某黃河公路大橋50 mT梁體外預(yù)應(yīng)力加固效果研究

楊建兵　楊黎　馮守金

摘要 文章以某河公路大橋50 mT梁加固為工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)橋梁病害情況調(diào)查、病害成因分析，對(duì)加固方案進(jìn)行比選，對(duì)加固思路和要點(diǎn)進(jìn)行研究論證，最后采用有限元軟件Midas Civil建立加固模型進(jìn)行受力分析，對(duì)加固后承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。研究表明，通過(guò)對(duì)50 mT梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固措施后，對(duì)結(jié)構(gòu)受力改善較為明顯，加固效果較好。

關(guān)鍵詞 黃河公路大橋;T梁;體外預(yù)應(yīng)力;加固效果

中圖分類(lèi)號(hào) U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）06-0147-03

引言

橋梁在運(yùn)營(yíng)服役中由于各種原因，會(huì)產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)形式上的病害，為了保證橋梁在設(shè)計(jì)使用年限中安全運(yùn)營(yíng)，橋梁承載能力的恢復(fù)和提高已成為重要的研究?jī)?nèi)容。體外預(yù)應(yīng)力加固屬于一種主動(dòng)加固方法，可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)承載能力、改善結(jié)構(gòu)抗裂性能，但預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效張拉錨固力較大，錨固處構(gòu)造要求較多，對(duì)局部鉆孔植螺栓，構(gòu)件局部錨固性能要求較高。為保證加固質(zhì)量達(dá)到預(yù)期，應(yīng)對(duì)加固效果進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 工程概況

某黃河公路大橋于1998年12月開(kāi)工建設(shè)，2001年9月竣工通車(chē)。橋梁全長(zhǎng)3 010.3 m，共75跨，橋?qū)?8.5 m，南北兩岸連接線總長(zhǎng)為15.492 km。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽超-20、掛-120。大橋采用20 mT跨徑及50 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，跨徑組合為（12×20+13×20+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50）m，下部結(jié)構(gòu)采用單排雙柱式橋墩，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋橋面鋪裝層采用瀝青混凝土，支座采用板式橡膠支座，該橋在0#、12#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#墩臺(tái)頂設(shè)置一道型鋼伸縮縫。連接線工程按平原微丘二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)修建，路基寬18 m，路面寬15 m。

通過(guò)定期檢查發(fā)現(xiàn)，該橋主要存在以下病害：

（1）T梁翼緣板破損露筋。

（2）橫隔板開(kāi)裂。

（3）T梁腹板跨中位置處存在斜向裂縫，部分裂縫已延伸至馬蹄部位。

（4）部分支座存在老化開(kāi)裂。

（5）蓋梁存在銹脹露筋。

（6）橋面鋪裝層存在網(wǎng)裂。

（7）伸縮縫錨固區(qū)混凝土開(kāi)裂、破損。

（8）橋面泄水孔普遍存在堵塞。

根據(jù)該橋各部件的檢查情況，該橋總體技術(shù)狀況評(píng)定為4類(lèi)橋。根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）及《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11—2004）規(guī)定：當(dāng)結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為4類(lèi)時(shí)，主要構(gòu)件有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能及承載能力，不能保證正常使用。特別對(duì)于該橋部分T梁跨中腹板出現(xiàn)斜向裂縫且裂縫已延伸至馬蹄部位，經(jīng)過(guò)初步分析判斷，該橋腹板豎斜向裂縫已非表層裂縫，而是結(jié)構(gòu)受力裂縫，主要是由于構(gòu)件的抗彎承載能力不足導(dǎo)致。因此，需要對(duì)該橋50 mT梁進(jìn)行加固，以提高其抗彎承載能力，改善梁體的應(yīng)力狀態(tài)。

2 病害成因分析

2.1 T梁腹板裂縫

經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果分析，T梁跨中腹板出現(xiàn)斜向裂縫且已延伸至馬蹄部位，主要是因?yàn)橹髁旱目箯澞芰Σ蛔銓?dǎo)致，另外根據(jù)T型梁體本身結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，截面積較小，抗扭能力較弱[1]。在超重車(chē)輛長(zhǎng)期的軸載作用下，彎扭作用共同引起的應(yīng)力值超過(guò)了混凝土的容許值，從而引起了跨中腹板的斜向裂縫，隨著腹板開(kāi)裂，應(yīng)力重新分配，使已出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)發(fā)展至馬蹄部位。2013年加固后，橋面鋪裝加厚導(dǎo)致恒載加大，橋面由雙向4設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)變?yōu)殡p向6設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)，荷載橫向分布系數(shù)由邊梁0.599增加為0.698。

