預應力混凝土T梁橋體外預應力加固與試驗分析

顏鵬飛

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

1 引 言

預應力混凝土T梁由于便于標準化預制、工業化架設，在我國公路中小跨徑橋梁中使用非常多，單跨跨徑小于50 m的橋梁廣泛采用該種橋型。早期建設的預應力混凝土T梁橋，由于交通量以及交通荷載的不斷提升，長期以來橋梁養護不及時，橋梁病害不斷累積且病害程度日益嚴重，最終導致橋梁承載能力不足，成為危橋，對橋梁行車安全造成威脅。體外預應力加固法作為一種主動加固方法，具有結構截面尺寸小、自重輕、預應力摩擦損失小、施工工期短等顯著特點，在橋梁加固中廣泛推廣采用。

2 橋梁概況

S213線開封黃河公路大橋上部構造采用20 m、50 m預應力混凝土簡支T梁。50 m T梁梁高2.6 m，腹板厚18 cm，馬蹄底寬50 cm，每跨橫向設置7片梁，梁間距2.5 m，縱向設6道中橫隔板和2道端橫隔板。橋面全寬為18.5 m，原設計橫向布置為2.8 m(人行道)+0.6 m(分隔帶)+11.7 m(行車道)+0.6 m(分隔帶)+2.8 m(人行道)。大橋設計荷載等級為：汽-超20級、掛-120級，人群3.5 kN/m2，于1989年底建成通車。

在歷年的運營養護過程中，相繼實施了拆除人行道與機動車道隔離帶，橋面鋪裝改造加鋪等措施，經過改造后的現狀橋面橫向布置為0.5 m(護欄)+17.5 m(行車道)+0.5 m(護欄)，現狀橋梁典型斷面布置如圖1所示。

圖1 現狀橋梁典型斷面布置圖(單位：cm)

在近年來的橋梁定期檢查中發現，50 m T梁橋腹板普遍存在大量斜向裂縫和豎向裂縫，均呈現典型的結構性裂縫特征，且個別橋跨邊梁與次邊梁裂縫病害程度迅速發展，跨中位置出現嚴重的開裂現象，橋梁技術狀況評定為4類橋，危害橋梁運營安全。

3 橋梁病害分析

(1)從裂縫分布特征來看，跨中附近豎向裂縫為典型的彎曲受力裂縫，產生的原因為跨中位置正截面拉應力超過混凝土極限拉應力；四分點附近斜向裂縫為典型的彎剪型受力裂縫，產生的原因為梁體彎剪區段的主拉應力超過混凝土極限拉應力。

(2)對比橋梁原設計狀態，現狀橋面行車道寬度較原設計狀態寬，且橋面鋪裝進行了加鋪，現狀梁體的恒、活載效應均有所增大，對梁體受力會產生一定的不利影響。

(3)根據現場調查，本橋在沒有設置限高架之前，實際車流量較大且在不斷增長。其中特大型貨車無論從數量或總噸位上占比極高，同時貨車超載超限情況嚴重，橋梁承受的實際活載遠超過了設計荷載，橋梁處于超負荷運營狀態，導致梁體出現了大量的腹板豎向裂縫以及斜向裂縫。

4 橋梁加固方案

4.1 加固方案

基于以上橋梁病害分析，針對50 m T梁因承載能力不足而出現的腹板受力裂縫病害，采用主動加固措施體外預應力進行加固，以提高50 m T梁的抗彎和抗剪承載能力，使梁體承載能力滿足規范要求，并具有適當的安全儲備。

體外束采用折線型布置形式，在腹板兩側各設置1束體外預應力束，體外束轉向塊及錨固塊均采用鋼結構，利用錨栓和注膠粘貼技術錨固在T梁腹板上。鋼絞線采用環氧涂覆無粘結鋼絞線成品索，每束6-φs15.2 mm，標準強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，錨下控制張拉應力σcon=0.50fpk=930 MPa。

