組合加固法在鋼筋混凝土T型梁橋中的應(yīng)用

肖勇剛，熊晨

組合加固法在鋼筋混凝土T型梁橋中的應(yīng)用

肖勇剛，熊晨

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

針對(duì)服役期T型梁橋的T梁抗彎承載能力的不足，提出了采用增大截面和體外預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的一種新的組合加固方法。應(yīng)用有限元方法進(jìn)行仿真分析，該組合加固方法與傳統(tǒng)方法相比，安全系數(shù)更高，增強(qiáng)了橋梁橫向聯(lián)系，解決了早期T型梁橋采用體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)在承載能力極限狀態(tài)下可能出現(xiàn)受壓區(qū)高度偏大的問題。

橋梁加固；粘貼鋼板加固法；體外預(yù)應(yīng)力加固法；組合梁加固

在中國(guó)早期修建的鋼筋混凝土橋梁中，許多橋梁由于服役時(shí)間較長(zhǎng)，出現(xiàn)嚴(yán)重病害，需要進(jìn)行加固。橋梁加固一直被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者所關(guān)注。王曉東[1]等人研究了預(yù)應(yīng)力混凝土T形鋼構(gòu)橋加固。牛斌[2]等人通過體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的彎曲試驗(yàn)，研究分析了體外預(yù)應(yīng)力梁的彎曲性能。柯敏勇[3]等人基于粘貼鋼板加固混凝土梁的試驗(yàn)，研究了粘貼鋼板對(duì)混凝土梁的加固效應(yīng)。張宇[4]等人研究分析了粘貼鋼板加固鋼筋混凝土T梁的可靠性。Yu[5]等人通過對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的混凝土T梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究，得出了加固梁彎曲性能。李源[6]等人提出了碳纖維布加固混凝土梁的受彎承載力的計(jì)算方法。李傳習(xí)[7]等人研究了高溫對(duì)CFRP板/鋼界面力學(xué)性能的影響。聶建國(guó)[8]等人提出了一種新的鋼板?凝土組合加固橋梁的方法。危春根[9]等人研究了不同配筋形式對(duì)混凝土梁受彎性能的影響。作者依托實(shí)際工程對(duì)比早期橋梁加固，擬提出一種新的組合加固方法，并通過有限元方法進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證該方法的可行性。

1 組合加固原理

早期鋼筋混凝土T型梁橋因翼緣板比較薄，所以會(huì)出現(xiàn)橋梁承載能力儲(chǔ)備不足的問題。出現(xiàn)該問題若沒有較好方法進(jìn)行及時(shí)加固，若拆掉重建，會(huì)消耗大量的資源，施工期間會(huì)影響通行。因此，作者提出在梁底施加預(yù)應(yīng)力碳纖維板(carbon fibre reinforced plastics，簡(jiǎn)稱為CFRP)進(jìn)行加固，梁頂澆筑一層混凝土，增加原T梁翼板厚度，使新澆筑的混凝土層與原橋混凝土緊密結(jié)合，增強(qiáng)橋梁橫向聯(lián)系，并且在極限承載力狀態(tài)下原梁仍為第一類截面，提高加固效率和原梁承載力。組合梁正截面抗彎承載力計(jì)算的基本假定：①加固梁極限狀態(tài)下，變形符合平截面假定；②新舊混凝土結(jié)合面粘接牢靠，無相對(duì)滑移；③體外預(yù)應(yīng)力與T梁粘接牢靠，無相對(duì)滑移。

2 組合加固法在T梁橋中的應(yīng)用

2.1 有限元模型建立

K99+850平改立公跨鐵立交橋于1997年9月20日開工，于1998年12月23日竣工投入使用。該橋上部結(jié)構(gòu)為1×20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆T梁。T梁梁高1.5 m，寬1.6 m，橋下界限按預(yù)留京九復(fù)線一股道，電力牽引區(qū)段的橋梁建筑設(shè)計(jì)界限。全橋?qū)?.4 m，橋面橫向布置0.25 m(護(hù)欄)+0.7 m(人行道)+4.5 m(行車道)+0.7 m(人行道)+0.25 m(護(hù)欄)。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用漿砌片石重力式橋臺(tái)，該橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，橋梁橫斷面如圖2所示。

經(jīng)檢測(cè)，該橋跨中處腹板存在多處豎裂、斜裂，縫長(zhǎng)0.9～1.2 m，縫寬0.16～0.22 mm，最大縫寬已經(jīng)超過規(guī)范限值0.20 mm。本次檢算橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑、主梁混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑與間距、主梁橫截面結(jié)構(gòu)尺寸等計(jì)算參數(shù)，主要依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程(JTC T21—2011)》，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行取值，即計(jì)算跨徑取=19.5 m，主梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為250號(hào)(偏安全考慮)，主筋直徑為32 mm。利用Midas有限元軟件和梁格法，建立該橋單梁計(jì)算模型，單梁縱向劃分20個(gè)單元，其計(jì)算模型如圖3所示。

