先簡支后連續(xù)混凝土T梁裂縫分析與加固設(shè)計(jì)

李建鑫

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

1 工程概況

密灌3號(hào)大橋位于云南省紅河哈尼族彝族自治州地區(qū)，于2012年04月建成通車。橋梁全長106.8 m，橋面總寬10 m，車行道寬9 m，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，上部結(jié)構(gòu)為5×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁；下部結(jié)構(gòu)為圓形雙柱墩，重力式橋臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：公路-Ⅱ級(jí)。預(yù)制T梁、橫隔板、翼緣濕接縫采用C45混凝土，普通鋼筋為HPB235，鋼絞線采用橋梁所處碳化環(huán)境作用等級(jí)為1類。2017年9月至10月對(duì)該橋進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)12片主梁有豎向裂縫、斜向裂縫，以及修補(bǔ)后反射裂縫發(fā)生了延伸。

有關(guān)規(guī)范規(guī)定，混凝土梁體裂縫出現(xiàn)后，要及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，分析裂縫產(chǎn)生的原因，評(píng)估裂縫對(duì)梁體質(zhì)量、耐久性等指標(biāo)的影響。結(jié)合有關(guān)資料及T梁的構(gòu)造特點(diǎn)和裂縫狀況，分析記錄裂縫的分布情況，如表1。

表1 梁體裂縫記錄

其中裂縫合計(jì)數(shù)量103條，其中貫通裂縫占比2.56%，斜向裂縫占比2.56%，網(wǎng)狀裂縫占比2.56%，反射裂縫占比10.26%，對(duì)稱豎向裂縫占比12.83%，豎向裂縫占比69.23%。裂縫最大長度為1 130 mm，出現(xiàn)在2#和3#梁腹板和馬蹄，最大長度及寬度出現(xiàn)于跨中附近。

2 有限元模型建立

運(yùn)用Midas civil建立T梁的計(jì)算模型，建立邊梁與中梁的模型，忽略橫向聯(lián)系。根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)本橋承載能力進(jìn)行評(píng)定，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做如下修正，T梁腹板抗剪箍筋和梁底縱筋截面折減系數(shù)ξs=0.98，混凝土截面折減系數(shù)ξc=0.95，承載能力惡化系數(shù)ξe=0.042，承載能力檢算系數(shù)Z1=1.08，綜合修正系數(shù)=ξsξcZ1(1-ξe)=0.963。

圖1 邊梁與中梁有限元計(jì)算模型

原橋設(shè)計(jì)采用的荷載為《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的公路-Ⅱ級(jí)，小于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)的公路-Ⅱ級(jí)荷載，故需要采用現(xiàn)行規(guī)范的荷載對(duì)原橋進(jìn)行驗(yàn)算，承載能力驗(yàn)算結(jié)果如圖2～圖3、表2所示。

表2 15規(guī)范公路-Ⅱ級(jí)荷載作用下的應(yīng)力驗(yàn)算

圖2 抗彎驗(yàn)算

圖3 抗剪驗(yàn)算

從圖2可知，各邊梁、中跨跨中的抗彎最不利組合大于各跨的承載能力組合，邊梁最大差限20.1%；邊梁和中梁墩頂處負(fù)彎矩區(qū)不超限，但安全系數(shù)不大，安全儲(chǔ)備不足。

由圖3可知，各邊梁、中梁的抗剪承載力均大于各最不利組合，安全系數(shù)均為1.2左右，有一定的安全儲(chǔ)備。

3 加固處理

3.1 病害成因分析

大部分T梁腹板豎向裂縫起于腹板與翼板結(jié)合處，止于馬蹄側(cè)面與腹板結(jié)合處，少數(shù)會(huì)延伸至馬蹄底部。根據(jù)腹板先裂向梁底發(fā)展的病害特征，結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算，推斷裂縫成因如下。

(1)施工期間沒能及時(shí)養(yǎng)護(hù)剛澆筑完成的混凝土。混凝土快速的失水，腹板的配筋較翼板和馬蹄而言相對(duì)較少，而腹板面積較大較薄，對(duì)混凝土的約束較弱，翼板和馬蹄之間的相互約束導(dǎo)致腹板收縮而受拉，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)裂縫。不合理的添加劑和配合比的使用可能會(huì)導(dǎo)致混凝土梁體表面出現(xiàn)不均勻的收縮裂縫。腹板表面收縮裂縫受荷載作用，下端受拉，裂縫發(fā)展；部分T梁的有效預(yù)應(yīng)力不足，也促使裂縫向下發(fā)展。

