簡(jiǎn)支T梁橋橋面縱向裂縫病害治理技術(shù)探討

龍開林

（貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

梁橋工程中，T梁制造工藝簡(jiǎn)單，可規(guī)范、快速預(yù)制，并且受力較好，適用范圍較廣，上部采用簡(jiǎn)支T梁非常普遍[1]。但是早期一些簡(jiǎn)支T梁橋隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路通行量及重型車輛的日益增加，加重了橋梁通行負(fù)擔(dān)。原來的簡(jiǎn)支T梁橋，在服役一段時(shí)期后，橋面鋪裝易產(chǎn)生裂紋等病害，給橋梁安全使用帶來較大隱患。因此，必須考慮長(zhǎng)效的有效處治措施或方法。經(jīng)過對(duì)橋梁檢測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，存在的縱向裂縫集中于濕接縫周圍，此類病害的形成與翼緣板受較大拉應(yīng)力和濕接縫抗剪能力不足直接相關(guān)。常規(guī)處治方式為翻新橋面，但翻新后依然在較短時(shí)間內(nèi)容易出現(xiàn)二次裂縫[2]。該文以某公路服役多年T梁橋?yàn)槔治銎錁蛎婵v向裂縫的成因針對(duì)性地制定有效的處治方案。并利用ANSYS有限元分析軟件論證加固措施的可行性，為早期仍服役橋梁處治該類病害提供一種可行性方法。

1 工程概況

某公路橋梁上部構(gòu)造為簡(jiǎn)支T梁，橋跨組合為7×30 m，橫向5片T梁；設(shè)計(jì)荷載汽車-20，掛車-100級(jí)。T梁翼緣板間濕接縫寬度20 cm，翼緣板通過鋼筋連接，T梁跨中橫斷面見圖1。

圖1 T梁跨中橫斷面

該T梁橋服役以來曾在2016年進(jìn)行加固，并且橋面因裂紋較多，進(jìn)行了翻新。基于最新檢測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，該橋橋面存在較多明顯的縱向裂縫，且仍在快速擴(kuò)展，裂縫分布表現(xiàn)出以下特點(diǎn)[3]：

（1）裂縫增長(zhǎng)速度快，2019—2021年，裂縫從最初的3條增長(zhǎng)至8條。

（2）經(jīng)調(diào)查，裂縫擴(kuò)展和交通情況直接關(guān)聯(lián)，其中左半幅重載車輛較多，裂縫較多。

（3）沿橋向每跨橋面，縱向裂縫較集中于跨中處，橫向裂縫集中于濕接縫處。

（4）邊梁、次邊梁間的濕接縫處的縱向裂縫占比達(dá)85%。

2 病害成因分析

2.1 有限元模型

分析檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該T梁橋橋面縱向裂縫集中于翼緣板濕接縫周圍±0.4 m范圍內(nèi)，根據(jù)鉆孔實(shí)體檢測(cè)可知，產(chǎn)生裂縫的T梁濕接縫鋼筋混凝土厚度較薄，僅有5~11.9 cm，橋面混凝土厚度較多地方不足10 cm，最薄處僅有5.9 cm。因此可基本認(rèn)定縱向裂縫的形成和濕接縫厚度有直接關(guān)聯(lián)。

為確定縱向開裂的成因，采用ANSYS有限元分析軟件建立30 mT梁實(shí)體模型（見圖2）。該橋T梁為簡(jiǎn)支形式，梁端支座處須考慮位移；橋面、梁體共節(jié)點(diǎn)連接。

圖2 一跨橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 T梁加載工況

T梁加載受力主要包括T梁自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力及車輛荷載。考慮受力最不利情況，在順橋梁方向，行車經(jīng)過跨中橫隔板，車輪荷載直接作用于無橫隔板區(qū)域；橫橋方向，考慮3種加載工況，輪壓分別作用于濕接縫上、濕接縫左側(cè)、濕接縫右側(cè)，車輛荷載橫向工況見圖3。