4.2 理論分析

對T梁的結構分析采用橫向分布系數法，按現狀考慮橋面車道布置，采用剛接板法計算各梁跨中的活載橫向分布系數，采用杠桿法計算各梁支點的活載橫向分布系數。通過midas Civil2019建立50 m T梁單梁模型，結構有限元模型如圖2所示。

圖2 50 m T梁單梁有限模型

通過對T梁原設計狀態、現狀以及體外預應力加固后結構承載能力進行計算分析，結果如表1所示。

表1 50 m T梁承載能力理論分析結果表

(1)通過現狀與原設計狀態承載能力對比，拆除原設計橋面人行道與機動車道分隔帶后，T梁最不利彎矩效應明顯提升，最大提升幅度達16.9%，造成現狀結構承載能力不足。

(2)通過加固后與現狀承載能力對比，結構抗彎承載能力得以有效提升，采用體外預應力加固后，結構承載能力最小安全系數達1.05，具有一定程度的安全儲備。

5 加固前后試驗分析

5.1 試驗方案

為了驗證體外預應力的加固效果以及對結構承載能力進行評定，選取50 m T梁試驗跨對其加固前后采用相同的試驗方案進行加載分析。根據該橋的結構受力特點，選取跨中最大彎矩截面作為控制截面，擬定跨中最大正彎矩及撓度中載與偏載兩個試驗工況，各工況試驗內容如表2所示。

表2 各工況試驗內容表

5.2 撓度分析結果

在跨中截面最大彎矩及撓度工況滿載作用下，分別測試跨中截面各片T梁彈性撓度，將采用體外預應力前后T梁實測彈性撓度與理論計算撓度進行對比，如圖3～圖4所示。

圖3 工況一加固前后實測撓度與理論值對比圖

圖4 工況二加固前后實測撓度與理論值對比圖

通過理論計算與加固前后T梁實測撓度對比分析，T梁的撓度變化具有以下特點：

(1)加固前后各T梁的撓度橫向分布特性基本相同，實測彈性撓度值均小于理論計算值，說明T梁截面剛度能夠滿足設計要求。

(2)加固后T梁各測點實測彈性撓度均比加固前顯著減小，各主要撓度測點最大減小幅度達35%，加固后T梁抗彎剛度得到較大幅度提高。

5.3 應變分析結果

在跨中截面最大彎矩及撓度工況滿載作用下，分別測試跨中截面各片T梁梁底彈性應變，將采用體外預應力前后T梁實測彈性應變與理論計算應變進行對比，如圖5～圖6所示。

圖5 工況一加固前后實測應變與理論值對比圖

圖6 工況二加固前后實測應變與理論值對比圖

通過理論計算與加固前后T梁實測應變對比分析，T梁的應變變化具有以下特點：

(1)加固前后各T梁的應變橫向分布特性基本相同，加固前T梁各主要測點實測彈性應變均接近理論計算值，且個別測點實測應變超出理論值，說明加固前T梁結構強度不足。

(2)加固后T梁各測點實測彈性應變均比加固前顯著減小，各主要測點最大減小幅度達52%，加固后T梁各測點實測彈性應變均小于理論計算值，且存在一定的富余度，說明采用體外預應力加固后，T梁承載能力得到顯著提高。

6 結 論

對50 m預應力混凝土T梁裂縫病害分析，提出采用折線型體外預應力加固方案，進行加固前后理論分析計算，并對其加固前后進行試驗加載對比分析，主要得出如下結論：

(1)理論計算與試驗加載分析結果表明，加固前T梁的實際承載能力不能滿足現狀橋梁設計荷載等級要求，結構承載不足以及橋梁長期超載是造成腹板裂縫的主要原因。

(2)通過體外預應力加固前后T梁的實測撓度與應變對比，加固后T梁的實測彈性撓度與應變均明顯小于加固前，體外預應力加固對改善結構整體剛度與結構強度具有顯著效果。

(3)通過施加體外預應力加固后，S213線開封黃河公路大橋50 m跨徑簡支預應力混凝土T梁能夠滿足設計荷載等級要求，承載能力得到顯著提高，并具有一定的安全富余度，可供類似項目借鑒參考。