某黃河公路大橋50 mT梁體外預應力加固效果研究

楊建兵　楊黎　馮守金

摘要 文章以某河公路大橋50 mT梁加固為工程實例，通過對橋梁病害情況調查、病害成因分析，對加固方案進行比選，對加固思路和要點進行研究論證，最后采用有限元軟件Midas Civil建立加固模型進行受力分析，對加固后承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行驗算。研究表明，通過對50 mT梁進行體外預應力加固措施后，對結構受力改善較為明顯，加固效果較好。

關鍵詞 黃河公路大橋;T梁;體外預應力;加固效果

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0147-03

引言

橋梁在運營服役中由于各種原因，會產生各種結構形式上的病害，為了保證橋梁在設計使用年限中安全運營，橋梁承載能力的恢復和提高已成為重要的研究內容。體外預應力加固屬于一種主動加固方法，可以在一定程度上提高結構承載能力、改善結構抗裂性能，但預應力鋼絞線有效張拉錨固力較大，錨固處構造要求較多，對局部鉆孔植螺栓，構件局部錨固性能要求較高。為保證加固質量達到預期，應對加固效果進行進一步研究。

1 工程概況

某黃河公路大橋于1998年12月開工建設，2001年9月竣工通車。橋梁全長3 010.3 m，共75跨，橋寬18.5 m，南北兩岸連接線總長為15.492 km。設計荷載等級為汽超-20、掛-120。大橋采用20 mT跨徑及50 m跨徑預應力混凝土簡支T梁，跨徑組合為（12×20+13×20+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50+5×50）m，下部結構采用單排雙柱式橋墩，預應力混凝土蓋梁，鉆孔灌注樁基礎。該橋橋面鋪裝層采用瀝青混凝土，支座采用板式橡膠支座，該橋在0#、12#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#墩臺頂設置一道型鋼伸縮縫。連接線工程按平原微丘二級公路標準修建，路基寬18 m，路面寬15 m。

通過定期檢查發現，該橋主要存在以下病害：

（1）T梁翼緣板破損露筋。

（2）橫隔板開裂。

（3）T梁腹板跨中位置處存在斜向裂縫，部分裂縫已延伸至馬蹄部位。

（4）部分支座存在老化開裂。

（5）蓋梁存在銹脹露筋。

（6）橋面鋪裝層存在網裂。

（7）伸縮縫錨固區混凝土開裂、破損。

（8）橋面泄水孔普遍存在堵塞。

根據該橋各部件的檢查情況，該橋總體技術狀況評定為4類橋。根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）及《公路橋涵養護規范》（JTG H11—2004）規定：當結構技術狀況評定等級為4類時，主要構件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能及承載能力，不能保證正常使用。特別對于該橋部分T梁跨中腹板出現斜向裂縫且裂縫已延伸至馬蹄部位，經過初步分析判斷，該橋腹板豎斜向裂縫已非表層裂縫，而是結構受力裂縫，主要是由于構件的抗彎承載能力不足導致。因此，需要對該橋50 mT梁進行加固，以提高其抗彎承載能力，改善梁體的應力狀態。

2 病害成因分析

2.1 T梁腹板裂縫

經結構驗算結果分析，T梁跨中腹板出現斜向裂縫且已延伸至馬蹄部位，主要是因為主梁的抗彎能力不足導致，另外根據T型梁體本身結構的受力特點，截面積較小，抗扭能力較弱[1]。在超重車輛長期的軸載作用下，彎扭作用共同引起的應力值超過了混凝土的容許值，從而引起了跨中腹板的斜向裂縫，隨著腹板開裂，應力重新分配，使已出現的裂縫繼續發展至馬蹄部位。2013年加固后，橋面鋪裝加厚導致恒載加大，橋面由雙向4設計車道數變為雙向6設計車道數，荷載橫向分布系數由邊梁0.599增加為0.698。

2.2 T梁翼板混凝土破損病害

主梁翼緣板混凝土破損，主要是因為橋梁在2013年對翼緣板橫向聯系處進行加固處理期間，對翼緣板增加M16螺栓，施工過程中對翼緣板造成了損傷所致。

2.3 T梁翼板裂縫病害

T梁翼板出現橫向裂縫為受力產生，主要產生原因為車輛超載、混凝土自身徐變等因素[2]。個別部位保護層過薄、箍筋暴露銹蝕、施工中模板位置或鋼筋位置有偏差、混凝土振搗不密實、分層澆注等也是造成該種現象的客觀原因。

2.4 蓋梁銹脹露筋病害

主要原因為混凝土徐變引起的細微裂縫吸收水分和侵蝕性氣體后銹蝕鋼筋，鋼筋銹蝕后膨脹，導致保護層剝落露筋。

2.5 橋面鋪裝病害

橋面橫向裂縫主要發生在橋跨連接處（伸縮縫處除外），主要是由于橋面簡易連續而在支座處梁體不連續，運營過程中活載在墩頂產生負彎矩，加上梁體撓曲變形較大，同時由于汽車荷載以及溫度變化導致鋪裝層產生變形和內力，加速裂縫的產生。

裂縫主要發生在順橋向第4跨左側，共1處。結合現場檢查情況，分析造成該種病害的主要原因為前次鋪筑過程中粗骨料離析后導致粒料攤鋪不均勻，經重型車輛長期碾壓后出現該種病害。

