鋼筋混凝土T梁加固后承載能力研究

陳泉杜

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院(廈門(mén))有限公司 福建廈門(mén) 361000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)、省道的公路網(wǎng)需進(jìn)一步完善，并且橋梁的荷載等級(jí)需提高，導(dǎo)致大量的鋼筋混凝土T梁在當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)考慮荷載等級(jí)較低，并且因使用年限久和橋梁病害導(dǎo)致承載能力折減，對(duì)人車(chē)通行安全隱患極大。因此，舊橋的改造并加固是不可避免。通過(guò)對(duì)舊橋的加固，提高原有橋梁的承載能力，延長(zhǎng)使用壽命，保證其能適應(yīng)新荷載等級(jí)的要求，迫在眉睫。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，舊橋加固的常用方法有橋面板加固方法、主梁加固補(bǔ)強(qiáng)方法(增大截面法、配筋加強(qiáng)法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、噴射混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力法等)、復(fù)合材料加固法、SRAP加固方法、植筋加固法等。體外預(yù)應(yīng)力筋加固方法因施工方便、造價(jià)不高等優(yōu)點(diǎn)，目前是提高橋梁承載能力的有效手段之一。本文將依托20m鋼筋混凝簡(jiǎn)支T梁，研討不同荷載等級(jí)作用對(duì)混凝土承載能力的影響，以及體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量、混凝土等級(jí)對(duì)T梁承載能力的影響趨勢(shì)，以助力于以后橋梁加固的推廣應(yīng)用。

1 T梁加固后承載能力分析

體外預(yù)應(yīng)力加固體系由體外預(yù)應(yīng)力筋、錨固塊、轉(zhuǎn)向器、減震器4個(gè)方面組成，布置在舊橋混凝土構(gòu)件的外側(cè)，對(duì)主梁施加體外預(yù)應(yīng)力，以預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力來(lái)部分或者全部抵消部分外部荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，增加主梁的剛度，提高舊橋的極限承載能力，并相應(yīng)減少裂縫。下文擬以某舊橋加固為例，分析其T梁加固后承載能力。

1.1 舊橋工程概況

某舊橋建于1992年，上部結(jié)構(gòu)為12孔20m裝配式鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁，舊橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-20，掛-100，加固后荷載等級(jí)分別考慮公路Ⅱ級(jí)和公路Ⅰ級(jí)。梁高1.5m，肋寬18cm～35cm，翼板厚度15cm～20cm，翼緣寬1.60m(邊梁1.89m)。分幅橫斷面為五梁式，梁肋中間距離2.2m，濕接縫寬0.60m。

主梁采用等級(jí)為C35砼，主筋采用HRB335，直徑為32mm。舊橋橫斷面圖如圖1所示。

圖1 舊橋橫斷面圖

1.2 計(jì)算模型

整體計(jì)算采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas civil，對(duì)該普通鋼筋混凝土T梁進(jìn)行計(jì)算分析。支座與上部結(jié)構(gòu)，采用剛性連接，底部按照簡(jiǎn)支梁布置方式進(jìn)行約束，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型圖

1.3 加固前計(jì)算分析

荷載主要考慮:自重+二期荷載+整體溫度+梯度溫度+移動(dòng)荷載。

舊橋加固前分別計(jì)算4個(gè)工況(汽-20、掛-100、公路Ⅱ級(jí)、公路Ⅰ級(jí))下承載能力。計(jì)算結(jié)果如表1～表3所示。

表1 T梁跨中截面彎矩計(jì)算表 kN·

荷載等級(jí)汽-20掛-100公路-Ⅱ級(jí)公路-Ⅰ級(jí)T梁最大裂縫0.0980.1090.1000.150允許最大裂縫0.200.200.200.20是否滿(mǎn)足要求是是是是

分析結(jié)果：

(1)由表1可知：無(wú)論處在何種工況下，從1#-5#的變化趨勢(shì)一致，1#梁跨中截面彎矩最大。通過(guò)表2分析，對(duì)舊橋進(jìn)行評(píng)估并計(jì)算折減后的承載能力，在原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)作用下能滿(mǎn)足承載力要求，安全儲(chǔ)備可達(dá)1.10；但是，在公路-Ⅰ級(jí)作用下不能滿(mǎn)足承載能力要求，公路-Ⅱ級(jí)作用下安全儲(chǔ)備不高。

(2)由表3可知：該橋的最大裂縫寬度能滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)汽-20級(jí)，掛-100級(jí)，同時(shí)也能滿(mǎn)足現(xiàn)設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路-Ⅱ級(jí)，公路-Ⅰ級(jí)，但是實(shí)際情況調(diào)研，該橋梁底已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，需對(duì)該舊橋進(jìn)行加固處理，以提高承載能力和閉合，減少裂縫產(chǎn)生。

1.4 加固后計(jì)算分析

本加固方案主要是采用主動(dòng)加固法，通過(guò)在主梁腹板兩側(cè)各對(duì)稱(chēng)布置兩束1φs15.20，施加體外預(yù)應(yīng)力，采用兩端張拉方式。

根據(jù)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，汽車(chē)荷載等級(jí)分別取用公路-Ⅱ級(jí)和公路-Ⅰ級(jí)進(jìn)行計(jì)算分析，加固前后結(jié)果如表4所示。

