某預應力混凝土T 型剛構橋病害分析與處治對策研究

熊 杰

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

T 型剛構橋具有受力明確，外形美觀、施工快捷、墩梁之間無需設置大噸位支座的特點[1]，且為靜定結構體系，墩臺沉降不產生結構次內力，是我國20 世紀建造數量較多的一種橋型。隨著幾十年的通車運營，國內T 型剛構橋普遍暴露出一些問題：橋面伸縮縫多，橋面平順度差，行車舒適性差；橋梁縱向線形不良，T 構懸臂端部下撓較大；牛腿部位構造復雜，普遍存在裂縫等病害；梁體裂縫等[2-4]。目前，國內采用體外預應力加固是針對T 型剛構橋較為常見的一種方法[5，6]，該方法針對結構嚴重下撓，預應力損失過大等問題處治效果較為明顯，但不能解決牛腿構造引發的系列問題。

連續剛構橋具有橋面伸縮縫少、橋面平順性好、結構整體剛度大等特點，且與T 型剛構橋類似，由于墩梁固結主墩處無需設置構造復雜的大噸位支座，因此，考慮將T 型剛構橋改造為連續剛構橋即可改善由于T 構牛腿引發的系列問題。該加固方法在國內部分T 構橋的維修加固上得到了應用，但針對該方法的研究文獻較少。

基于以上技術背景，結合某帶掛梁T 型剛構橋，采用將原T 構混凝土掛梁替換為鋼箱梁以減輕結構自重，然后將鋼箱梁與原T 構懸臂端采用特定方式進行固結，從而實現將T 構改造為連續剛構的結構形式，對該方法加固橋梁的結構受力特性進行分析，對比橋梁加固前后的結構性能，從理論上論證該方法的可行性與優越性。

1 橋梁概況

某大橋采用三跨帶掛梁T 型剛構橋結構形式，跨徑組合為（29+53+29）m，邊、中跨掛梁長均為5m，橋面全寬8.5m。上部結構主梁采用單箱單室預應力混凝土箱梁，主梁高度在主墩處為3.5m，懸臂端為1.5m，T 構箱梁采用掛籃法施工。掛梁采用鋼筋混凝土箱梁結構形式，梁高1.5m。下部結構主墩采用矩形截面空心墩，橫橋向長4m，順橋向寬2.8m，采用鉆孔灌注樁基礎。橋梁荷載等級為：汽車-20、掛車-100。橋梁立面圖如圖1 所示，斷面圖如圖2 所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：）

圖2 橋梁斷面布置圖

2 橋梁病害分析

通過近年來對橋梁外觀狀況檢查以及橋面線形的跟蹤觀測，發現主要問題如下：

2.1 主梁中跨跨中下撓

該橋中跨范圍縱向軸線的橋面標高小于設計標高，在中跨掛梁位置附近存在明顯下撓趨勢。T 型剛構橋下撓是目前該類橋型較為常見的一種病害，其成因復雜繁多，目前大量的研究成果表明：有效預應力損失、混凝土收縮徐變作用、施工質量等是引起T 構橋下撓的重要因素[7-9]。另外，原橋的設計荷載等級為汽-20，掛-100，建造年代較早，隨著交通量、車輛軸載的不斷提高以及超載現象的時有發生，橋梁長期處于超負荷運營狀態，更加劇了結構下撓及梁體開裂。

2.2 懸臂端牛腿病害

懸臂端牛腿應力集中處產生橫向裂縫，掛梁與T 構懸臂端產生一定程度錯位，橋面系伸縮縫破損嚴重。牛腿與掛梁接觸點可近似看成集中力作用，牛腿應力集中。另外，該橋運營過程中，T 構箱梁懸臂端振動明顯，車輛經過此處沖擊作用較大，更加劇了牛腿病害的發展。

2.3 結構振動大、沖擊作用大

橋梁運營過程中，振動較大，車輛通過牛腿頂部橋面跳車，沖擊作用較大。該橋T 型剛構體系為靜定結構，在恒載以及活載作用下，T 構懸臂端部的撓度比同樣跨徑的連續梁或連續剛構大，結構整體剛度小，在車輛荷載作用下，結構振動幅值較大。結構明顯的振動可能加劇構件的疲勞作用，從而減低構件的強度與穩定性。

2.4 箱梁腹板斜裂縫

箱梁腹板均有一定斜向裂縫，與水平方向夾角35°～50°，裂縫間距為50～100cm，在1/4 跨徑附近較為集中，最大縫寬0.20mm。有效預應力損失、混凝土收縮徐變、超載、施工缺陷等因素同樣也是導致混凝土梁體開裂的重要原因。

3 處治對策分析

由于老橋特殊的結構形式，橋梁上部結構豎向剛度較小，結構振動大，另外橋梁的收縮徐變的影響，中跨下撓嚴重，加劇降低了橋梁使用過程行車舒適性。考慮老橋使用時間較長，橋梁的收縮徐變以及基礎沉降已基本完成，針對提高橋梁結構整體剛度，減小主梁撓度方面著手進行全面有效的處治。

