預(yù)應(yīng)力碳板在T 梁負彎矩補強的應(yīng)用

■卓仕敏

（福建三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司， 三明 365000）

福建閩西北多為山區(qū)， 高速公路選線不可避免需要穿山跨谷，面對高差大等問題，高橋隧比成為“標(biāo)配”，橋梁中預(yù)應(yīng)力簡支-連續(xù)（剛構(gòu)）T 梁因其施工方便、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、力學(xué)性能良好，伸縮縫構(gòu)造少等優(yōu)點，使車輛行駛平順舒適而得到廣泛應(yīng)用。 簡支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力T 梁結(jié)構(gòu)中負彎矩作為橋梁整體形成體系受力的重要結(jié)構(gòu)， 其設(shè)計過程需經(jīng)過詳細的計算分析， 施工與運行中一旦出現(xiàn)問題， 對其的修復(fù)和加固工作就變成特別需要重視的精細活。

1 工程概況

項目應(yīng)用的大橋設(shè)計為左右分幅橋面。 上部結(jié)構(gòu)采用左幅16×40 m、右幅11×40 m 裝配式預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T 梁；下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、薄壁墩、樁基礎(chǔ)，橋臺采用柱式臺、板凳臺、樁基礎(chǔ)。 橋梁全長為547 m。 橋面寬度：分離式0.50 m（防撞欄）+12.00 m（行車道）+0.50 m（防撞欄）=13 m，單幅為5 片T梁。本次缺陷位于右幅2#墩墩頂1# 邊梁位置，2# 墩為固結(jié)墩， 設(shè)計1# 邊梁負彎矩鋼束為對稱布置N1、N2、N3 鋼束，其鋼束布置如圖1 所示。 在橋面系實施過程中發(fā)現(xiàn)部分T 梁預(yù)埋泄水孔不規(guī)范，作業(yè)隊伍簡單采取補鉆泄水孔進行整改，在右幅進行到2# 墩時，誤將設(shè)橫向泄水孔處進行豎向鉆孔，發(fā)現(xiàn)鋼絞線有鉆斷現(xiàn)象（圖2）。經(jīng)過事故排查發(fā)現(xiàn)，第二孔邊梁靠2# 墩處的N2 鋼束全束鉆斷，N3 鋼束中的3 根鋼絞線鉆斷。

圖1 T 梁負彎矩鋼束布置

圖2 T 梁負彎矩鋼束鉆斷位置

2 結(jié)構(gòu)建模計算分析

原設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)體系為先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)（或剛構(gòu)），預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)（剛構(gòu)）T 梁預(yù)制主梁的正彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計，連續(xù)接頭負彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束支點下緣按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計，剛構(gòu)接頭負彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束支點下緣按部分預(yù)應(yīng)力B 類構(gòu)件設(shè)計。 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算符合JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[1]要求。 結(jié)合原設(shè)計橋梁情況，本次采用橋梁博士4.2，按大橋右幅第一聯(lián)3×40 m 建立有限元模型計算，如圖3 所示。

圖3 大橋右幅第一聯(lián)有限元計算模型

T 梁單元：1～100# 單元， 其中節(jié)點2、100 為梁體支座位置，節(jié)點34、68 為墩梁固結(jié)位置。 本橋上部T 梁剛構(gòu)現(xiàn)澆段為B 類構(gòu)件，其余均為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，考慮中支點處彎矩折減。

以原設(shè)計正常承載能力極限狀態(tài)下根據(jù)計算結(jié)果，上緣最大正應(yīng)力為15.80 MPa，下緣最大正應(yīng)力為15.25 MPa， 均小于規(guī)范限16.20 MPa， 滿足要求。 最大正彎矩與最小正彎矩均符合技術(shù)規(guī)范要求，最大彎矩值為17611.5 kN·m，小于抗力值19502.7 kN·m；最小彎矩值－11238.4 kN·m，小于抗力值－12841.8 kN·m。 以截斷鋼束模型計算正常使用極限狀態(tài)下， 計算得出下緣最大正應(yīng)力為16.48 MPa，大于規(guī)范限值16.20 MPa，不滿足要求。計算結(jié)果如圖4、 表1 所示。 以負彎矩鋼束切斷后最小彎矩值為－11138.2 kN·m， 大于抗力值－10984.5 kN·m，最小正彎矩不滿足要求。計算結(jié)果如圖5～6、表2～3所示。

圖4 截斷鋼束后上下緣最大、最小正應(yīng)力計算結(jié)果

表1 正應(yīng)力計算值對比

圖5 截斷鋼束后最大彎矩計算結(jié)果

圖6 截斷鋼束后最小彎矩計算結(jié)果

表2 彎矩計算結(jié)果

表3 連續(xù)段（剛構(gòu)）裂縫計算結(jié)果

綜上計算結(jié)果分析：（1）斷束后，正常使用極限狀態(tài)下，下緣最大正應(yīng)力不滿足要求；（2）2# 墩頂剛構(gòu)處，斷束模型最大彎矩安全系數(shù)為1.09，原設(shè)計最大彎矩安全系數(shù)為1.11，斷束后最大彎矩安全系數(shù)影響?。唬?）2#墩頂剛構(gòu)處，斷束模型最小彎矩安全系數(shù)為0.98， 原設(shè)計最小彎矩安全系數(shù)1.14，計算顯示斷束后最小彎矩安全系數(shù)小于原設(shè)計且不滿足規(guī)范要求。 （4）原設(shè)計模型和斷束模型連續(xù)段裂縫計算值均滿足規(guī)范0.1 mm 要求。

