裝配式T梁負彎矩索加固方法及錨梁優(yōu)化研究

劉漢彪,胡建華,劉海波

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410219；2.湖南省交通水利建設(shè)集團有限公司，湖南 長沙 410008)

1 概述

位于路線的平、豎曲線上的裝配式連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)，當線形指標較低時，施工中容易發(fā)生相互對接的梁端預(yù)埋負彎矩波紋管在水平和豎直方向上線形不連續(xù)，甚至產(chǎn)生彎折或錯開較大，影響負彎矩鋼絞線的穿束施工和預(yù)應(yīng)力張拉效果；在施工過程中由于波紋管的開裂破損和波紋管定位預(yù)埋時被電焊灼傷造成波紋管和錨頭堵塞、振搗混凝土?xí)r將波紋管軸線振偏、混凝土養(yǎng)生過程中導(dǎo)致的錨頭銹蝕等都會造成鋼絞線不能正常穿孔；同時在張拉位于T梁翼緣下方的負彎矩鋼束，施工作業(yè)條件較差，也可能造成預(yù)應(yīng)力張拉達不到設(shè)計要求[1-8]。以上任何一項均可造成裝配式T梁負彎矩預(yù)應(yīng)力效果失效。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，本文以碾子沖大橋為工程背景，對裝配式T梁負彎矩索進行加固方法研究及錨梁優(yōu)化研究。

溆懷高速公路碾子沖大橋全長186.16 m，橋跨布置為：6×30 m預(yù)應(yīng)力先簡支后連續(xù)T梁，單幅橋?qū)?2.75 m，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺配樁基礎(chǔ)。橋梁平面位于R=2 400 m的左偏圓曲線上，縱斷面位于R=8 000 m的豎曲線上。該橋在施工過程中由于上述各種原因存在負彎矩索部分失效的情況，如表1所示。

表1 碾子沖大橋負彎矩索張拉記錄表Table1 Recordofthetensionofnegativemomentcables墩號位置設(shè)計股數(shù)無鋼絞線股數(shù)無夾片或松動股數(shù)有效體內(nèi)束有效率/%1#邊梁2038945中梁200911552#邊梁2047945中梁201910503#邊梁2038945中梁202612604#邊梁20341365中梁202513655#邊梁20351260中梁20271155

2 加固方案

2.1 方案總體設(shè)計

碾子沖大橋負彎矩索張拉記錄表顯示，負彎矩索有效率為45%～60%，如果繼續(xù)進行橋面現(xiàn)澆層以及附屬施工，橋梁的耐久性與安全性將存在嚴重風(fēng)險，為此需要對橋梁負彎矩區(qū)域進行補強設(shè)計。

本文提出了一種采用鋼錨梁對拉體外索加固施工方法，該方法通過在T梁負彎矩齒塊位置澆筑HPG-A無收縮自流密實水泥基高強澆筑料錨塊，在相鄰T梁封錨塊上架設(shè)一片鋼錨梁，最后通過墩頂對稱鋼梁錨固張拉體外索進行補強，鋼錨梁與封錨塊之間設(shè)置錨梁支座，見圖1～圖3。

圖1 鋼錨梁安裝位置圖(單位：cm)

圖2 鋼錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計圖(單位：mm)

圖3 鋼錨梁體外索對拉加固總體布置圖(單位：cm)

錨塊厚30 cm，與齒塊同寬。受施工空間及新老混凝土截面影響，封錨塊采用專業(yè)補強修復(fù)、免振搗、強度高的HPG-A無收縮自流密實水泥基高強澆筑料灌漿施工。

鋼錨梁采用Ⅱ型截面，錨梁長1 500 mm。翼緣板290 mm×25 mm，腹板270 mm×25 mm。鋼梁采用鍍鋅防護。在翼緣板上設(shè)置兩個體外索錨固孔，并在孔兩側(cè)設(shè)置加勁肋。

體外預(yù)應(yīng)力束穿過連續(xù)墩頂處T梁橫隔板，束孔中心距T梁頂板底面19 cm，鋼束采用直束，錨在鋼錨梁上。

體外預(yù)應(yīng)力束鋼鉸線采用單絲環(huán)氧涂層防護，其它性能同體內(nèi)束，股數(shù)根據(jù)表1與設(shè)計值的對比，實行缺多少補多少的缺補相等原則。張拉控制應(yīng)力1 116 MPa。

