖10 墩頂最大負彎矩應變測點布置圖(單位：cm)

為了通過靜載試驗在具備的實際可行條件下達到既定試驗目的，荷載試驗遵循如下原則：采用各控制截面內(nèi)力、各控制點變形等效原則，利用各控制截面活載影響線，計算各試驗工況下實際加載車輛的數(shù)量和布載位置。對于在用橋梁，其使用荷載變化情況復雜且長期處于各種荷載作用之下，為使荷載試驗能充分反映結(jié)構(gòu)的受力特點，一般要求采用較高的荷載試驗效率，其取值范圍宜介于0.95～1.05之間。

4.2 靜載試驗結(jié)果分析

T構(gòu)各工況控制截面理論值采用midas civil進行分析,加固前后的實測撓度值與加固后理論撓度值比較分析見表1所列。加固后比加固前大大降低了實測撓度值，表明通過加固增強了T構(gòu)的剛度，懸臂端部剛度提高了123%,1/2懸臂處提高了166%。撓度卸載殘余變位較小，表明在靜載作用下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段。校驗系數(shù)在0.77～0.83之間均小于1，表明加固后T構(gòu)的實際工作狀況要好于理論狀況，滿足承載能力要求，結(jié)構(gòu)有較高的安全儲備。

在最大負彎矩工況下，控制截面各測點實測應變值與理論值比較見表2所列。相對殘余應變除個別測點較大外，其余測點普遍較小，但都小于20%，表明在最大負彎矩工況下，結(jié)構(gòu)彈性工作性能較好。校驗系數(shù)普遍較小，均小于1，表明加固后T構(gòu)根部的實際抗彎能力要好于理論狀況下的抗彎能力，滿足承載能力要求。

在靜載試驗各工況作用下，T構(gòu)各控制截面均未出現(xiàn)新增裂縫，既有已封閉裂縫，沒有重新開裂。

5 加固后動載試驗分析

計算模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是仿真模擬方法在工程振動領(lǐng)域中的應用。模態(tài)是橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。采用midas civil對T構(gòu)進行模態(tài)分析,前三階振型見圖11～圖13所示。

5.1 動載試驗測點布置

該項動載試驗根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點，在主橋T構(gòu)懸臂端截面布設測點詳見圖14所示。主要測試主橋在自然脈動、跑車、剎車和跳車四種工況下的動力響應。

5.2 動載試驗測點結(jié)果及分析

T構(gòu)在自然脈動、跑車、剎車和跳車四種工況下的主振頻率見表3所列，T構(gòu)在各種工況下的實測主頻均大于理論計算主頻2.546 Hz，表明結(jié)構(gòu)剛度的實際狀況要好于理想狀況。T構(gòu)在自然脈動、跑車40 km/h、剎車40 km/h和跳車工況下的加速度時程曲線見圖15～圖18所示。T構(gòu)加速度時程曲線衰減較快，表明結(jié)構(gòu)的阻尼較大。

表1 撓度測試結(jié)果一覽表

表2 應變測試結(jié)果一覽表

圖11 T構(gòu)一階振型圖（f=2.546Hz）

圖12 T構(gòu)二階振型圖（f=2.817Hz）

圖13 T構(gòu)三階振型圖（f=3.321Hz）

圖14 主橋動載試驗測點布置圖（單位：m）

表3 T構(gòu)主振頻率一覽表

圖15 T構(gòu)自然脈動加速度時程曲線圖

圖16 T構(gòu)跑車40 km/h加速度時程曲線圖

圖17 T構(gòu)剎車40 km/h加速度時程曲線圖

圖18 T構(gòu)跳車加速度時程曲線圖

6 結(jié)論

（1）加固后T構(gòu)的靜載試驗撓度和應變測試殘余值較小，結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下，基本處于彈性階段；校驗系數(shù)小于1，結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力有較大提高，并滿足設計荷載要求。

（2）加固后T構(gòu)的動載試驗結(jié)果較好，實測主頻均大于理論計算主頻2.546 Hz，結(jié)構(gòu)剛度的實際狀況要好于理想狀況；加速度時程曲線衰減較快，結(jié)構(gòu)的阻尼較大整體性較好。

（3）體外預應力加固法為主動加固法，對T型剛構(gòu)進行加固，可有效地提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和抗彎能力，達到提高橋梁的承載能力。

（4）對體外預應力管道進行灌漿，可有效地增強體外預應力剛束與結(jié)構(gòu)的整體性，減少體外預應力剛束的預應力損失，保證體外預應力剛束工作性能得以發(fā)揮。