預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究

張昊男，陳英昊，何磊，徐岳

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064）

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究

張昊男，陳英昊，何磊，徐岳

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064）

目前體外預(yù)應(yīng)力法加固裝配式預(yù)應(yīng)力簡支T梁橋，主要受限于設(shè)計(jì)理念、轉(zhuǎn)向裝置、錨固系統(tǒng)還未達(dá)到成熟應(yīng)用的水平.本文基于實(shí)例工程，研究了體外束布束方式對(duì)結(jié)構(gòu)性能的提升效果，對(duì)預(yù)應(yīng)力加固體系中的轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行了細(xì)部應(yīng)力分析，驗(yàn)證了所提出構(gòu)造的合理性，并通過實(shí)橋加固后靜載試驗(yàn)證明了體外預(yù)應(yīng)力加固法的效果.

預(yù)應(yīng)力簡支T梁；橋梁加固；體外預(yù)應(yīng)力

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋具有結(jié)構(gòu)形式簡單、施工工藝成熟、可減小混凝土梁的主拉應(yīng)力和豎向剪力等優(yōu)勢(shì)[1]，廣泛應(yīng)用于我國20～50m跨徑的橋梁中.

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋在長期使用過程中的損傷會(huì)不斷積累，影響橋梁的使用安全，故選用高效的加固方法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋進(jìn)行加固修復(fù)，并提升原橋承載能力具有重要意義.

在眾多橋梁加固方法中，體外預(yù)應(yīng)力加固法作為主動(dòng)加固的代表方法，具有施工方便、節(jié)省材料且可有效提高橋梁承載力等特點(diǎn)，在新時(shí)期橋梁建設(shè)及加固中發(fā)揮了重要作用.目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者也對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固法進(jìn)行了研究，黃僑[2]等提出了一種實(shí)用的體外預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力計(jì)算公式；張繼文[3]對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固普通鋼筋混凝土簡支梁的作用機(jī)理進(jìn)行了分析；沈穎坤[4]對(duì)采用體外預(yù)應(yīng)力加固的框架梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進(jìn)行了分析.

對(duì)上述研究成果進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，大部分研究都是對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固理論的分析，而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造方面的研究較少，且對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固梁的試驗(yàn)研究基本局限于普通鋼筋混凝土梁，故需對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固預(yù)應(yīng)力混凝土梁的相關(guān)構(gòu)造和計(jì)算分析進(jìn)行深化研究.

本文基于安康漢江大橋維修加固工程，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力法加固預(yù)應(yīng)力T梁進(jìn)行研究分析，并給出合理的構(gòu)造形式，以給同類橋梁的加固提供借鑒.

2 工程概況及主要病害

實(shí)橋工程為安康漢江大橋，設(shè)計(jì)荷載為：汽－13，拖－60.上部結(jié)構(gòu)為簡支T梁，每孔由4片長33m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁組成，梁寬2.20m，高1.70m.

橋梁主要存在的問題為：橋梁運(yùn)營期間出現(xiàn)的主要病害為結(jié)構(gòu)滲水侵蝕，以及由滲水侵蝕引起的混凝土開裂、鋼筋外露、銹蝕以及部分鋼構(gòu)件外露等；

3 體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)造及細(xì)部分析

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可以減小施工對(duì)交通的影響，同時(shí)維修技術(shù)較為成熟，具有較好的加固效果.故對(duì)于安康漢江大橋，采用體外預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)主梁進(jìn)行加固.

3.1 體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)造

轉(zhuǎn)向裝置是預(yù)應(yīng)力混凝土T梁體外預(yù)應(yīng)力加固中最關(guān)鍵的構(gòu)造之一，起到改變預(yù)應(yīng)力筋方向，形成預(yù)應(yīng)力曲線配筋的作用[5]，同時(shí)可以增強(qiáng)T梁的抗剪能力.轉(zhuǎn)向裝置處構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力較為集中，故需要對(duì)轉(zhuǎn)向裝置的受力進(jìn)行細(xì)部分析.

安康漢江大橋的體外預(yù)應(yīng)力鋼束分別由水平鋼束和斜鋼束組成，兩種鋼束分離，并在L/4處設(shè)轉(zhuǎn)向裝置.轉(zhuǎn)向裝置采用鋼材焊接而成，不與主梁形成連接關(guān)系，一片主梁布置4束斜鋼束、2束水平鋼束.

3.2 轉(zhuǎn)向裝置細(xì)部受力分析

3.2.1 模型建立

根據(jù)轉(zhuǎn)向裝置細(xì)部構(gòu)造尺寸，采用Midas FEA建立轉(zhuǎn)向裝置實(shí)體模型.有限元模型三維視圖及斜束錨板如圖1及圖2所示：

圖1 有限元模型三維視圖

圖2 斜束錨板

3.2.2 荷載工況

計(jì)算時(shí)按下列兩種荷載工況考慮：

工況1：跨中側(cè)端部固定，只在外側(cè)錨墊板處施加荷載，計(jì)算外側(cè)錨墊板的應(yīng)力.

