裝配式T梁負彎矩索加固方法及錨梁優化研究

劉漢彪,胡建華,劉海波

(1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410219；2.湖南省交通水利建設集團有限公司，湖南 長沙 410008)

1 概述

位于路線的平、豎曲線上的裝配式連續T梁結構，當線形指標較低時，施工中容易發生相互對接的梁端預埋負彎矩波紋管在水平和豎直方向上線形不連續，甚至產生彎折或錯開較大，影響負彎矩鋼絞線的穿束施工和預應力張拉效果；在施工過程中由于波紋管的開裂破損和波紋管定位預埋時被電焊灼傷造成波紋管和錨頭堵塞、振搗混凝土時將波紋管軸線振偏、混凝土養生過程中導致的錨頭銹蝕等都會造成鋼絞線不能正常穿孔；同時在張拉位于T梁翼緣下方的負彎矩鋼束，施工作業條件較差，也可能造成預應力張拉達不到設計要求[1-8]。以上任何一項均可造成裝配式T梁負彎矩預應力效果失效。為確保橋梁結構的安全性和耐久性，本文以碾子沖大橋為工程背景，對裝配式T梁負彎矩索進行加固方法研究及錨梁優化研究。

溆懷高速公路碾子沖大橋全長186.16 m，橋跨布置為：6×30 m預應力先簡支后連續T梁，單幅橋寬12.75 m，下部結構采用柱式墩臺配樁基礎。橋梁平面位于R=2 400 m的左偏圓曲線上，縱斷面位于R=8 000 m的豎曲線上。該橋在施工過程中由于上述各種原因存在負彎矩索部分失效的情況，如表1所示。

表1 碾子沖大橋負彎矩索張拉記錄表Table1 Recordofthetensionofnegativemomentcables墩號位置設計股數無鋼絞線股數無夾片或松動股數有效體內束有效率/%1#邊梁2038945中梁200911552#邊梁2047945中梁201910503#邊梁2038945中梁202612604#邊梁20341365中梁202513655#邊梁20351260中梁20271155

2 加固方案

2.1 方案總體設計

碾子沖大橋負彎矩索張拉記錄表顯示，負彎矩索有效率為45%～60%，如果繼續進行橋面現澆層以及附屬施工，橋梁的耐久性與安全性將存在嚴重風險，為此需要對橋梁負彎矩區域進行補強設計。

本文提出了一種采用鋼錨梁對拉體外索加固施工方法，該方法通過在T梁負彎矩齒塊位置澆筑HPG-A無收縮自流密實水泥基高強澆筑料錨塊，在相鄰T梁封錨塊上架設一片鋼錨梁，最后通過墩頂對稱鋼梁錨固張拉體外索進行補強，鋼錨梁與封錨塊之間設置錨梁支座，見圖1～圖3。

圖1 鋼錨梁安裝位置圖(單位：cm)

圖2 鋼錨梁結構設計圖(單位：mm)

圖3 鋼錨梁體外索對拉加固總體布置圖(單位：cm)

錨塊厚30 cm，與齒塊同寬。受施工空間及新老混凝土截面影響，封錨塊采用專業補強修復、免振搗、強度高的HPG-A無收縮自流密實水泥基高強澆筑料灌漿施工。

鋼錨梁采用Ⅱ型截面，錨梁長1 500 mm。翼緣板290 mm×25 mm，腹板270 mm×25 mm。鋼梁采用鍍鋅防護。在翼緣板上設置兩個體外索錨固孔，并在孔兩側設置加勁肋。

體外預應力束穿過連續墩頂處T梁橫隔板，束孔中心距T梁頂板底面19 cm，鋼束采用直束，錨在鋼錨梁上。

體外預應力束鋼鉸線采用單絲環氧涂層防護，其它性能同體內束，股數根據表1與設計值的對比，實行缺多少補多少的缺補相等原則。張拉控制應力1 116 MPa。

錨梁支座采用20 mm厚軟鋁塊或者銅塊。

2.2 方案驗算

a.有限元模型。

鋼錨梁對拉體外索加固方案采用缺補相等的原則進行加固補強。為驗證鋼錨梁對拉體外索加固方法對大橋負彎矩區域的補強效果，利用橋梁博士V3.5有限元軟件，采用平面桿系單元進行T梁結構模擬，建立碾子沖大橋有限元離散模型，進行T梁結構力學性能的驗算，見圖4。