圖1 平改立公跨鐵立交橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：m)

圖2 平改立公跨鐵立交橋橫斷面(單位：m)

圖3 有限元計(jì)算模型

2.2 加固方法分析

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程(JTG/T J21—2011)》的規(guī)定，在汽車?15級(jí)車道荷載作用下，考慮檢算系數(shù)及承載力惡化系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得到抗力值為2 201.6 kN·m，而中梁的跨中極限彎矩效應(yīng)組合值ou=2 204.4 kN·m。表明：跨中抗彎極限承載力不滿足要求，而主梁斜截面抗剪承載能力符合要求，滿足安全儲(chǔ)備。

由計(jì)算結(jié)果可知，該橋的抗彎承載力不滿足使用要求，需對(duì)該橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。對(duì)于簡(jiǎn)支梁橋抗彎能力不足的問題，宜優(yōu)先采用體外預(yù)應(yīng)力加固和增大截面加固橋梁。本試驗(yàn)分別采用粘貼鋼板加固、體外預(yù)應(yīng)力加固的2種早期加固方法和新的組合加固方法進(jìn)行加固。

2.2.1 粘貼鋼板加固法

拉應(yīng)變sp的計(jì)算式為：

式中：cu為混凝土極限壓應(yīng)變；為截面受壓區(qū)矩形應(yīng)力圖高度與實(shí)際受壓區(qū)高度的比值；為原構(gòu)件截面高度；為混凝土受壓區(qū)高度。

混凝土受壓區(qū)高度的計(jì)算式為：

加固構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算式為：

式中：為截面寬度；0為截面有效高度；s為受拉區(qū)普通鋼筋至受拉區(qū)邊緣的距離；s為受壓區(qū)普通鋼筋至受壓區(qū)邊緣的距離。

從該橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果可知，檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度為2.7，橋梁檢算系數(shù)1取1.03，偏安全考慮1取為1.0。再由計(jì)算可得到粘貼鋼板后梁的正截面承載力2 937.9 kN·m>ou1。表明：該方法加固橋梁后，主梁的抗彎承載力滿足檢算要求。

2.2.2 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固T梁，采用2束2φ15.2鋼絞線對(duì)20 m長(zhǎng)度的簡(jiǎn)支T梁進(jìn)行加固。截面面積p為556 mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1 260 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，體外索永存預(yù)應(yīng)力pe為1 089 MPa。

使用體外預(yù)應(yīng)力索加固梁橋時(shí)，加固梁的設(shè)計(jì)彎矩按原梁設(shè)計(jì)彎矩考慮。體外索的極限應(yīng)力為：

式中：e為體外索的有效長(zhǎng)度；p為體外預(yù)應(yīng)力鋼材的安全系數(shù)；p為體外預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)到截面頂點(diǎn)的距離；為截面中性軸到混凝土受壓區(qū)頂面的距離；p為體外預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量。

經(jīng)計(jì)算pu=1 208.4 MPa≤?pd=1 260 MPa。根據(jù)公式，判斷加固后T梁的截面類型：

式中：p為體外預(yù)應(yīng)力筋的截面面積；為受拉區(qū)體外預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋的合力作用點(diǎn)到受拉區(qū)邊緣的距離；s為原梁中普通鋼筋合力作用點(diǎn)至梁頂面的距離；0為體外預(yù)應(yīng)力筋和原梁普通鋼筋的合力作用點(diǎn)至梁頂面的距離。

計(jì)算得到加固后梁的受壓區(qū)高度=534.38 mm，小于相對(duì)受壓高度b0=746.48 mm，大于翼板厚度175 mm。表明：該截面為第二類T型截面。

加固后梁的抗彎承載力為：

由式(10)計(jì)算得，u2為3 152.8 kN·m＞2 304.4 kN·m。表明：使用體外預(yù)應(yīng)力加固后，承載力滿足檢算要求。

2.2.3 組合加固法

本橋使用體外預(yù)應(yīng)力加固方案中，存在使原T梁變?yōu)榈诙惤孛娴膯栴}。當(dāng)體外預(yù)應(yīng)力筋加固效果增大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)受壓區(qū)高度偏大的問題。為解決該問題，提出在梁底施加CFRP加固，梁頂新澆筑一層混凝土，使新澆筑的混凝土層與原橋混凝土緊密結(jié)合，提高原橋承載力，同時(shí)增強(qiáng)橋梁橫向聯(lián)系。鑿除表面舊混凝土層，澆筑5 cm厚的C50混凝土，在距離梁端各0.5 m處的梁底，布置3條18 000 mm×50 mm×2 mm的碳纖維板，施加有效預(yù)應(yīng)力1 200 MPa，加固后梁的截面特性發(fā)生了變化。加固梁的橫截面如圖4所示。