工況2：支點(diǎn)側(cè)側(cè)端部固定，只在跨中側(cè)錨墊板處施加荷載，計(jì)算跨中側(cè)錨墊板的應(yīng)力.

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

在荷載工況1及工況2下，轉(zhuǎn)向裝置單元的主拉應(yīng)力都保持在較低的水平，而角隅處應(yīng)力集中較明顯，荷載工況1作用下最大拉應(yīng)力為185Mpa，荷載工況2作用下最大拉應(yīng)力為193Mpa，均小于Q345鋼材軸向容許應(yīng)力.故在工況1及工況2作用下，轉(zhuǎn)向塊是安全的.

4 加固方案計(jì)算與驗(yàn)算

4.1 體外預(yù)應(yīng)力加固計(jì)算

4.1.1 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，采用結(jié)構(gòu)分析有限元通用程序Midas Civil進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的建模與分析.結(jié)構(gòu)離散模型如圖3所示.

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

4.1.2 原橋承載能力計(jì)算

根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，分別采用汽-15和公路II級(jí)車道荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行荷載效應(yīng)組合.汽-15級(jí)作用下跨中最大彎矩為4574.1kN·m，公路II級(jí)作用下跨中最大彎矩為6114.7kN·m.

利用Midascivil進(jìn)行截面抗力估算，跨中正截面抗力值為5056.56kN·m，則：

4574.1 kN·m＜5056.56kN·m＜6114.68kN·m故該橋上部結(jié)構(gòu)滿足汽-15級(jí)荷載，但不滿足公路Ⅱ級(jí)荷載，需對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行加固，使其承載力提高，滿足公路Ⅱ級(jí)荷載的需要，同時(shí)滿足抗裂性等要求.

4.1.3 體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積估算

估算體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力損失及松弛.加固所需預(yù)應(yīng)力鋼絞線的根數(shù)為：

故體外預(yù)應(yīng)力筋的布置采用兩束4φj15.2鋼絞線，鋼絞線面積為140×2×4=1120mm2.

4.1.4 加固效率計(jì)算

公路Ⅱ級(jí)荷載作用下基本組合效應(yīng)值比汽-15作用下增加33.6%；加固前原梁承載力為5056.56kN，加固后用Midas Civil計(jì)算得截面承載力為7575.42kN，承載力增加幅度為49.81%.

利用Midas Civil對(duì)結(jié)構(gòu)加固后的承載能力、抗裂性、以及應(yīng)力和變形進(jìn)行了驗(yàn)算，均滿足要求.

4.2 橋梁靜載試驗(yàn)

加固完畢后，采用4輛32噸重的載重汽車在橋梁第4跨進(jìn)行靜載試驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1與表2.根據(jù)表1和表2可知：

在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變及撓度均小于理論計(jì)算值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1，說明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度均滿足要求；

因此，通過體外預(yù)應(yīng)力加固后，安康漢江大橋滿足公路Ⅱ級(jí)要求，承載能力得到顯著提高.

5 結(jié)論

5.1 采用體外預(yù)應(yīng)力法加固預(yù)應(yīng)力簡支T梁橋，具有施工技術(shù)成熟、交通影響小等優(yōu)勢(shì)，可以較好地提升結(jié)構(gòu)的承載能力；

表1 靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論值比較

表2 靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)撓度與理論值比較

5.2 將預(yù)應(yīng)力束中的水平鋼束和斜鋼束分離并分別張拉錨固，并對(duì)轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行細(xì)部分析，說明這種構(gòu)造可以應(yīng)用于實(shí)際工程中，并且具有受力明確，張拉便捷等優(yōu)勢(shì)；

5.3 根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，安康漢江大橋經(jīng)過體外預(yù)應(yīng)力法加固后，承載能力得到了提高，并具有一定的安全儲(chǔ)備，可為今后類似橋梁的加固提供借鑒.

〔1〕許康曦.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋預(yù)應(yīng)力損失檢測(cè)技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué),2016.

〔2〕黃僑,榮學(xué)亮,楊明.橋梁體外預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力計(jì)算方法[J].中國公路學(xué)報(bào),2010,23(6):78-84.

〔3〕張繼文,呂志濤.預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土簡支梁的受力性能與分析計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu),1995(9):18-23.

〔4〕沈穎坤,孫寶俊,李延和.體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].江蘇建筑,2003(2):4-8.

〔5〕戴亞軍,李傳習(xí),曾永革.體外預(yù)應(yīng)力T梁轉(zhuǎn)向塊合理構(gòu)造形式與配筋[J].公路與汽運(yùn),2007(1):104-107.

〔6〕袁用道，祁廣周，曹青山.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010（01）.

〔7〕張志新.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋底板崩裂成因及處理方案[J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（02）.

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