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)算結(jié)果，按15規(guī)范計(jì)算，邊梁抗彎承載力不足，梁板跨中在短期效應(yīng)組合下梁底產(chǎn)生拉應(yīng)力，但理論上未超限。

(3)原橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅱ級(jí)荷載，比15規(guī)范中的公路-Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)荷載較小，實(shí)際運(yùn)營中，最主要的是超載車輛較多，交通流量大，運(yùn)營荷載比設(shè)計(jì)荷載考慮的較嚴(yán)峻。

綜上所述T梁的腹板裂縫主要為表面收縮裂縫，T梁預(yù)制時(shí)齡期短、結(jié)構(gòu)連續(xù)后由于收縮應(yīng)變過大而導(dǎo)致梁體開裂；在預(yù)應(yīng)力損失和超載的共同作用之下，裂縫下端開始向下發(fā)展。少數(shù)有效預(yù)應(yīng)力較低的梁下緣可能會(huì)出現(xiàn)橫向裂縫。

3.2 處理措施

加固后T梁與原T梁間存在材料的不協(xié)調(diào)，使得原材料與新增材料間之間存在應(yīng)力、應(yīng)變滯后現(xiàn)象。根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得出的尺寸及配筋數(shù)據(jù)，采用Midas Civil軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中考慮的荷載有:梁的自重;橋面的二期恒載;公路-Ⅱ級(jí)汽車活載;梁截面豎向非線性溫度分布效應(yīng);原預(yù)應(yīng)力及相應(yīng)的二次內(nèi)力效應(yīng);混凝土收縮徐變及其相應(yīng)的二次內(nèi)力效應(yīng)。不考慮支座位移，只涉及縱向受力及配筋計(jì)算。

采取體外預(yù)應(yīng)力對(duì)T梁進(jìn)行加固，在馬蹄兩側(cè)各布置一束鋼絞線，外套HDPE管，為增強(qiáng)梁端抗剪能力，考慮鋼束在端部增加豎彎。鋼絞線規(guī)格為φs15.2(7φ5)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。邊梁束為4φs15.2，中梁束為3φs15.2。錨具的回縮值取6 mm，摩擦系數(shù)為μ=0.13。張拉控制應(yīng)力為50%抗拉強(qiáng)度。

3.3 加固結(jié)果

對(duì)連續(xù)梁施加體外預(yù)應(yīng)力后會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力，導(dǎo)致梁的荷載效應(yīng)發(fā)生變化，跨中正彎矩增大，支座負(fù)彎矩減小，加固之后梁的承載能力驗(yàn)算結(jié)果如圖4～圖5、表3所示。

圖4 抗彎驗(yàn)算

圖5 抗剪驗(yàn)算

表3 加固之后應(yīng)力驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果表明：加固后T梁在截面抗彎、抗剪性能方面均有所提高， 受體外預(yù)應(yīng)力鋼絲的影響，形成相對(duì)較大的差異變化，且隨著后期的運(yùn)營使用將形成較好的吻合；抗剪承載力、抗彎承載力均滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載承載要求規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

本文對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁橋的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析并建立了混凝土橋梁的加固模型，并對(duì)其承載力與使用性能展開研究?？刹捎皿w外預(yù)應(yīng)力的方式提升承載能力，來彌補(bǔ)荷載效應(yīng)較之前的不足。加固結(jié)果表明采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲的方法能提高梁體自身的有效承載能力并有一定的安全儲(chǔ)備，滿足橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)(公路-Ⅱ級(jí))的荷載承載能力的要求，可以推廣應(yīng)用于在役橋梁的耐久性不足的修復(fù)工程。從效果可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可行性及施工方便性出發(fā)，選擇體外預(yù)應(yīng)力加固方案進(jìn)行先簡支后連續(xù)T型梁橋的加固設(shè)計(jì)的方案是切實(shí)可行的。