圖3 車輛荷載橫向工況示意圖（單位：cm）

2.3 結(jié)果分析

由于橋面縱向裂縫可能是剪切應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力過大導(dǎo)致的，基于車輛荷載橫向布置計(jì)算結(jié)果可知，邊梁受力對(duì)于裂縫的形成影響最大。

（1）借助ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行實(shí)體建模分析，應(yīng)力分布情況如下：1）若車輪荷載作用于濕接縫上，濕接縫處頂面壓應(yīng)力最大值為7.03 MPa，底部拉應(yīng)力最大值為5.64 MPa；2）若車輪荷載作用于濕接縫邊梁側(cè)，其剪切應(yīng)力最大為1.77 MPa，底部拉應(yīng)力最大為4.79 MPa；3）若車輪荷載作用于濕接縫中梁側(cè)，其剪切應(yīng)力為 1.22 MPa左右，底部拉應(yīng)力為5.75 MPa。

（2）根據(jù)車輪位置不同計(jì)算分析，濕接縫處的橋面橫向拉應(yīng)力最大值約5.75 MPa，已大大超過剪切應(yīng)力最大值1.77 MPa。因此，縱向裂縫的主要成因是濕接縫處橋面混凝土及T梁翼緣板厚度不足，結(jié)構(gòu)剛度較小所致。橋面縱向裂縫與行車位置及荷載密切相關(guān)，分析結(jié)果和實(shí)地調(diào)查，均為左半幅橋面裂縫較多。

3 加固設(shè)計(jì)分析

3.1 加固設(shè)計(jì)

橋面縱向裂縫的主要原因是較薄濕接縫及連接剛度不足。導(dǎo)致濕接縫較薄的原因主要有幾種情況：1）翼緣板厚度設(shè)置偏薄；2）T梁混凝土澆筑時(shí)，施工不當(dāng)，導(dǎo)致偏薄；3）預(yù)應(yīng)力實(shí)施后，梁體中部起拱偏高，為保證橋面鋪裝層厚度，導(dǎo)致濕接縫偏薄；4）翼緣板邊緣未鑿毛，濕接縫連接效果較差。為改善連接剛度，擬采取以下處治措施[4]：

（1）改造濕接縫。為提高T梁翼緣板之間的濕接縫橫向連接強(qiáng)度，對(duì)原較薄濕接縫進(jìn)行清除加厚。首先應(yīng)清理掉濕接縫及左右周邊10 cm區(qū)域內(nèi)的T梁翼緣板混凝土，保留翼緣板原有鋼筋，并進(jìn)行縱橫向鋼筋加強(qiáng)，頂上預(yù)埋?10彎起鋼筋，以便聯(lián)結(jié)橋面鋼筋；采用C50微膨脹細(xì)石混凝土現(xiàn)澆濕接縫。濕接縫加固尺寸見圖4。

圖4 濕接縫改造示意圖

（2）增加預(yù)應(yīng)力橫梁加固，以提升該橋T梁翼緣板、橋面局部剛度及橫向整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在翼緣板底部每隔兩個(gè)橫隔板中間設(shè)置一個(gè)橫梁，以植筋結(jié)構(gòu)連接主梁腹板和翼緣板；每跨共設(shè)四道橫梁，橫向貫穿5片T梁，在兩邊外側(cè)梁翼緣板下設(shè)置張拉錨固端；橫梁在腹板處高30 cm，整體寬100 cm；每道橫梁設(shè)3束預(yù)應(yīng)力，每束預(yù)應(yīng)力設(shè)2根高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，?pk=1 860 MPa，在腹板處鉆孔通過；鋼絞線張拉應(yīng)力為0.7?pk=1 302 MPa。預(yù)應(yīng)力橫梁加固示意圖見圖5。

