混凝土疊合T梁粘鋼加固問題研究

饒?jiān)祁?鐘有亮

（贛州市睿超建設(shè)工程有限公司,江西 贛州 341400）

0 引言

對(duì)于上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式梁板結(jié)構(gòu)的互通立交而言，為確保邊梁受力的穩(wěn)定性，通常將預(yù)制邊梁翼緣板懸臂寬度的變化量控制在20 cm以內(nèi)。當(dāng)互通區(qū)曲線半徑在350 m以上時(shí)，應(yīng)使用30 m或35 mT梁；當(dāng)曲線半徑位于140～350 m之間時(shí)，采用25 mT梁；當(dāng)曲線半徑在140 m以下時(shí)，應(yīng)將橋梁跨徑控制在16～20 m之間；可以采用預(yù)應(yīng)力混凝土疊合T梁及預(yù)應(yīng)力混凝土矮T梁。

對(duì)于曲線半徑在140 m以下的小半徑曲線橋，預(yù)應(yīng)力混凝土矮T梁對(duì)橋?qū)掃m應(yīng)性差，當(dāng)T梁懸臂面臨調(diào)整難度時(shí)，只能通過增加梁板、增設(shè)濕接縫等方式加寬橋面[1]，導(dǎo)致橋面超出護(hù)欄。而采用工廠預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土疊合T梁現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，能徹底避免預(yù)應(yīng)力混凝土矮T梁所存在的弊端，對(duì)于小半徑曲線匝道橋十分適用。在維修加固工程中，應(yīng)用粘貼鋼板方式加固此類橋梁，能改善結(jié)構(gòu)受力，提升橋梁運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

1 混凝土疊合T梁粘鋼加固實(shí)例

1.1 工程概況

一跨徑3×14.2 m的鋼混疊合梁橋，橋面寬4.83 m（0.15 m護(hù)欄+4.53 m行車道+0.15 m護(hù)欄），橋面設(shè)置10 cm厚的鋼筋混凝土鋪裝層。下部采用重力式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)（如圖1）。該橋梁原為工字梁、現(xiàn)澆橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在預(yù)制工字梁底部共設(shè)置8根C25受力鋼筋。驗(yàn)算結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)下工字梁承載力較好，進(jìn)行粘貼鋼板常規(guī)加固操作后引發(fā)超筋破壞的可能性不大。為此，決定采用粘貼鋼板加固技術(shù)，以提升橋梁結(jié)構(gòu)整體性能。

圖1 混凝土疊合T梁橫斷面（單位：cm）

1.2 加固效果試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析加固后預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎性能，試驗(yàn)前共制作出10片矩形截面混凝土疊合T梁，其中包括8片預(yù)應(yīng)力混凝土梁（編號(hào)為PPC1～8）和2片普通混凝土對(duì)比梁（編號(hào)為RC1～2）。試件截面高均為300 mm、寬均為200 mm，梁長(zhǎng)均為2 700 mm；混凝土彈性模量為3.0×104N/mm2?？v向受拉鋼筋為抗拉強(qiáng)度210 N/mm2、彈性模量2.1×105N/mm2、泊松比0.3的2φ14 mm鋼筋。粘貼鋼板寬度與梁寬相同，粘結(jié)層彈性模量2.30×104N/mm2。構(gòu)件結(jié)構(gòu)具體見圖2。梁頂和梁底采用2根φ14 mm配筋，并在近梁端1/4跨度處配置φ8@100箍筋，其余段配置φ8@200箍筋。以2×7φ5 mm無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線為預(yù)應(yīng)力筋，分批次張拉；預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力則通過自制壓力傳感器檢測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果見表1。選用厚度為4 mm的Q345C鍍鋅鋼板為加固材料，粘貼長(zhǎng)度為3 600 mm，側(cè)面粘貼鋼板高為梁體的2/3；采用MS-201結(jié)構(gòu)膠。由于梁底鋼板和梁側(cè)鋼板無(wú)附加連接措施，故應(yīng)嚴(yán)格按照《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGT522—2019）展開螺栓錨固及加固施工。所使用鋼材及混凝土材料的性能檢測(cè)結(jié)果見表2和表3。

