考慮局部損傷的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁性能分析與加固設(shè)計

李乾坤，楊子楠

（廣東和立土木工程有限公司 廣州 511400）

0 引言

隨著我國城市道路交通量的迅猛增長，城市中涌現(xiàn)了大量的立交橋來緩解擁堵的交通，提高運(yùn)輸效率，隨著重車運(yùn)輸所占的比重上升，行駛運(yùn)行速度的提高，在各種高架林立的城市道路中汽車撞擊橋梁的事故逐漸增多，對行車安全和社會財產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響［1-3］。因此，進(jìn)行橋梁事故損傷分析和加固設(shè)計對于快速恢復(fù)交通通行具有重要意義［4-5］。本文以某快速路上的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋撞擊事故為背景，對其局部損傷及加固設(shè)計進(jìn)行研究。

1 工程背景

某立交橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁橋，跨徑組合為（9×18+34+18+2×34+14×18）m，其中12#和13#跨上部結(jié)構(gòu)為34 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁，主梁間距2.4 m，梁高2 m，橫向布置10 片梁。設(shè)計荷載為汽車-超20級，掛車-120。

某日凌晨，一輛搭載重型機(jī)械的半掛拖車經(jīng)過該立交橋第13#跨橋下時，由于車輛超高，對全跨梁體造成剮蹭，導(dǎo)致梁體存在不同程度的破損。

2 現(xiàn)場應(yīng)急檢測情況

2.1 外觀檢測

結(jié)合現(xiàn)場檢測情況，13#跨上部結(jié)構(gòu)梁體受車輛撞擊，導(dǎo)致多片T梁出現(xiàn)不同程度破損。13-2#梁受車輛的正面碰撞沖擊損壞較為嚴(yán)重，T 梁馬蹄底部和腹板左右側(cè)面均存在大面積破損露筋、開裂、混凝土脫落現(xiàn)象，破損處出現(xiàn)橫橋向錯位1.5 cm；腹板混凝土出現(xiàn)全斷面斷裂并出現(xiàn)穿孔；T 梁馬蹄遭局部存在波紋管外露、箍筋斷裂；腹板局部存在環(huán)狀裂縫。病害示意圖及現(xiàn)場照片如圖1～圖2所示。

圖1 13#跨梁體破損示意圖Fig.1 Damage Diagram of 13# Span Beam

圖2 13-2#梁體損傷現(xiàn)場Fig.2 Site of 13-2# Beam Damage

2.2 自振特性檢測

現(xiàn)場采用脈動法檢測了該橋12#跨和13#跨的自振頻率和阻尼比。試驗開始溫度為22.0 ℃，結(jié)束溫度為21.2 ℃，采樣頻率為102.4 Hz，頻率分辨率為0.025 Hz，頻率及阻尼比測試結(jié)果如表1所示。

表1 頻率及阻尼比測試結(jié)果Tab.1 Test Results of Frequency and Damping Ratio

根據(jù)自振特性測試結(jié)果的對比分析，13#跨梁體受車輛撞擊后自振頻率明顯小于12#跨，表明13#跨主梁結(jié)構(gòu)整體剛度存在一定程度的退化。

3 主梁力學(xué)性能分析與評估

3.1 模型概況

橋梁加固前需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，以此判斷現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的受力狀況，制定針對性的加固方案，本文依據(jù)實(shí)際損傷情況對T 梁截面、預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行折減，分別采用Midas Civil 和Midas FEA 軟件建立精細(xì)化模型對主梁損傷前后的力學(xué)性能進(jìn)行對比分析，模型如圖3～圖4所示。

圖3 主梁損傷后的梁格有限元模型Fig.3 Numerical Analysis 3D Solid Model

圖4 主梁損傷后的實(shí)體模型Fig.4 Solid Model after Main Beam Damage

3.2 承載能力極限狀態(tài)驗算

對損傷較為嚴(yán)重的13-2#梁分別驗算了損傷前與損傷后承載能力狀況，關(guān)注13-2#梁破損后其他梁片的內(nèi)力變化情況。損傷前與損傷后正截面抗彎、斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果如表2 和表3所示。

表2 正截面抗彎承載力驗算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Bending Bearing Capacity of Normal Section

表3 斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果Tab.3 Calculation Results of shear Bearing Capacity of Inclined Section

由表2 可知，13-2#梁受車輛撞擊破損后各梁內(nèi)力發(fā)生了重分布，13-2#梁內(nèi)力較損傷前減小，13-1#梁與13-3#梁內(nèi)力明顯增大，內(nèi)力重分布后13-2#梁破損區(qū)域、13-1#梁與13-3#梁的正截面抗彎承載力不滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTJ 023—85》［6］要求，其他梁承載力滿足原設(shè)計規(guī)范要求。

3.3 正常使用極限狀態(tài)驗算

13-2#梁損傷后主梁出現(xiàn)應(yīng)力重分布，破損處剩余截面下緣法向壓應(yīng)力為12.19 MPa、主拉應(yīng)力0.7 MPa、下緣主壓應(yīng)力為12.23 MPa 均滿足文獻(xiàn)［6］要求。破損后T梁下緣法向正應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 破損后T梁下緣法向正應(yīng)力云圖Fig.5 Normal Normal Stress Cloud Map of the Lower Edge of the Damaged T-beam （MPa）

