混凝土疊合T梁粘鋼加固問題研究

饒云睿,鐘有亮

（贛州市睿超建設工程有限公司,江西 贛州 341400）

0 引言

對于上部結構采用預制裝配式梁板結構的互通立交而言，為確保邊梁受力的穩(wěn)定性，通常將預制邊梁翼緣板懸臂寬度的變化量控制在20 cm以內。當互通區(qū)曲線半徑在350 m以上時，應使用30 m或35 mT梁；當曲線半徑位于140～350 m之間時，采用25 mT梁；當曲線半徑在140 m以下時，應將橋梁跨徑控制在16～20 m之間；可以采用預應力混凝土疊合T梁及預應力混凝土矮T梁。

對于曲線半徑在140 m以下的小半徑曲線橋，預應力混凝土矮T梁對橋寬適應性差，當T梁懸臂面臨調整難度時，只能通過增加梁板、增設濕接縫等方式加寬橋面[1]，導致橋面超出護欄。而采用工廠預制預應力混凝土疊合T梁現場澆筑施工，能徹底避免預應力混凝土矮T梁所存在的弊端，對于小半徑曲線匝道橋十分適用。在維修加固工程中，應用粘貼鋼板方式加固此類橋梁，能改善結構受力，提升橋梁運行的安全性和穩(wěn)定性。

1 混凝土疊合T梁粘鋼加固實例

1.1 工程概況

一跨徑3×14.2 m的鋼混疊合梁橋，橋面寬4.83 m（0.15 m護欄+4.53 m行車道+0.15 m護欄），橋面設置10 cm厚的鋼筋混凝土鋪裝層。下部采用重力式橋墩，擴大基礎（如圖1）。該橋梁原為工字梁、現澆橋面板結構設計，在預制工字梁底部共設置8根C25受力鋼筋。驗算結果表明，原設計下工字梁承載力較好，進行粘貼鋼板常規(guī)加固操作后引發(fā)超筋破壞的可能性不大。為此，決定采用粘貼鋼板加固技術，以提升橋梁結構整體性能。

圖1 混凝土疊合T梁橫斷面（單位：cm）

1.2 加固效果試驗

1.2.1 試驗設計

為分析加固后預應力混凝土梁抗彎性能，試驗前共制作出10片矩形截面混凝土疊合T梁，其中包括8片預應力混凝土梁（編號為PPC1～8）和2片普通混凝土對比梁（編號為RC1～2）。試件截面高均為300 mm、寬均為200 mm，梁長均為2 700 mm；混凝土彈性模量為3.0×104N/mm2。縱向受拉鋼筋為抗拉強度210 N/mm2、彈性模量2.1×105N/mm2、泊松比0.3的2φ14 mm鋼筋。粘貼鋼板寬度與梁寬相同，粘結層彈性模量2.30×104N/mm2。構件結構具體見圖2。梁頂和梁底采用2根φ14 mm配筋，并在近梁端1/4跨度處配置φ8@100箍筋，其余段配置φ8@200箍筋。以2×7φ5 mm無黏結預應力鋼絞線為預應力筋，分批次張拉；預應力筋內力則通過自制壓力傳感器檢測，實測結果見表1。選用厚度為4 mm的Q345C鍍鋅鋼板為加固材料，粘貼長度為3 600 mm，側面粘貼鋼板高為梁體的2/3；采用MS-201結構膠。由于梁底鋼板和梁側鋼板無附加連接措施，故應嚴格按照《公路橋梁加固設計規(guī)范》（JTGT522—2019）展開螺栓錨固及加固施工。所使用鋼材及混凝土材料的性能檢測結果見表2和表3。

圖2 構件尺寸圖（單位：mm）

表1 預應力筋內力實測結果

表2 鋼材性能檢測結果

表3 混凝土材料性能檢測結果

1.2.2 加載方案

試驗開始后，使梁跨中始終處于彎曲狀態(tài)，通過MTS電液伺服加載系統(tǒng)對構件實施兩點加載[2]；試驗期間，將1個滑動鉸和1個固定鉸分別置于梁兩端，以模擬邊界條件。

由MTS電液伺服加載系統(tǒng)按照位移控制實施加載，為便于捕捉開裂荷載值，將混凝土梁開裂前、開裂后到構件屈服前的位移加載級差分別控制在0.5 mm、1.0 mm，構件屈服后位移加載級差則增大至2.0 mm。

加載開始后依次展開以下三種試驗：①對比梁抗彎承載力試驗，主要對對比梁不粘貼鋼材加固時的抗彎性能展開檢測；②直接加固梁抗彎承載力試驗，對未損傷且直接加固后的梁抗彎性能展開檢測；③損傷梁加固后加載試驗，即先加載至出現一定損傷，卸載、加固后再重復加載試驗，直至梁體破壞。試驗過程中，將損傷梁加載至一定荷載水平后展開80次重復加載，并從裂縫寬、高及梁底普通鋼筋應變等角度判斷損傷程度。試驗結果見表4。