2.2 T梁翼板混凝土破損病害

主梁翼緣板混凝土破損，主要是因?yàn)闃蛄涸?013年對(duì)翼緣板橫向聯(lián)系處進(jìn)行加固處理期間，對(duì)翼緣板增加M16螺栓，施工過(guò)程中對(duì)翼緣板造成了損傷所致。

2.3 T梁翼板裂縫病害

T梁翼板出現(xiàn)橫向裂縫為受力產(chǎn)生，主要產(chǎn)生原因?yàn)檐?chē)輛超載、混凝土自身徐變等因素[2]。個(gè)別部位保護(hù)層過(guò)薄、箍筋暴露銹蝕、施工中模板位置或鋼筋位置有偏差、混凝土振搗不密實(shí)、分層澆注等也是造成該種現(xiàn)象的客觀原因。

2.4 蓋梁銹脹露筋病害

主要原因?yàn)榛炷列熳円鸬募?xì)微裂縫吸收水分和侵蝕性氣體后銹蝕鋼筋，鋼筋銹蝕后膨脹，導(dǎo)致保護(hù)層剝落露筋。

2.5 橋面鋪裝病害

橋面橫向裂縫主要發(fā)生在橋跨連接處（伸縮縫處除外），主要是由于橋面簡(jiǎn)易連續(xù)而在支座處梁體不連續(xù)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中活載在墩頂產(chǎn)生負(fù)彎矩，加上梁體撓曲變形較大，同時(shí)由于汽車(chē)荷載以及溫度變化導(dǎo)致鋪裝層產(chǎn)生變形和內(nèi)力，加速裂縫的產(chǎn)生。

裂縫主要發(fā)生在順橋向第4跨左側(cè)，共1處。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，分析造成該種病害的主要原因?yàn)榍按武佒^(guò)程中粗骨料離析后導(dǎo)致粒料攤鋪不均勻，經(jīng)重型車(chē)輛長(zhǎng)期碾壓后出現(xiàn)該種病害。

2.6 伸縮縫病害

伸縮縫錨固區(qū)混凝土開(kāi)裂、型鋼變形的原因主要為溫度應(yīng)力、混凝土收縮徐變以及行車(chē)道重型車(chē)輛荷載等因素;止水條損壞主要為橡膠條風(fēng)化所致。

3 加固方案及要點(diǎn)

3.1 加固方案比選

加固方案對(duì)比如表1。

3.2 加固思路

（1）先對(duì)橋梁原設(shè)計(jì)狀態(tài)和現(xiàn)狀承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

（2）針對(duì)50 mT 梁因承載能力不足而出現(xiàn)的跨中馬蹄底部受力裂縫病害，采用主動(dòng)體外預(yù)應(yīng)力加固措施，以提高50 mT 梁的抗彎和抗剪承載能力，改善梁體的應(yīng)力狀況;根據(jù)現(xiàn)狀橋梁承載力驗(yàn)算結(jié)果和病害的嚴(yán)重程度，分別采用體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線和體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板兩種加固措施[3]。加固原則：對(duì)主跨跨中馬蹄底部已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的梁板和2013年主梁跨中腹板和馬蹄已采用碳纖維布加固的梁板采用體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固，對(duì)檢測(cè)中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的其余梁板采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固。

根據(jù)橋梁現(xiàn)狀和承載能力驗(yàn)算結(jié)果以及病害的嚴(yán)重程度，經(jīng)過(guò)方案比選，推薦采用體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)T梁進(jìn)行加固。具體方案為腹板兩側(cè)各設(shè)置1束體外預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼絞線采用環(huán)氧涂覆無(wú)粘結(jié)鋼絞線成品索，每束為6絲直徑15.2 mm鋼絞線，體外預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向塊及錨固塊采用鋼結(jié)構(gòu)，利用錨栓和注膠粘貼技術(shù)錨固在T梁腹板上，錨下控制張拉應(yīng)力σcon=930 MPa。體外索預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料參數(shù)見(jiàn)表2所示。

