體外預應力技術在橋梁T梁加固中的應用

摘要：通過對某橋梁工程進行檢查，發現橋梁存在各種病害，針對病害產生的原因進行了總結，對此提出了在橋梁T梁加固方案，通過方案比選，最終決定采用體外預應力技術對橋梁T梁進行加固處理。結果表明：加固后T梁的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；各梁的最大壓應力值均小于規范的限值。此體外預應力技術在橋梁T梁加固中的應用效果顯著，值得在類型項目中推廣和應用。

關鍵詞：T梁；體外預應力技術；橋梁；加固

0" "引言

橋梁在運營服役中由于各種各樣原因，會產生各種病害，為了保證橋梁在計劃年限中安全運營，需要采取一定措施，恢復和提高橋梁承載能力。體外預應力加固屬于一種主動加固方法，可在一定程度上提高結構承載能力、改善結構抗裂性能。預應力鋼絞線有效張拉錨固力較大，對錨固處構造要求較多，而且對局部鉆孔植螺栓、構件局部錨固性能要求較高，為保證加固質量達到預期效果，應對加固效果進行進一步研究。

1" "工程概況

某橋梁工程于1997年9月開工建設，于2000年10月竣工通車，該橋梁工程全長2990.5m，橋面寬為18.5m，共有75跨，東西兩岸連接線的總長為14.503km。大橋采用20m跨徑及50m跨徑預應力混凝土簡支T梁。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18m，路面寬15m。

通過定期檢查發現，該橋主要存在以下病害：T梁翼緣板破損露筋，橫隔板開裂；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；部分支座存在老化開裂；蓋梁存在銹脹露筋；橋面鋪裝層存在網裂；伸縮縫錨固區混凝土開裂、破損；橋面泄水孔普遍存在堵塞。

根據該橋各部件的檢查情況，根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/TH21—2011）及《公路橋涵養護規范》（JTG 5120—2021）中的要求，將該橋梁工程的技術狀況等級評定為4級。主要橋梁構件出現了較為嚴重的損壞，影響到了橋梁結構的正常使用，特別該橋部分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，由于構件的抗彎承載能力不足，導致該橋腹板豎出現斜向裂縫（屬于結構受力裂縫）。為了提高其抗彎承載能力，改善梁體的應力狀態，需要對該橋T梁進行加固。

2" "病害成因分析

2.1" " T梁腹板裂縫病害

經驗算，該橋梁工程T梁跨中腹板出現了不少斜向裂縫，并且延伸到了馬蹄所在部位。出現此裂縫的根本原因，在于該主梁出現了承載力不足的情況。同時該橋梁工程T梁還出現了抗扭能力不足、截面積較小等問題。在超載車輛的作用下，T梁所承受的應力值將超過混凝土的容許值，從而引起T梁跨中腹板裂縫的出現。隨著裂縫的不斷發展，其一直延伸到了馬蹄部位。

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，在施工過程中對翼緣板造成了損傷。

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。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，也是造成這種現象的一些客觀原因。

2.4" " 蓋梁銹脹露筋病害

蓋梁銹脹露筋的主要原因，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），主要是因為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，加速了裂縫的產生。

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導致混合料攤鋪不均勻，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。止水條損壞主要是由橡膠條風化所致。

3" "加固方案

3.1" " 加固方案比選

結合該橋梁T梁出現的病害特點以及產生病害的原因，現提出體外預應力鋼絞線和體外預應力碳纖維板加固方案，加固方案對比如表1。

3.2" " 加固方案確定

首先，對橋梁結構的承載力進行驗算，對橋梁結構的病害進行分析，表明該橋梁工程T梁承載力不足的根本原因，是由于跨中裂縫和馬蹄底部裂縫病害的出現，導致承載力下降。鑒于此，采用主動體外預應力加固措施，以提高T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。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。對于沒有嚴重裂縫的梁板，采用碳纖維布加固。

根據該橋梁結構的病害現狀對承載力進行驗算，再經過專家組討論，經過方案比選，最終確定該橋梁工程T梁采用預應力鋼絞線進行加固處理。具體的施工方案如下：在腹板兩側各設置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15.2mm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，錨下控制張拉應力為930MPa。體外索預應力鋼絞線材料參數見表2。

4" "體外預應力加固受力分析

4.1" " 計算模型

采用Midas Civil 2019有限元分析軟件建立加固模型。相對濕度取80%，升降溫差取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，完工使用階段為第四步，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》（JTG3362-2018）中運營階段三種組合，對T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》（JTG3362-2018）中運營階段三種組合，對T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》（JTG3362-2018）中規定，按正常使用極限狀態設計時，將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" "橋梁T梁的體外預應力加固要點

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，對錨固處構造要求較高，因此在加固實施過程中需要注意以下幾個方面：

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。轉向塊鋼板須粘貼至T梁腹板上，并用錨固緊固。錨具的錨墊板應按照設計圖紙要求定值，確保其符合現場施工要求。

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。

裂縫部分跨中馬蹄加固，采取沿T梁斷面包夾鋼板的方式進行加固，使其恢復使用功能。鋼板采用8mm厚U型Q345C鋼板，采用粘鋼板的方式與梁體連接。包夾鋼板縱向覆蓋產生馬蹄網絡的橫隔板節段梁體，縱向長度為6m。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。馬蹄包夾鋼板要在體外預應力鋼絞線張拉前完成。

6" "結論

通過對體外預應力加固后T梁的抗彎強度和抗剪強度、正應力和主應力的驗算，發現無論是極限承載能力的抗彎承載力和抗剪承載力，還是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，T梁能夠滿足規范的要求，達到了加固改造的目標。

T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。T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。

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