根據(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(JTG 3362—2018)》的規(guī)定，組合梁的彎矩設(shè)計(jì)值按式(11)進(jìn)行計(jì)算：

由式(11)的計(jì)算結(jié)果可知，邊梁跨中截面為荷載效應(yīng)的最大組合值，d=25 09.2 kN·m。加固梁的承載力按式(12)進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，0=1 163 mm，=80.3 mm＜b0，梁的正截面承載力為3 824.5 kN·m＞d。表明：梁的正截面承載力大幅度提高，受壓區(qū)高度減小，梁仍為第一類截面，安全儲(chǔ)備提高。為驗(yàn)證加固效果，采用通用有限元軟件Midas/CIVIL進(jìn)行加固梁模擬，將預(yù)應(yīng)力碳纖維板等效換算成體外預(yù)應(yīng)力鋼束，再建立單梁模型。加固梁在組合荷載下的內(nèi)力如圖5所示。

圖5 加固梁在組合荷載作用下的內(nèi)力(單位：kN·m)

從圖5中可以看出，在組合荷載作用下，加固梁跨中處的最大內(nèi)力為2 511.4 kN·m，與計(jì)算值接近。經(jīng)預(yù)力混凝土(prestressed concrete, 簡(jiǎn)稱為PSC)設(shè)計(jì)，加固梁在使用階段正截面抗彎承載力為3 757.2 kN·m，與計(jì)算值3 824.5 kN·m接近，驗(yàn)證了該方法是有效的。

3 加固方案綜合對(duì)比

3.1 施工工藝

3種加固方案的施工工藝見表3。由表1可知，前2種加固方法施工對(duì)橋上交通影響小，可以不中斷交通或短時(shí)間限制交通。粘貼鋼板加固法施工比較簡(jiǎn)單，體外預(yù)應(yīng)力加固法組成系統(tǒng)復(fù)雜，與粘貼鋼板法相比，雖然施工過程比較繁瑣，但是后期維護(hù)修補(bǔ)方便，可以隨時(shí)更換預(yù)應(yīng)力筋。組合加固法施工雖然影響橋上交通，施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，但是預(yù)應(yīng)力碳纖維板的安裝與橋面混凝土的鋪張可以同時(shí)進(jìn)行，兩者相互獨(dú)立互不影響。

表1 施工工藝對(duì)比表

3.2 正截面承載力

3種加固方法的正截面承載力值見表2。

表2 正截面承載力對(duì)比

由表2可知，3種加固方法的正截面承載力均滿足要求，但組合加固法安全系數(shù)更高。

3.3 材料利用率

材料利用率是指加固前、后梁承載力的差值與所用材料質(zhì)量的比值，見表3。

由表3可知，體外預(yù)應(yīng)力加固法的材料利用率最高，達(dá)到了13.33 kN·m。而組合加固法中使用了較多的混凝土，導(dǎo)致材料利用率偏低。

表3 材料利用率對(duì)比表

4 結(jié)論

通過對(duì)單跨簡(jiǎn)支T梁橋組合加固與傳統(tǒng)2種橋梁加固方法進(jìn)行對(duì)比分析，得到結(jié)論：

1) 粘貼鋼板加固法是一種被動(dòng)加固方法，在結(jié)構(gòu)正常使用階段作用小，粘貼鋼板被動(dòng)參與工作，雖然在一定程度上提高了梁的承載力，同時(shí)也增加了自重，材料利用率不高，承載力儲(chǔ)備較低，但是其施工工藝簡(jiǎn)單，工期短。

2) 體外預(yù)應(yīng)力加固法是一種主動(dòng)加固方法，對(duì)原梁承載力提升比較明顯，而且自重較小，材料利用率高，但會(huì)使原梁出現(xiàn)受壓區(qū)偏大問題，使T梁處于第二類截面。

3) 組合加固法解決了體外預(yù)應(yīng)力加固在承載能力極限狀態(tài)下受壓區(qū)高度偏大的問題，同時(shí)也增強(qiáng)了T梁間的橫向聯(lián)系，安全儲(chǔ)備也相對(duì)更高。

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Application of combination reinforcement method in reinforced concrete T-beam bridge

XIAO Yong-gang, XIONG Chen

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

To solve the problem of insufficient flexural bearing capacity of T-beam of T-beam bridge in service, a new combined reinforcement method combining enlarging section with external prestressing was proposed. The finite element method was used for simulation analysis. Compared with the traditional method, the composite reinforcement method has satisfactory safety reserve coefficient, and the transverse connection of bridges is strengthened. It solves the problem that the high-pressure area may be too large when the T-beam bridge is strengthened by external prestressing.

bridge reinforcement; sticking steel plate reinforcement; external prestressing reinforcement; composite beam reinforcement

U448.25

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0036 ? 05

2019?12?25

肖勇剛(1964?)，男，長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授。