圖4 有限元離散模型

模型邊界：約束正中間橋墩的豎向和水平位移，UZ=UX=0；約束其余6個橋墩的豎向位移，UZ=0。

主梁及其濕接縫采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，混凝土軸心抗壓標準值fck=32.4 MPa，混凝土軸心抗拉標準值ftk=2.65 MPa，容重r=26.0 kN/m3。主梁及負彎矩鋼束采用低松弛高強度鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，張拉控制應力為0.75fpk，彈性模量Ep=1.95×105MPa，松馳系數為0.3[9]。

荷載考慮結構恒載、預應力荷載、混凝土收縮徐變、支座沉降、汽車荷載、溫度荷載，按照邊梁成橋最不利和中梁成橋最不利兩種計算工況，根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)[10]，進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的荷載組合。

b.結構驗算。

根據有限元計算分析，補強加固后的裝配式連續T梁結構驗算結果見圖5～圖8，及表2、表3。

圖5 加固后中梁抗力及最值內力圖(單位：kN·m)

圖6 加固后邊梁抗力及最值內力圖(單位：kN·m)

圖7 加固后邊梁上下緣應力包絡圖(單位：MPa)

圖8 加固后中梁上下緣應力包絡圖(單位：MPa)

表2 加固后抗剪承載力驗算匯總表Table2 ShearbearingcapacityafterreinforcementkN截面截面斜截面抗剪承載力設計值抗剪截面要求邊梁截面最大剪力組合設計值Vd中梁截面最大剪力組合設計值Vd支點截面2434258815821334跨中截面15311305879722

由圖5、圖6和表2可知，通過體外索補強到有效率為100%，碾子沖大橋連續T梁的承載能力滿足設計要求，補強效果明顯。

表3 加固后持久狀態正常使用應力驗算表Table3 Normalservicestresscheckofdurablestateafterre-inforcementMPa截面斜截面混凝土主拉應力混凝土的最大壓應力混凝土主壓應力支點截面1.1412.910.4跨中截面1.1711.99.8限值應力1.85516.219.44

根據圖7、圖8可知，按照A類預應力控制，持久狀態正截面抗裂驗算邊、中梁上下緣最大拉應力為-0.38 MPa,小于1.855 MPa，滿足設計要求。根據表3可知，持久狀態下，斜截面混凝土主拉應力、混凝土的最大壓應力、混凝土主壓應力均小于限值應力，且有較大富余，滿足設計要求。計算表明采用鋼錨梁對拉體外索加固方法結構總體受力滿足設計要求，方案可行。

3 體外索錨固區域空間應力分析

a.有限元模型。

體外索錨固區域結構構造以及受力復雜，特別是該區域橋面板橫橋向的應力狀態，需要建立該區域的實體有限元模型進行錨固區域的局部應力分析，為此采用Midas/Fea有限元軟件進行分析，建立1/4跨橋梁結構，T梁采用實體單元模擬，共劃分單元492 003個，節點96 117個。有限元離散模型如圖9所示。

圖9 體外索錨固區域有限元離散模型

b.邊界和荷載。

1/4跨模型根據實際邊界進行約束，在支座位置采取豎向約束，端部采用對稱約束，跨中采用對稱約束但釋放縱向約束，橫橋向對稱約束。

體外索荷載以等效均布荷載的形式施加在齒塊端面(與鋼錨梁接觸區域)上，見圖10、圖11。

圖10 體外索錨固區域局部模型邊界條件

圖11 體外索錨固區域均布荷載施加圖

c.錨固區域應力分析。

根據圖12、圖13可知，體外索錨固區域橋面板橫橋向由體外索產生的板頂最大拉應力為1.14 MPa，板底最大拉應力為0.83 MPa。

圖12 錨固區域頂板上緣橫向應力(單位：MPa)