圖5 預(yù)應(yīng)力橫梁加固示意圖

（3）橋面翻新，增加橋面混凝土強(qiáng)度及橋面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；強(qiáng)化翼緣板頂部連接。清除現(xiàn)有橋面鋪裝層，同時(shí)在橋面加鋪孔距10 cm×10 cm ?8鋼筋網(wǎng)；將現(xiàn)有橋面鋪裝厚度增加3 cm，改造后的厚度達(dá)到9~15.9 cm；橋面采用強(qiáng)度等級(jí)C50的微膨脹鋼纖維混凝土現(xiàn)澆[5]。

3.2 加固效果

根據(jù)上述三方面綜合處治措施后建立實(shí)體模型，計(jì)算分析處治措施的實(shí)際效果。

（1）利用ANSYS有限元分析軟件建立實(shí)體模型，計(jì)算加固后橋面鋪裝底面及T梁翼緣底面的應(yīng)力分布。依據(jù)應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)論數(shù)據(jù)可知:在行車載荷影響下，橋面拉應(yīng)力主要分布于濕接縫處；T梁拉應(yīng)力主要分布于濕接縫底部。

（2）根據(jù)ANSYS有限元仿真結(jié)果，經(jīng)過處治后的橋面結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化見表1。

（3）分析表1的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算值可知：

表1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算值

1）處治后的結(jié)構(gòu)濕接縫位置的橋面鋪裝拉應(yīng)力最大僅為0.04 MPa，T梁腹板處橋面拉應(yīng)力從0.96 MPa減少至0.44 MPa；

2）處治后的車輪處翼緣板底部拉應(yīng)力從1.51 MPa減少至0.33 MPa，腹板處翼緣板頂面的拉應(yīng)力從0.51 MPa減少至0.15 MPa，由此可見，上述處治措施可顯著提升T梁整體剛度，降低T梁整體應(yīng)力；

3）濕接縫經(jīng)過改造后，濕接縫處T梁翼緣板所受彎矩由濕接縫承受，再通過增設(shè)小橫梁和橋面翻新措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，將濕接縫處的拉應(yīng)力由最大5.75 MPa降至0.36 MPa。

（4）在濕接縫無橫隔板區(qū)域采用粘貼高精度振弦式外表應(yīng)變計(jì)進(jìn)行行車狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)平均數(shù)據(jù)見表2。

表2 加固后結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)值

對(duì)比加固后檢測(cè)濕接縫應(yīng)力數(shù)據(jù)與利用ANSYS有限元分析軟件建模計(jì)算數(shù)據(jù)，理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)果兩者比較接近。

通過上述的改造措施，該橋梁采用改造濕接縫、增設(shè)預(yù)應(yīng)力橫梁、橋面翻新的綜合處治措施后，濕接縫處及橋面整體受力情況得到較大改善，橋面、T梁翼緣及濕接縫應(yīng)力明顯減小，T梁整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到顯著提升。

4 結(jié)論

該文通過對(duì)某橋梁實(shí)體檢測(cè)數(shù)據(jù)分析了T梁橋面縱向裂縫的形成原因。簡(jiǎn)支T梁橋梁因翼緣板及濕接縫剛度不足，在車輛長(zhǎng)期作用下，濕接縫處的橋面拉應(yīng)力較大，引發(fā)底緣開裂，并擴(kuò)展至橋面頂層，橋面形成較明顯反射裂縫。利用ANSYS有限元軟件分析后，提出針對(duì)性的處治措施，再利用ANSYS軟件結(jié)合實(shí)體檢測(cè)驗(yàn)證該處治措施的可行性。

由此可知，采取“改造濕接縫、增設(shè)預(yù)應(yīng)力小橫梁、橋面翻新”的綜合處治加固措施，能夠有效提升早期T梁的橫向剛度，改善梁體橫向受力情況，使其受力更均勻。經(jīng)過處治后的橋面鋪裝及T梁翼緣應(yīng)力顯著減少，該類橋梁病害得到明顯的改善。該處治措施應(yīng)用效果良好，具備可行性。