錨梁支座采用20 mm厚軟鋁塊或者銅塊。

2.2 方案驗算

a.有限元模型。

鋼錨梁對拉體外索加固方案采用缺補相等的原則進行加固補強。為驗證鋼錨梁對拉體外索加固方法對大橋負彎矩區(qū)域的補強效果，利用橋梁博士V3.5有限元軟件，采用平面桿系單元進行T梁結(jié)構(gòu)模擬，建立碾子沖大橋有限元離散模型，進行T梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的驗算，見圖4。

圖4 有限元離散模型

模型邊界：約束正中間橋墩的豎向和水平位移，UZ=UX=0；約束其余6個橋墩的豎向位移，UZ=0。

主梁及其濕接縫采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，混凝土軸心抗壓標準值fck=32.4 MPa，混凝土軸心抗拉標準值ftk=2.65 MPa，容重r=26.0 kN/m3。主梁及負彎矩鋼束采用低松弛高強度鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為0.75fpk，彈性模量Ep=1.95×105MPa，松馳系數(shù)為0.3[9]。

荷載考慮結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、混凝土收縮徐變、支座沉降、汽車荷載、溫度荷載，按照邊梁成橋最不利和中梁成橋最不利兩種計算工況，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[10]，進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的荷載組合。

b.結(jié)構(gòu)驗算。

根據(jù)有限元計算分析，補強加固后的裝配式連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果見圖5～圖8，及表2、表3。

圖5 加固后中梁抗力及最值內(nèi)力圖(單位：kN·m)

圖6 加固后邊梁抗力及最值內(nèi)力圖(單位：kN·m)

圖7 加固后邊梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖8 加固后中梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

表2 加固后抗剪承載力驗算匯總表Table2 ShearbearingcapacityafterreinforcementkN截面截面斜截面抗剪承載力設(shè)計值抗剪截面要求邊梁截面最大剪力組合設(shè)計值Vd中梁截面最大剪力組合設(shè)計值Vd支點截面2434258815821334跨中截面15311305879722

由圖5、圖6和表2可知，通過體外索補強到有效率為100%，碾子沖大橋連續(xù)T梁的承載能力滿足設(shè)計要求，補強效果明顯。

表3 加固后持久狀態(tài)正常使用應(yīng)力驗算表Table3 Normalservicestresscheckofdurablestateafterre-inforcementMPa截面斜截面混凝土主拉應(yīng)力混凝土的最大壓應(yīng)力混凝土主壓應(yīng)力支點截面1.1412.910.4跨中截面1.1711.99.8限值應(yīng)力1.85516.219.44

根據(jù)圖7、圖8可知，按照A類預(yù)應(yīng)力控制，持久狀態(tài)正截面抗裂驗算邊、中梁上下緣最大拉應(yīng)力為-0.38 MPa,小于1.855 MPa，滿足設(shè)計要求。根據(jù)表3可知，持久狀態(tài)下，斜截面混凝土主拉應(yīng)力、混凝土的最大壓應(yīng)力、混凝土主壓應(yīng)力均小于限值應(yīng)力，且有較大富余，滿足設(shè)計要求。計算表明采用鋼錨梁對拉體外索加固方法結(jié)構(gòu)總體受力滿足設(shè)計要求，方案可行。

3 體外索錨固區(qū)域空間應(yīng)力分析

a.有限元模型。

體外索錨固區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及受力復(fù)雜，特別是該區(qū)域橋面板橫橋向的應(yīng)力狀態(tài)，需要建立該區(qū)域的實體有限元模型進行錨固區(qū)域的局部應(yīng)力分析，為此采用Midas/Fea有限元軟件進行分析，建立1/4跨橋梁結(jié)構(gòu)，T梁采用實體單元模擬，共劃分單元492 003個，節(jié)點96 117個。有限元離散模型如圖9所示。

圖9 體外索錨固區(qū)域有限元離散模型

b.邊界和荷載。

1/4跨模型根據(jù)實際邊界進行約束，在支座位置采取豎向約束，端部采用對稱約束，跨中采用對稱約束但釋放縱向約束，橫橋向?qū)ΨQ約束。

體外索荷載以等效均布荷載的形式施加在齒塊端面(與鋼錨梁接觸區(qū)域)上，見圖10、圖11。

圖10 體外索錨固區(qū)域局部模型邊界條件

圖11 體外索錨固區(qū)域均布荷載施加圖

c.錨固區(qū)域應(yīng)力分析。

根據(jù)圖12、圖13可知，體外索錨固區(qū)域橋面板橫橋向由體外索產(chǎn)生的板頂最大拉應(yīng)力為1.14 MPa，板底最大拉應(yīng)力為0.83 MPa。