圖2 構(gòu)件尺寸圖（單位：mm）

表1 預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 鋼材性能檢測(cè)結(jié)果

表3 混凝土材料性能檢測(cè)結(jié)果

1.2.2 加載方案

試驗(yàn)開始后，使梁跨中始終處于彎曲狀態(tài)，通過MTS電液伺服加載系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件實(shí)施兩點(diǎn)加載[2]；試驗(yàn)期間，將1個(gè)滑動(dòng)鉸和1個(gè)固定鉸分別置于梁兩端，以模擬邊界條件。

由MTS電液伺服加載系統(tǒng)按照位移控制實(shí)施加載，為便于捕捉開裂荷載值，將混凝土梁開裂前、開裂后到構(gòu)件屈服前的位移加載級(jí)差分別控制在0.5 mm、1.0 mm，構(gòu)件屈服后位移加載級(jí)差則增大至2.0 mm。

加載開始后依次展開以下三種試驗(yàn)：①對(duì)比梁抗彎承載力試驗(yàn)，主要對(duì)對(duì)比梁不粘貼鋼材加固時(shí)的抗彎性能展開檢測(cè)；②直接加固梁抗彎承載力試驗(yàn)，對(duì)未損傷且直接加固后的梁抗彎性能展開檢測(cè)；③損傷梁加固后加載試驗(yàn)，即先加載至出現(xiàn)一定損傷，卸載、加固后再重復(fù)加載試驗(yàn)，直至梁體破壞。試驗(yàn)過程中，將損傷梁加載至一定荷載水平后展開80次重復(fù)加載，并從裂縫寬、高及梁底普通鋼筋應(yīng)變等角度判斷損傷程度。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 預(yù)應(yīng)力混凝土梁損傷程度

2 試驗(yàn)與有限元結(jié)果分析

應(yīng)用ANSYS有限元軟件展開粘鋼加固前后結(jié)構(gòu)受力計(jì)算?？紤]到橋面板采用現(xiàn)澆疊合方式形成，故僅分析混凝土主梁截面預(yù)制工字梁部分。通過SOLID65、LINK8單元分別展開混凝土和鋼筋結(jié)構(gòu)模擬，并通過SOLID45單元模擬鋼板及結(jié)構(gòu)膠。通過降溫方式施加預(yù)應(yīng)力，并在完成預(yù)應(yīng)力張拉后粘鋼加固。通過有限元模型中裂縫張合過程中剪力系數(shù)及混凝土彈性模量的調(diào)整以模擬試件損傷程度及影響。

2.1 破壞形態(tài)

對(duì)比梁RC1發(fā)生破壞時(shí)裂縫最高達(dá)到梁體高度的5/6，最大寬度達(dá)到7 mm，梁頂混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的延行壓碎破壞特征。對(duì)比梁RC2加固后極限荷載和抗彎剛度均明顯增大，但構(gòu)件延性明顯降低。斜截面因承載力不足而表現(xiàn)出彎剪破壞。加固梁PPC1～2均表現(xiàn)出典型彎曲破壞跡象，前者梁頂混凝土壓碎、梁底鋼筋屈服，后者梁頂混凝土壓碎、梁底鋼筋和鋼板均屈服；但后者粘貼鋼板加固后極限荷載與抗彎剛度均大幅提升，延性降低。

與未損傷加固梁PPC2相比，損傷并粘貼鋼板加固后的預(yù)應(yīng)力混凝土梁PPC3～8延性和極限荷載均有一定程度的提高，粘鋼加固后截面應(yīng)變滿足平截面假定，且表現(xiàn)出基本一致的破壞形態(tài)，即梁底鋼板和鋼筋均出現(xiàn)屈服，承壓混凝土壓碎，梁體變形也明顯減弱。整個(gè)試驗(yàn)過程中，加固梁裂縫均未發(fā)展至側(cè)面鋼板上方，表明粘貼鋼板加固后結(jié)構(gòu)膠已經(jīng)滲透至裂縫內(nèi)部，混凝土梁和鋼板形成組合作用，在提升構(gòu)件整體性和承載力的同時(shí)，起到了較好的封閉裂縫、抑制裂縫發(fā)展作用。