表4 預應力混凝土梁損傷程度

2 試驗與有限元結果分析

應用ANSYS有限元軟件展開粘鋼加固前后結構受力計算。考慮到橋面板采用現澆疊合方式形成，故僅分析混凝土主梁截面預制工字梁部分。通過SOLID65、LINK8單元分別展開混凝土和鋼筋結構模擬，并通過SOLID45單元模擬鋼板及結構膠。通過降溫方式施加預應力，并在完成預應力張拉后粘鋼加固。通過有限元模型中裂縫張合過程中剪力系數及混凝土彈性模量的調整以模擬試件損傷程度及影響。

2.1 破壞形態(tài)

對比梁RC1發(fā)生破壞時裂縫最高達到梁體高度的5/6，最大寬度達到7 mm，梁頂混凝土結構表現出明顯的延行壓碎破壞特征。對比梁RC2加固后極限荷載和抗彎剛度均明顯增大，但構件延性明顯降低。斜截面因承載力不足而表現出彎剪破壞。加固梁PPC1～2均表現出典型彎曲破壞跡象，前者梁頂混凝土壓碎、梁底鋼筋屈服，后者梁頂混凝土壓碎、梁底鋼筋和鋼板均屈服；但后者粘貼鋼板加固后極限荷載與抗彎剛度均大幅提升，延性降低。

與未損傷加固梁PPC2相比，損傷并粘貼鋼板加固后的預應力混凝土梁PPC3～8延性和極限荷載均有一定程度的提高，粘鋼加固后截面應變滿足平截面假定，且表現出基本一致的破壞形態(tài)，即梁底鋼板和鋼筋均出現屈服，承壓混凝土壓碎，梁體變形也明顯減弱。整個試驗過程中，加固梁裂縫均未發(fā)展至側面鋼板上方，表明粘貼鋼板加固后結構膠已經滲透至裂縫內部，混凝土梁和鋼板形成組合作用，在提升構件整體性和承載力的同時，起到了較好的封閉裂縫、抑制裂縫發(fā)展作用。

2.2 特征荷載與撓度

結合試驗分析及有限元計算結果，預應力混凝土梁和普通鋼筋混凝土梁各個階段特征位移及特征荷載具體見表5和表6。表5中延性系數為極限位移和屈服位移之比。從表中試驗結果的對比可以看出：①采用該文所提出的加固方案進行普通混凝土梁處治后，構件極限荷載、屈服荷載、抗彎剛度等均大幅提升，但延性與加固前相比表現出不同程度的降低；②破壞發(fā)生后預應力筋極限應力可達到其自身抗拉強度的40%～66%；③與加固前相比，試驗梁加固后極限承載力、屈服荷載、抗彎剛度等均大幅提升，具體而言，極限荷載提升2.1～2.3倍，屈服荷載提升1.7～2.2倍，結構剛度提升2.5～3.1倍。

表5 試驗梁和對比梁特征荷載與變形的對比

表6 加固梁預應力筋應力變化情況對比

2.3 梁兩側粘鋼高度

根據有限元分析及試驗結果，在鋼板厚度為4 mm時，隨著梁側鋼板高度的增大，梁抗彎極限承載力隨之增大，但當高出超出10 cm，側面鋼板高度的增大對梁體抗彎承載力的影響便持續(xù)減弱。此外，梁測粘鋼高度對梁體早期剛度提升的影響也微乎其微，只有當高度未超出10 cm時，梁側粘鋼才對梁體后期剛度存在幫助。可見，梁側粘鋼高度對梁體剛度和抗彎極限承載力均有較為明顯的影響，但并非高度越大越好，應將梁側粘鋼高度控制在梁高的25%，若將錨固高度考慮進去，則粘鋼高度應控制在梁高的1/3。

2.4 粘貼鋼板厚度

混凝土疊合T梁粘鋼加固設計中粘貼鋼板厚度是關鍵設計要素，若鋼板厚度過大，必將影響加固構件破壞形態(tài)，引發(fā)加固構件早期破壞。結合試驗及模擬結果，隨著粘鋼厚度的增大，構件結構剛度和承載力均呈大幅提高趨勢，但當粘鋼厚度達到6 mm后，梁側端部和膠層粘結的混凝土便開始出現撕裂及早期破壞趨勢。該混凝土疊合T梁等截面高度均位于1.5 m以上，故應將實橋粘鋼厚度控制在4～6 mm范圍內，具體厚度應根據梁體高度、跨度、加固后的荷載等級等綜合確定。

3 結論

綜上所述，對于不發(fā)生超筋破壞的小半徑曲線互通式立交混凝土疊合T梁而言，采用粘鋼加固和體外預應力加固前，必須通過截面特性潛力挖掘，保證結構提前主動參與受力，以提升梁體結構承載力。采用粘鋼加固后，在重復荷載作用下，預應力混凝土疊合T梁變形均不超出6%，剛度退化程度均較小，梁體構件均表現出較好的形變恢復性能。分析結果還顯示，粘鋼加固混凝土疊合T梁能明顯提高預應力混凝土梁的剛度和極限承載力，實橋應用中粘貼鋼板厚度和高度必須根據加固梁高度、跨度及所要達到的加固荷載等級予以確定。