圖12 錨固區(qū)域頂板上緣橫向應(yīng)力(單位：MPa)

圖13 錨固區(qū)域頂板下緣橫向應(yīng)力(單位：MPa)

橫向配筋根據(jù)橫向應(yīng)力積分反算橋面板內(nèi)彎矩值，進而進行配筋計算。同時應(yīng)力圖顯示產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力的區(qū)域主要集中在1 m寬橋面板內(nèi)，故通過計算1 m內(nèi)的彎矩進行配筋。計算寬度截面慣性矩I=0.001 152 m4；等效跨中彎矩M=18 912 N·m；計算得受壓區(qū)高度x=0.009 m；計算所需鋼筋面積As=720 mm2；故只需在該位置配置3根直徑18 mm的鋼筋，即可抵消由體外索額外產(chǎn)的橫向應(yīng)力。

4 鋼錨梁優(yōu)化設(shè)計

a.優(yōu)化方案。

鋼錨梁采用Ⅱ型截面，主要由上下翼緣板、腹板組成[11]。為輕便施工和合理使用材料，對鋼錨梁進行優(yōu)化設(shè)計，見表4。

表4 鋼錨梁優(yōu)化設(shè)計方案Table4 Optimizationdesignschemeofsteelanchorbeam方案優(yōu)化措施方案1翼緣25mm;腹板25mm方案2翼緣25mm;腹板20mm方案3上翼緣20mm、下翼緣25mm;腹板20mm

b.有限元模型。

采用Midas/Fea軟件分別建立3種方案鋼錨梁有限元離散模型,見圖14。邊界偏安全采用線約束支座線三向位移，釋放繞約束線的轉(zhuǎn)動位移。荷載索力通過等效均布荷載形式施加在錨固區(qū)域。

圖14 鋼錨梁有限元離散模型

c.優(yōu)化分析結(jié)果。

根據(jù)有限元分析計算，3種方案的計算結(jié)果見圖15、圖16、表5、表6。

圖15 下翼緣應(yīng)力標記關(guān)鍵點示意圖

圖16 上翼緣應(yīng)力標記關(guān)鍵點示意圖

表5 主壓應(yīng)力匯總表Table5 Summaryofmaincompressivestress項目不同關(guān)鍵點主壓應(yīng)力/MPaABCDEFG方案1218.0176.5160.6227.2149.7158.9427.6方案2242.0196.4173.3302.8159.6170.9503.8方案3224.0188.7168.5286.9155.8165.3442.1

表6 主拉應(yīng)力匯總表Table6 Summaryofmaintensilestress項目不同關(guān)鍵點主拉應(yīng)力/MPaABCDEF方案1147.282.161.8156.785.884.3方案2162.288.062.7163.687.491.1方案3174.889.365.3178.893.292.1

由表5、表6可知，上翼緣主拉應(yīng)力不是主控因素；下翼緣主拉應(yīng)力為主控因素，加載區(qū)域附近存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是在實際的施工加載過程中，錨固區(qū)域上面會墊放鋼板，會緩和一部分的應(yīng)力集中?？紤]到在板厚優(yōu)化不多的情況下方案1加工最為簡單且受力明顯優(yōu)于方案2、方案3，同時應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力也明顯小于其余兩個方案，鋼錨梁選擇方案1尺寸進行加工設(shè)計，應(yīng)力云圖見圖17、圖18。

圖17 鋼錨梁主壓應(yīng)力應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖18 鋼錨梁主拉應(yīng)力應(yīng)力云圖(單位：MPa)

5 總結(jié)

a.針對裝配式T梁負彎矩區(qū)域失效的問題，本文依托碾子沖大橋，創(chuàng)新采用鋼錨梁對拉體外索的加固方法，有效地解決了裝配式連續(xù)T梁負彎矩索失效的問題。

b.鋼錨梁對拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用缺多少補多少的原則進行，計算表明T梁整體縱向承載能力及正常使用均滿足設(shè)計要求。

c.體外索錨固區(qū)域局部應(yīng)力分析表明橋面板橫橋向板頂最大拉應(yīng)力為1.14 MPa，板底最大拉應(yīng)力為0.83 MPa，該局部位置橫向配置3根直徑18 mm的鋼筋，即可抵消由體外索額外產(chǎn)的橫向應(yīng)力。

d.分析表明下翼緣主拉應(yīng)力是鋼錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的主控因素。方案1加工最為簡單且受力和應(yīng)力集中現(xiàn)象也小于其余方案。