2.6 伸縮縫病害

伸縮縫錨固區混凝土開裂、型鋼變形的原因主要為溫度應力、混凝土收縮徐變以及行車道重型車輛荷載等因素;止水條損壞主要為橡膠條風化所致。

3 加固方案及要點

3.1 加固方案比選

加固方案對比如表1。

3.2 加固思路

（1）先對橋梁原設計狀態和現狀承載能力進行驗算。

（2）針對50 mT 梁因承載能力不足而出現的跨中馬蹄底部受力裂縫病害，采用主動體外預應力加固措施，以提高50 mT 梁的抗彎和抗剪承載能力，改善梁體的應力狀況;根據現狀橋梁承載力驗算結果和病害的嚴重程度，分別采用體外預應力鋼絞線和體外預應力碳纖維板兩種加固措施[3]。加固原則：對主跨跨中馬蹄底部已出現結構性裂縫的梁板和2013年主梁跨中腹板和馬蹄已采用碳纖維布加固的梁板采用體外預應力鋼絞線加固，對檢測中未出現結構性裂縫的其余梁板采用預應力碳纖維板加固。

根據橋梁現狀和承載能力驗算結果以及病害的嚴重程度，經過方案比選，推薦采用體外預應力鋼絞線對T梁進行加固。具體方案為腹板兩側各設置1束體外預應力鋼束，鋼絞線采用環氧涂覆無粘結鋼絞線成品索，每束為6絲直徑15.2 mm鋼絞線，體外預應力鋼束轉向塊及錨固塊采用鋼結構，利用錨栓和注膠粘貼技術錨固在T梁腹板上，錨下控制張拉應力σcon=930 MPa。體外索預應力鋼絞線材料參數見表2所示。

3.3 加固要點

體外預應力鋼絞線加固屬于一種主動加固方法，可以在一定程度上提高結構承載能力、改善結構抗裂性能，但預應力鋼絞線有效張拉錨固力較大，錨固處構造要求較高，須局部鉆孔植螺栓，構件局部錨固性能要求較高[4]。因此在加固實施過程中需要注意以下幾個方面：

（1）錨固塊基座應與加強鋼板四面圍焊連接，并灌注結構膠粘結，加強鋼板粘貼至T梁腹板上，并用錨固緊固。

（2）轉向塊鋼板須粘貼至T梁腹板上，并用錨固緊固。

（3）錨具的錨墊板應按照設計圖紙要求定值，符合現場施工要求。

（4）體外預應力鋼束采用逐跨分級整體對稱張拉的方式，張拉分為50%、80%、100%三級張拉，具體張拉順序為：張拉1#～7#梁至50%→張拉1#～7#梁至80%→張拉1#～7#梁至100%。同時在張拉過程中須對錨固塊、轉向架及周邊的混凝土應力進行觀測及監測，以防止出現混凝土開裂的現象。

（5）裂縫部分跨中馬蹄加固措施，采取沿T梁斷面包夾鋼板的措施進行加固、恢復其使用功能。鋼板采用8 mm厚U型Q345C鋼板，采用粘鋼板的方式與梁體連接。包夾鋼板的縱向覆蓋產生馬蹄網絡的橫隔板節段梁體，縱向長度為6 m。腹板植筋采用8.8級M12錨栓。包夾鋼板加固應在T梁進行體外預應力加固前實施，以保障馬蹄碎裂部分不至壓崩，且馬蹄包夾鋼板要在體外預應力鋼絞線張拉前完成。

4 體外預應力鋼絞線加固受力分析

4.1 計算模型

采用Midas Civil 2019有限元分析軟件建立加固模型。計算相對濕度80%，升降溫差考慮20 ℃;不考慮不均勻沉降。施工階段劃分按照該橋梁實際施工工序，即預制安裝（10天）為第一步，現澆濕接頭和張拉負區束（10天）為第二步，鋪裝橋面及設備（30天）為第三步，完工，使用階段，建立從施工階段到成橋階段的模型。

4.2 承載能力極限狀態驗算

4.2.1 正截面抗彎承載力驗算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）中運營階段三種組合對50 mT梁跨中正截面抗彎承載能力進行驗算，驗算結果如表3所示。

4.2.2 斜截面抗剪承載力驗算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）中運營階段三種組合對50 mT梁控制截面斜截面抗剪承載能力進行驗算，驗算結果如表4所示。

4.3 正常使用極限狀態驗算

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）中規定，按正常使用極限狀態設計時，預應力作為荷載計算其效應，截面正應力驗算結果如表5所示。

5 結論

通過對體外預應力加固后50 mT梁的抗彎強度和抗剪強度、正應力和主應力的驗算，其無論在極限承載能力的抗彎承載力和抗剪承載力，還是在正常使用極限狀態的正應力和主應力均能滿足規范要求。通過加固改造，50 mT梁能夠滿足規范的要求，達到了加固改造的目標。具體結論如下：

（1）50 mT梁在體外預應力加固后，在最不利荷載組合作用下，結構承受的最大彎矩小于結構抗力，且具有一定程度的安全儲備，正截面抗彎承載能力、斜截面抗剪承載力均滿足規范的要求。

（2）50 mT梁在體外預應力加固后，在各荷載組合作用下，跨中下緣截面全部呈現壓應力狀態，并未出現拉應力，滿足規范要求。同時，各梁的最大壓應力值均小于規范的限值。

參考文獻

[1]公路橋梁加固設計規范： JTG/T J22—2008[S]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[2]公路橋梁加固施工技術規范： JTG/T J23—2008[S]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[3]公路橋梁承載能力檢測評定規程： JTG/T J21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[4]李光俊. 體外預應力技術在舊橋加固中的應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2010.

收稿日期：2022-01-14

作者簡介：楊建兵（1974—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路橋梁。