3 處理方案比選

考慮到該大橋已完成橋面混凝土鋪裝，進入路基合同段施工尾期階段，需面對工期緊和界面移交等客觀問題，若進行返工整改，進行T 梁置換，將面臨耗時長，成本高，造成不必要的浪費。 經(jīng)設(shè)計論證，選取結(jié)構(gòu)加強的處理方式是可行的，根據(jù)工程需求篩選后的處理方案對比分析如表4 所示。

表4 處理方案比選

經(jīng)綜合比較，在其他恢復(fù)斷束鋼絞線方案施工困難的情況下，最終確定選用預(yù)應(yīng)力碳板方案進行處理，預(yù)應(yīng)力碳板產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力能夠有效的抵消橋梁結(jié)構(gòu)自重和運營車輛荷載產(chǎn)生的作用，提高結(jié)構(gòu)剛度、減少結(jié)構(gòu)撓度[2]。 能夠發(fā)揮其施工工期可控、施工復(fù)雜程度低、施工安全性高、施工精細度好等特點，且盡可能地降低了處理工程的造價，避免了不必要的浪費。

4 預(yù)應(yīng)力碳板方案設(shè)計

本次方案設(shè)計采用100×3 mm2預(yù)應(yīng)力碳板進行加固處理，共布置7 條，與原設(shè)計方案等效趨近，張拉控制力[3]為690×300×7=1449000 N，布置間距為20 cm，預(yù)應(yīng)力碳板位置盡量避開原有鋼束進行布置，長度略長于原有斷裂鋼束長度，碳板錨固位置錯開布置， 避免在梁體同一橫截面上對橫截面造成較大的削弱[4]，碳板布置及設(shè)計尺寸具體如圖7、8 所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力碳板方案設(shè)計平面圖

5 預(yù)應(yīng)力碳板加固后的計算

如上方案所述本次加固模型采用100×3 mm2預(yù)應(yīng)力碳板，共布置7 條，張拉控制力為690×300×7=1449000 N。 加固模型仍采用橋梁博士4.2 建立。

圖8 預(yù)應(yīng)力碳板方案設(shè)計截面圖

T 梁單元：1～100# 單元， 其中節(jié)點2、100 為梁體支座位置，節(jié)點34、68 為墩梁固結(jié)位置。 本橋上部T 梁剛構(gòu)現(xiàn)澆段為B 類構(gòu)件，其余均為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。 模型構(gòu)造與鋼束切斷模型相同，施工步驟在斷束模型最后1 個施工階段后添加1 個施工階段：張拉預(yù)應(yīng)力碳板。 預(yù)應(yīng)力碳板為在按設(shè)計文件位置在鋼束設(shè)計中增加，張拉力選用690 MPa，一端錨具回縮值按照GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》[5]中選取為1 mm。 預(yù)應(yīng)力碳板技術(shù)參數(shù)如表5 所示。

表5 碳纖維復(fù)合材料安全性鑒定

加固計算結(jié)果如下：承載能力極限狀態(tài)：最大彎矩值為17486.0 kN·m，小于抗力值19498.9 kN·m；最小彎矩出現(xiàn)在2# 墩頂處梁段，彎矩值為－11462.6 kN·m，小于抗力值－16213.7 kN·m，最大正彎矩與最小正彎矩均能滿足要，計算結(jié)果如表6～8 所示。

表6 彎矩計算結(jié)果

表7 正應(yīng)力計算值對比

表8 裂縫計算值對比

綜上計算結(jié)果分析：（1）2#墩頂剛構(gòu)處，最小彎矩安全系數(shù)為1.13， 原設(shè)計最小彎矩安全系數(shù)為1.14，加固后最小彎矩安全系數(shù)與原設(shè)計基本一致。最大彎矩安全系數(shù)為1.12，原設(shè)計最大彎矩安全系數(shù)為1.11，加固后最大彎矩安全系數(shù)與原設(shè)計基本一致。 計算結(jié)果顯示墩頂負彎矩承載能力加固后能夠滿足相關(guān)要求；（2）加固后2# 墩頂附近出現(xiàn)上緣最大正應(yīng)力值15.80 MPa,安全系數(shù)為1.03，相應(yīng)位置下緣最大正應(yīng)力值為15.26 MPa, 安全系數(shù)為16.2；加固后上緣最小正應(yīng)力值－0.03 MPa,安全系數(shù)為61.7，下緣最小正應(yīng)力值為－0.25 MPa,安全系數(shù)7.4；根據(jù)計算，與原設(shè)計模型進行對比2# 墩頂加固后，上下緣最小正應(yīng)力與上下緣最大正應(yīng)力安全儲備基本與原設(shè)計一致，均能滿足相關(guān)要求。

6 結(jié)論

（1） 預(yù)應(yīng)力碳纖維板具備優(yōu)良的定型特性，除傳統(tǒng)的“表面粘貼法”使用，本次應(yīng)用在結(jié)構(gòu)層間，充分利用了預(yù)應(yīng)力碳纖維板可選的扁平尺寸與橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計特點高度結(jié)合，做到了精度高，操作易，相對成本低、工期短的理想處理效果。 （2）預(yù)應(yīng)力碳纖維板，在提高梁片抗彎承載能力，增加橋梁整體的承載力安全儲備，有顯著效果，在特定工程環(huán)境中，仍有很多可開發(fā)應(yīng)用其材料特性的空間。