圖13 錨固區域頂板下緣橫向應力(單位：MPa)

橫向配筋根據橫向應力積分反算橋面板內彎矩值，進而進行配筋計算。同時應力圖顯示產生橫向拉應力的區域主要集中在1 m寬橋面板內，故通過計算1 m內的彎矩進行配筋。計算寬度截面慣性矩I=0.001 152 m4；等效跨中彎矩M=18 912 N·m；計算得受壓區高度x=0.009 m；計算所需鋼筋面積As=720 mm2；故只需在該位置配置3根直徑18 mm的鋼筋，即可抵消由體外索額外產的橫向應力。

4 鋼錨梁優化設計

a.優化方案。

鋼錨梁采用Ⅱ型截面，主要由上下翼緣板、腹板組成[11]。為輕便施工和合理使用材料，對鋼錨梁進行優化設計，見表4。

表4 鋼錨梁優化設計方案Table4 Optimizationdesignschemeofsteelanchorbeam方案優化措施方案1翼緣25mm;腹板25mm方案2翼緣25mm;腹板20mm方案3上翼緣20mm、下翼緣25mm;腹板20mm

b.有限元模型。

采用Midas/Fea軟件分別建立3種方案鋼錨梁有限元離散模型,見圖14。邊界偏安全采用線約束支座線三向位移，釋放繞約束線的轉動位移。荷載索力通過等效均布荷載形式施加在錨固區域。

圖14 鋼錨梁有限元離散模型

c.優化分析結果。

根據有限元分析計算，3種方案的計算結果見圖15、圖16、表5、表6。

圖15 下翼緣應力標記關鍵點示意圖

圖16 上翼緣應力標記關鍵點示意圖

表5 主壓應力匯總表Table5 Summaryofmaincompressivestress項目不同關鍵點主壓應力/MPaABCDEFG方案1218.0176.5160.6227.2149.7158.9427.6方案2242.0196.4173.3302.8159.6170.9503.8方案3224.0188.7168.5286.9155.8165.3442.1

表6 主拉應力匯總表Table6 Summaryofmaintensilestress項目不同關鍵點主拉應力/MPaABCDEF方案1147.282.161.8156.785.884.3方案2162.288.062.7163.687.491.1方案3174.889.365.3178.893.292.1

由表5、表6可知，上翼緣主拉應力不是主控因素；下翼緣主拉應力為主控因素，加載區域附近存在局部應力集中現象，但是在實際的施工加載過程中，錨固區域上面會墊放鋼板，會緩和一部分的應力集中。考慮到在板厚優化不多的情況下方案1加工最為簡單且受力明顯優于方案2、方案3，同時應力集中區域最大應力也明顯小于其余兩個方案，鋼錨梁選擇方案1尺寸進行加工設計，應力云圖見圖17、圖18。

圖17 鋼錨梁主壓應力應力云圖(單位：MPa)

圖18 鋼錨梁主拉應力應力云圖(單位：MPa)

5 總結

a.針對裝配式T梁負彎矩區域失效的問題，本文依托碾子沖大橋，創新采用鋼錨梁對拉體外索的加固方法，有效地解決了裝配式連續T梁負彎矩索失效的問題。

b.鋼錨梁對拉體外預應力鋼束采用缺多少補多少的原則進行，計算表明T梁整體縱向承載能力及正常使用均滿足設計要求。

c.體外索錨固區域局部應力分析表明橋面板橫橋向板頂最大拉應力為1.14 MPa，板底最大拉應力為0.83 MPa，該局部位置橫向配置3根直徑18 mm的鋼筋，即可抵消由體外索額外產的橫向應力。

d.分析表明下翼緣主拉應力是鋼錨梁結構設計的主控因素。方案1加工最為簡單且受力和應力集中現象也小于其余方案。