表4 T梁加固前后對(duì)比表

注：表中拉應(yīng)力為負(fù)，壓應(yīng)力為正。

由表4可得：

(1)無(wú)論是在公路-Ⅱ級(jí)還是公路-Ⅰ級(jí)作用下，經(jīng)過(guò)加固的T梁承載能力，提高幅度可達(dá)27%，特別是在公路-Ⅰ級(jí)作用下，加固后承載能力能滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，T梁跨中最大裂縫寬度變小，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)T梁跨中頂?shù)拙壍膽?yīng)力在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用，加固后應(yīng)力減少，跨中頂緣最大壓應(yīng)力減少幅度可達(dá)17.5%，跨中底緣最大拉應(yīng)力減少幅度至少有43.5%。

2 不同設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用下，分別考慮不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量、跨徑變化，通過(guò)單因素分析方法，探討各參數(shù)改變對(duì)加固后T梁承載能力的影響規(guī)律。

2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量對(duì)承載能力影響

本研究?jī)H改變體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量，其他參數(shù)與舊橋設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，分別研究在公路-Ⅱ級(jí)和公路-Ⅰ級(jí)作用下，結(jié)構(gòu)承載能力隨著體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量變化而變化的規(guī)律。在進(jìn)行承載能力分析時(shí)，改變僅為體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量，變化范圍為2束～8束(增量為2束)。

通過(guò)建模分析，研究T梁的最大彎矩、抗彎承載能力和最大裂縫隨體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量變化的變化規(guī)律。圖3和圖4分別繪出了不同鋼絞線(xiàn)數(shù)量的簡(jiǎn)支T梁在各荷載等級(jí)作用下，T梁的最大彎矩、抗彎承載能力和最大裂縫隨鋼絞線(xiàn)數(shù)量變化而變化的趨勢(shì)圖。

圖3 不同荷載等級(jí)T梁最大彎矩隨鋼絞線(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

圖4 不同荷載等級(jí)T梁最大裂縫隨鋼絞線(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

由圖3可知：

(1)無(wú)論T梁在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用下，T梁的抗彎承載能力與鋼絞線(xiàn)的數(shù)量呈線(xiàn)性變化，總體是隨著鋼絞線(xiàn)數(shù)量的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在公路-Ⅰ級(jí)作用下，T梁跨中，最大彎矩隨著鋼絞線(xiàn)數(shù)量的增加變化幅度不大，但彎矩值明顯大于公路-Ⅱ級(jí)作用下的彎矩值。

(2)在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用下，T梁的最大裂縫與鋼絞線(xiàn)的數(shù)量總體上呈線(xiàn)性變化，隨著鋼絞線(xiàn)數(shù)量的增加而呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。在公路-Ⅱ級(jí)作用下，T梁跨中最大裂縫隨著體外預(yù)應(yīng)力數(shù)量增加而下降，幅度與在公路-Ⅰ級(jí)作用下大體一致。

2.2 跨徑變化對(duì)承載能力的影響

本研究通過(guò)改變T梁橋梁長(zhǎng)度、其他參數(shù)與舊橋設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致，分別在公路-Ⅱ級(jí)和公路-Ⅰ級(jí)作用下，分析結(jié)構(gòu)承載能力隨著跨徑變化而變化的影響規(guī)律。在進(jìn)行承載能力分析時(shí)，改變僅為跨徑，根據(jù)早期修建的T梁，以16m、20m、25m跨徑居多，變化范圍考慮這3種跨徑。

通過(guò)建模分析，研究T梁的最大彎矩、抗彎承載能力和最大裂縫隨跨徑變化的變化趨勢(shì)。圖5和圖6分別繪出了不同跨徑的簡(jiǎn)支T梁在各荷載等級(jí)作用下，T梁的最大彎矩、抗彎承載能力和最大裂縫隨跨徑變化而變化的趨勢(shì)圖。

圖5 不同荷載等級(jí)T梁最大彎矩隨跨徑變化趨勢(shì)圖

圖6 不同荷載等級(jí)T梁最大裂縫隨跨徑變化趨勢(shì)圖

由圖6可知：

(1)無(wú)論T梁在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用下，T梁的抗彎承載能力與跨徑變化呈線(xiàn)性變化，總體上隨著跨徑的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；在公路-Ⅰ級(jí)作用下，T梁跨中最大彎矩隨著跨徑的增加而增加，但彎矩值明顯大于公路-Ⅱ級(jí)作用下的彎矩值。

(2)在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用下，T梁的最大裂縫與跨徑變化總體上呈線(xiàn)性變化，隨著跨徑的增加而增加。在公路-Ⅱ級(jí)作用下，T梁跨中最大裂縫隨著跨徑增加而增加幅度，與在公路-Ⅰ級(jí)作用下大體一致。

3 結(jié)論

(1)無(wú)論是在公路-Ⅱ級(jí)還是公路-Ⅰ級(jí)作用下，經(jīng)過(guò)加固的T梁承載能力明顯提高，提高幅度可達(dá)27%；同時(shí)，T梁跨中最大裂縫寬度減少，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)在公路-Ⅱ級(jí)或公路-Ⅰ級(jí)作用下，分別考慮不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括體外預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量、跨徑變化，分析結(jié)果如下：

①T梁的抗彎承載能力與鋼絞線(xiàn)的數(shù)量呈線(xiàn)性變化，總體是隨著鋼絞線(xiàn)數(shù)量的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；結(jié)構(gòu)最大裂縫與鋼絞線(xiàn)的數(shù)量總體上呈線(xiàn)性變化，隨著鋼絞線(xiàn)數(shù)量的增加而呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

②T梁的抗彎承載能力和最大裂縫隨著跨徑的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

(3)本文可為鋼筋混凝土T梁加固提供一定的參考，對(duì)于提高承載能力和延長(zhǎng)使用壽命具有一定的參考價(jià)值。