3.1 掛梁更換

原結構掛梁與主梁之間伸縮縫破損嚴重，主梁之間存在錯位，車輛駛過存在較大沖擊，且掛梁牛腿處存在嚴重裂縫病害，從結構安全性與長期性角度考慮，應對其進行改造。掛梁改造采用將其更換為鋼箱梁的方案，一方面，采用鋼箱梁方案可節省現場施工時間，減小橋梁施工對現有交通的影響；另外一方面，將原來跨中5m 掛孔混凝土箱梁拆除，更換為鋼箱梁，可有效減小結構自重，這對結構受力是有利的。

將原結構混凝土掛梁更換為鋼結構箱梁，相當于減小T 構主梁懸臂恒載，可使T 構懸臂段的撓度以及T 構主梁懸臂根部的負彎矩均有效減少，對橋梁結構受力是有一定改善。通過理論計算分析，掛梁更換為鋼箱梁前后在恒載作用下結構的受力變化見表1。

表1 掛梁更換為鋼箱梁前后恒載作用下結構受力變化

3.2 結構體系改造

考慮結構的收縮徐變以及基礎沉降已基本完成，不計收縮徐變以及基礎沉降對結構影響，對結構體系進行改變，增加橋梁結構的整體剛度，具體做法為將原結構混凝土掛梁更換為鋼箱梁后，采用特定的方式將鋼箱梁與T 構懸臂端固結保持鋼混結合部位的變形協調以實現將原T 構改造為連續剛構的結構形式，從而有效提高結構整體剛度。結構改造示意圖如圖3 所示。

圖3 結構改造示意圖

鋼箱梁與混凝土箱梁的連續采用高強錨固螺栓連接以實現鋼混結合部位的變形協調，在鋼箱梁與混凝土連接端部設置隔倉作為鋼混過渡段，另外在鋼混結合部位設置豎向、順橋向錨栓以實現鋼箱梁與混凝土箱梁固結，鋼混連接段示意圖如圖4 所示。

圖4 鋼混結合部位連接示意圖

結構體系改變后，原T 構靜定體系改造為超靜定體系，結構的豎向基頻明顯增大，由原來的1.8Hz增大為3.4Hz，結構體系改變提高了結構整體剛度以及改善結構動力性能。在活載作用下結構墩頂負彎矩及原T 構懸臂端最大撓度均得到較大幅度的改善，通過理論計算分析，結構體系改變前后在活載作用下結構的受力變化見表2。

表2 結構體系改變前后活載作用下結構受力變化

3.3 跨中抗彎加固措施

對于原結構形式，T 構懸臂端在恒載以及后期活載作用下始終承受負彎矩作用，截面下緣未設置預應力鋼束，然而將原T 型剛構改造為連續剛構形式后，在后期活載以及部分恒載作用下，跨中段將產生正彎矩作用，跨中段截面下緣將可能產生拉應力，對于結構受力較為不利，因此，有必要考慮最不利荷載工況組合下對結構可能產生拉應力的區域進行分析以采取有效的加固補強措施。通過理論計算分析，在恒載、活載以及溫度變化作用下，中、邊跨原T 構懸臂端部附近截面下緣將產生拉應力，最大拉應力位置位于原T 構懸臂端部，中跨跨中產生拉應力區域長度為21.0m（含鋼箱梁在內），邊跨產生拉應力區域長度為11.0m（含鋼箱梁在內）。

因此，在中跨以及邊跨對應截面下緣產生拉應力區域箱梁底板內外側粘貼鋼板加固以承擔該區域內拉應力作用。混凝土箱梁底板粘貼鋼板加固示意圖如圖5 所示。

圖5 混凝土箱梁底板粘貼鋼板加固示意圖

4 結論

就某帶掛梁T 型剛構橋改造為連續剛構體系加固方法進行了理論分析，探討了由改變結構體系T 型剛構橋加固方法帶來結構性能變化，主要得出如下結論：

（1）將原T 剛構改造為連續剛構后，在恒載作用下，結構的內力狀態及位移均比改造之前有所減小，由于該橋掛梁長度短，替換為鋼箱梁后，能夠減輕自重，但對結構恒載作用下的內力狀態及位移改善不明顯。

（2）將原T 剛構改造為連續剛構后，在活載作用下，結構的內力狀態及位移均比改造之前得到較大程度減小，這說明，改變結構體系后，結構整體剛度得到較大提升，也就是說，在同樣荷載等級下，改變結構體系后結構的變形和內力比改造之前要小得多。

（3）由于原T 構箱梁截面底板未配置預應力鋼束，改變結構體系之后，在最不利荷載組合作用下，原T 構懸臂端附近截面下緣可能產生拉應力，需在箱梁截面下緣產生拉應力區域底板內外側粘貼鋼板以抵抗此范圍內的拉應力作用。

（4）將原T 剛構改造為連續剛構后，結構動力特性也得到了較大的改善。同時，結構連續，消除了橋面多處伸縮縫，橋面行車舒適性也得到了較大的提升。

綜上所述，采用將T 型剛構橋改造為連續剛構橋的加固方法能夠達到改善結構受力特性，增大橋梁結構整體剛度，減小跨中下撓，提高結構的整體承載性能的加固效果；同時，實現結構連續，可以改善牛腿受力狀態，增強橋面行車舒適性。該方法所采取的措施是合理可行的，取得的效果是明顯的，該維修加固對策可供同類工程借鑒。