2.2 特征荷載與撓度

結(jié)合試驗(yàn)分析及有限元計(jì)算結(jié)果，預(yù)應(yīng)力混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁各個(gè)階段特征位移及特征荷載具體見表5和表6。表5中延性系數(shù)為極限位移和屈服位移之比。從表中試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出：①采用該文所提出的加固方案進(jìn)行普通混凝土梁處治后，構(gòu)件極限荷載、屈服荷載、抗彎剛度等均大幅提升，但延性與加固前相比表現(xiàn)出不同程度的降低；②破壞發(fā)生后預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力可達(dá)到其自身抗拉強(qiáng)度的40%～66%；③與加固前相比，試驗(yàn)梁加固后極限承載力、屈服荷載、抗彎剛度等均大幅提升，具體而言，極限荷載提升2.1～2.3倍，屈服荷載提升1.7～2.2倍，結(jié)構(gòu)剛度提升2.5～3.1倍。

表5 試驗(yàn)梁和對(duì)比梁特征荷載與變形的對(duì)比

表6 加固梁預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化情況對(duì)比

2.3 梁兩側(cè)粘鋼高度

根據(jù)有限元分析及試驗(yàn)結(jié)果，在鋼板厚度為4 mm時(shí)，隨著梁側(cè)鋼板高度的增大，梁抗彎極限承載力隨之增大，但當(dāng)高出超出10 cm，側(cè)面鋼板高度的增大對(duì)梁體抗彎承載力的影響便持續(xù)減弱。此外，梁測(cè)粘鋼高度對(duì)梁體早期剛度提升的影響也微乎其微，只有當(dāng)高度未超出10 cm時(shí)，梁側(cè)粘鋼才對(duì)梁體后期剛度存在幫助?？梢?，梁側(cè)粘鋼高度對(duì)梁體剛度和抗彎極限承載力均有較為明顯的影響，但并非高度越大越好，應(yīng)將梁側(cè)粘鋼高度控制在梁高的25%，若將錨固高度考慮進(jìn)去，則粘鋼高度應(yīng)控制在梁高的1/3。

2.4 粘貼鋼板厚度

混凝土疊合T梁粘鋼加固設(shè)計(jì)中粘貼鋼板厚度是關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，若鋼板厚度過大，必將影響加固構(gòu)件破壞形態(tài)，引發(fā)加固構(gòu)件早期破壞。結(jié)合試驗(yàn)及模擬結(jié)果，隨著粘鋼厚度的增大，構(gòu)件結(jié)構(gòu)剛度和承載力均呈大幅提高趨勢(shì)，但當(dāng)粘鋼厚度達(dá)到6 mm后，梁側(cè)端部和膠層粘結(jié)的混凝土便開始出現(xiàn)撕裂及早期破壞趨勢(shì)。該混凝土疊合T梁等截面高度均位于1.5 m以上，故應(yīng)將實(shí)橋粘鋼厚度控制在4～6 mm范圍內(nèi)，具體厚度應(yīng)根據(jù)梁體高度、跨度、加固后的荷載等級(jí)等綜合確定。

3 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于不發(fā)生超筋破壞的小半徑曲線互通式立交混凝土疊合T梁而言，采用粘鋼加固和體外預(yù)應(yīng)力加固前，必須通過截面特性潛力挖掘，保證結(jié)構(gòu)提前主動(dòng)參與受力，以提升梁體結(jié)構(gòu)承載力。采用粘鋼加固后，在重復(fù)荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土疊合T梁變形均不超出6%，剛度退化程度均較小，梁體構(gòu)件均表現(xiàn)出較好的形變恢復(fù)性能。分析結(jié)果還顯示，粘鋼加固混凝土疊合T梁能明顯提高預(yù)應(yīng)力混凝土梁的剛度和極限承載力，實(shí)橋應(yīng)用中粘貼鋼板厚度和高度必須根據(jù)加固梁高度、跨度及所要達(dá)到的加固荷載等級(jí)予以確定。