3.3 加固要點(diǎn)

體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固屬于一種主動(dòng)加固方法，可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)承載能力、改善結(jié)構(gòu)抗裂性能，但預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效張拉錨固力較大，錨固處構(gòu)造要求較高，須局部鉆孔植螺栓，構(gòu)件局部錨固性能要求較高[4]。因此在加固實(shí)施過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）錨固塊基座應(yīng)與加強(qiáng)鋼板四面圍焊連接，并灌注結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，加強(qiáng)鋼板粘貼至T梁腹板上，并用錨固緊固。

（2）轉(zhuǎn)向塊鋼板須粘貼至T梁腹板上，并用錨固緊固。

（3）錨具的錨墊板應(yīng)按照設(shè)計(jì)圖紙要求定值，符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

（4）體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用逐跨分級(jí)整體對(duì)稱(chēng)張拉的方式，張拉分為50%、80%、100%三級(jí)張拉，具體張拉順序?yàn)椋簭埨?#～7#梁至50%→張拉1#～7#梁至80%→張拉1#～7#梁至100%。同時(shí)在張拉過(guò)程中須對(duì)錨固塊、轉(zhuǎn)向架及周邊的混凝土應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)及監(jiān)測(cè)，以防止出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象。

（5）裂縫部分跨中馬蹄加固措施，采取沿T梁斷面包夾鋼板的措施進(jìn)行加固、恢復(fù)其使用功能。鋼板采用8 mm厚U型Q345C鋼板，采用粘鋼板的方式與梁體連接。包夾鋼板的縱向覆蓋產(chǎn)生馬蹄網(wǎng)絡(luò)的橫隔板節(jié)段梁體，縱向長(zhǎng)度為6 m。腹板植筋采用8.8級(jí)M12錨栓。包夾鋼板加固應(yīng)在T梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固前實(shí)施，以保障馬蹄碎裂部分不至壓崩，且馬蹄包夾鋼板要在體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉前完成。

4 體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固受力分析

4.1 計(jì)算模型

采用Midas Civil 2019有限元分析軟件建立加固模型。計(jì)算相對(duì)濕度80%，升降溫差考慮20 ℃;不考慮不均勻沉降。施工階段劃分按照該橋梁實(shí)際施工工序，即預(yù)制安裝（10天）為第一步，現(xiàn)澆濕接頭和張拉負(fù)區(qū)束（10天）為第二步，鋪裝橋面及設(shè)備（30天）為第三步，完工，使用階段，建立從施工階段到成橋階段的模型。

4.2 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.2.1 正截面抗彎承載力驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023—85）中運(yùn)營(yíng)階段三種組合對(duì)50 mT梁跨中正截面抗彎承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

4.2.2 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023—85）中運(yùn)營(yíng)階段三種組合對(duì)50 mT梁控制截面斜截面抗剪承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。

4.3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023—85）中規(guī)定，按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)應(yīng)力作為荷載計(jì)算其效應(yīng)，截面正應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表5所示。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固后50 mT梁的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度、正應(yīng)力和主應(yīng)力的驗(yàn)算，其無(wú)論在極限承載能力的抗彎承載力和抗剪承載力，還是在正常使用極限狀態(tài)的正應(yīng)力和主應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。通過(guò)加固改造，50 mT梁能夠滿足規(guī)范的要求，達(dá)到了加固改造的目標(biāo)。具體結(jié)論如下：

（1）50 mT梁在體外預(yù)應(yīng)力加固后，在最不利荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)承受的最大彎矩小于結(jié)構(gòu)抗力，且具有一定程度的安全儲(chǔ)備，正截面抗彎承載能力、斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范的要求。

（2）50 mT梁在體外預(yù)應(yīng)力加固后，在各荷載組合作用下，跨中下緣截面全部呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，并未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，各梁的最大壓應(yīng)力值均小于規(guī)范的限值。

參考文獻(xiàn)

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[2]公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范： JTG/T J23—2008[S]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[3]公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程： JTG/T J21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]李光俊. 體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在舊橋加固中的應(yīng)用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2010.

收稿日期：2022-01-14

作者簡(jiǎn)介：楊建兵（1974—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路橋梁。