4.1 加固原則

針對橋梁病害和損傷模型理論計算，制定合理的加固原則：①加固維持原設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車-超20級、掛車-120；②消除表觀病害，提高結(jié)構(gòu)耐久性；③以計算為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場交通量及施工難度采用“被動+主動”方式進(jìn)行加固，恢復(fù)或提高T 梁承載能力，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全［7-9］。

4.2 裂縫封閉及表觀破損修復(fù)

采用環(huán)氧樹脂膠對腹板破損處裂縫進(jìn)行壓力注膠修補(bǔ)，清理損傷部位的松散混凝土，對受損鋼筋重新焊接，在混凝土和鋼筋表面噴涂阻銹劑，采用I級環(huán)氧類聚合物改性水泥砂漿（破損深度小于3 cm）或高強(qiáng)度I 級環(huán)氧類聚合物改性細(xì)石子混凝土（破損深度超過3 cm）修補(bǔ)馬蹄，使破損處恢復(fù)至原混凝土表面。

4 加固方案

4.3 被動加固措施

對13-2#梁局部破損區(qū)域的梁腹板采用增大截面進(jìn)行加固，對于正截面抗彎承載力不滿足規(guī)范要求的13-1#梁與13-3#梁，在馬蹄底部粘貼鋼板加固，提高抗彎承載能力，如圖6所示。

圖6 被動加固措施構(gòu)造Fig.6 Structure of PassiveReinforcement Measures （cm）

4.4 主動加固措施

通過對13-2#梁腹板增設(shè)縱向體外預(yù)應(yīng)力束，可提高局部外包混凝土的抗裂性能，增加主梁的應(yīng)力儲備，提高結(jié)構(gòu)耐久性［10-11］。體外預(yù)應(yīng)力束通過錨栓固定在T 梁腹板上鋼結(jié)構(gòu)的錨固塊、轉(zhuǎn)向塊、減震器，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的錨固與轉(zhuǎn)向，如圖7～圖8所示。

圖7 體外預(yù)應(yīng)力束斷面布置Fig.7 Cross Section Layout of External Prestressed Tendons （cm）

13-2#梁新增2 束7?15.2 mm 環(huán)氧涂覆無粘結(jié)成品索（由環(huán)氧噴涂鋼絞線+專用油脂+熱擠外層PE 等多層防腐結(jié)構(gòu)組成），標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為930 MPa，兩端張拉，鋼束后續(xù)可調(diào)可換。

5 加固效果計算

5.1 加固前后承載能力對比

對13-1#梁、13-2#梁、13-3#梁加固前后正截面抗彎承載能力進(jìn)行驗算對比，結(jié)果如表4所示。

表4 加固前后抗彎承載力驗算結(jié)果Tab.4 Calculation Results of Bending Bearing Capacity before and after Reinforcement

由表4 可以看出，13-1#梁和13-3#梁底部粘貼鋼板加固后承載能力有了明顯的提升，13-2#梁采取“被動+主動”的加固措施后，抗彎承載能力安全系數(shù)明顯提高，均滿足文獻(xiàn)［6］要求。

5.2 加固后應(yīng)力狀態(tài)

13-2#梁采取“被動+主動”的加固措施后，由于附加預(yù)應(yīng)力的施加，截面應(yīng)力儲備會有不同程度的增加，13-2#梁最大下緣壓應(yīng)力為17.24 MPa，接近17.5 MPa 的限值，即施加的體外預(yù)應(yīng)力已到達(dá)極限，此時體外預(yù)應(yīng)力對2#梁混凝土下緣產(chǎn)生的壓應(yīng)力增幅為2.04 MPa。

汽車荷載在13-2#梁4#～5#橫隔板區(qū)間的應(yīng)力幅約6.24 MPa，因此新修補(bǔ)的混凝土將有最大6.24 MPa 的拉應(yīng)力；體外預(yù)應(yīng)力鋼束對新增混凝土產(chǎn)生2.04 MPa壓應(yīng)力。文獻(xiàn)［6］溫度荷載作用下的截面下緣壓應(yīng)力約0.3 MPa，施加體外預(yù)應(yīng)力后，混凝土約有3.90 MPa的拉應(yīng)力，滿足文獻(xiàn)［6］中50號混凝土裂縫寬度0.1 mm時的容許名義拉應(yīng)力要求。

6 結(jié)語

以某立交橋受車輛撞擊搶險加固工程為背景，對梁體損傷前后的力學(xué)性能和加固方案進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

⑴ 梁體受車輛撞擊后自振頻率明顯小于相鄰跨，表明被撞梁體結(jié)構(gòu)整體剛度存在一定程度的退化。

⑵預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)，同跨單片T梁受撞擊破損后各梁內(nèi)力發(fā)生了重分布，與之相鄰的兩片T 梁內(nèi)力明顯增大，梁體抗彎承載力不滿足原設(shè)計規(guī)范要求。

⑶粘貼鋼板+增大截面被動加固和增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力主動加固相結(jié)合的設(shè)計方案，可有效提高橋梁主梁結(jié)構(gòu)的承載能力，提高結(jié)構(gòu)的剛度，改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，該方法為今后類似橋梁結(jié)構(gòu)搶險加固提供一定的參考。