T梁病害原因分析及加固方案比选*

徐凯燕　钟健聪

(广东交通职业技术学院　广州　510650)

T梁病害原因分析及加固方案比选*

徐凯燕钟健聪

(广东交通职业技术学院广州510650)

摘要：结合实际工程，通过计算分析，对简支T梁桥的病害原因进行了探讨和分析,提出了针对性的处理措施与加固设计方案,并对各方案的加固效率、施工安全、造价等进行了论证，得出了最优方案.解决了桥梁运营的安全问题.

关键词：T梁；病害；原因分析；加固方案

徐凯燕(1975- )：男，博士，副教授，主要研究领域为道路与桥梁工程

T梁充分利用了钢筋的抗拉能力和混凝土的抗压能力，最大限度的减少了受拉混凝土面积，截面设计经济合理.施工多采用预制吊装，施工速度快，吊装重量轻，在中小跨径桥梁中得到了广泛应用.T梁借助设置于跨内的横隔板将数片主梁联成整体，其横向连接性能相对薄弱，一般采用横向分布系数将其简化为单梁进行计算分析.对有损伤的桥梁，可根据实际病害的位置和程度结合遗传算法算出其实际的横向分布系数[1].

早期设计的T梁由于受经济水平及设计理念影响，安全富余不足，经过多年运营，在超载车辆作用下，大部分T 梁都会出现各种病害.本文结合实际的工程案例，就T梁桥病害原因进行了深入的计算分析.对T梁的加固，国内外学者做了大量的研究，主要有被动加固的增大截面法[2]、粘贴钢板法以及主动加固的预应力钢丝绳加固法、预应力碳纤维板加固法[3].本文将对以上各种加固方法进行综合比较并选取最适合实际工程项目的加固方法.

1工程概况

1.1桥梁介绍

某桥建成于1995年，其上部结构由2×20 m钢筋混凝土简支T梁组成.其中钢筋混凝土简支T梁梁高130 cm，板宽160 cm，腹板厚18 cm，采用25号混凝土.全桥横向分为3幅，边幅由7片钢筋混凝土简支T梁、中幅由6片钢筋混凝土简支T梁组成；桥面总宽32.86 m.桥梁设计荷载为汽-20，挂-100.原设计中幅边梁与边幅边梁(7～8#梁间)横向采用桥面连续连接方式，相当于铰接.但现场调查发现，此位置内边梁之间结构完全断开，横向相当于独立的3座桥.连接方式不同会引起横向分布数值相差较大.桥梁横断面见图1.

图1　桥梁横断面图(单位：cm)

1.2桥梁病害情况

根据调查，该桥主要病害包括:(1)内边梁跨中梁底附近腹板存在混凝土崩裂剥落，钢筋锈蚀；(2)内边梁翼缘板混凝土破损脱落严重；(3)内边梁间桥面未按设计设置纵缝,3幅桥桥面间没有联系.

1.3基于现状的桥梁计算结果

对桥梁建立有限元模型，计算分析其受力情况.根据文献[4]，考虑基于检测结果的承载能力检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe、截面折减系数ξc、ξs，计算桥梁基于现状的受力情况.由于三幅桥之间没有横向联系，7，8#梁横向分布系数最大，限于篇幅，本文只列出受力最大的内边梁承载力计算结果,见表1.

表1　内边梁计算结果

通过上述计算结果，可以得出以下结论.

1) 20 m T梁的内边梁抗弯承载能力不满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023-85)(以下称《85规范》)要求，组合I抗剪承载力满足《85规范》，但组合III不满足《85规范》要求.

2) 20 m T梁的内边梁抗剪截面尺寸不满足《85规范》要求.

2病害原因分析

2.1内边梁腹板崩裂露筋原因分析

T梁跨中位置梁底腹板出现崩裂露筋，根据计算结果结合以往工程经验，判断T梁开裂的主要原因为：

1) 由于中幅边梁与边幅边梁完全断开，汽车活载传力只能往一侧传递，造成内边梁的横向分布系数较大.跨中下缘是受力最大的位置，容易产生受力裂缝.

2) 两幅桥间完全断开，造成桥面不平整，车辆通过时，冲击振动大，使混凝土容易剥落.

3) 经过计算，边幅内边梁的抗弯承载能力验算不满足地《85规范》的要求，承载力欠缺33%，裂缝的计算宽度也超过了规范的规定值，在超载作用下产生崩裂.

4) T梁腹板截面不满足规范的关于抗剪的最小截面尺寸要求，出现剪切裂缝.

5) 由于以上作用的叠加，结构开裂，混凝土剥落，加上雨水从纵缝往下渗，材料恶化，钢筋锈蚀，承载力进一步下降.

2.2内边梁翼缘板破损原因分析

中幅与边幅间的内边梁翼板破损较为严重，经计算及工程经验，认为主要有如下原因.

1) 由于该位置纵缝完全断开，汽车活载传力只能往一侧传递，造成内边梁的横向分布系数较大.

2) 由于翼板较薄，两幅桥面间完全断开，汽车震动容易使翼板出现破损剥落.

3) 该位置翼缘板横向刚度较弱，且处在行车道上，在汽车荷载的长期冲击下产生病害.雨水经纵缝往下渗，对结构耐久性影响较大.

3维修加固方案比选

3.1横向联系加固方案

由以上计算及病害原因分析可知，T梁横向联系薄弱是造成T梁病害的主要原因，需增强其横向联系.T梁常用的横向联系加固有2种方式，见图2，其优缺点见表2.

图2　横向连接方式

方案推荐方案比较方案方案描述 通过横隔板将两幅桥内边梁拼接起来,以消除整体挠度差,翼缘板拼接承受翼缘板的局部挠度差;施工时按设计要求将边梁边缘桥面铺装凿开,新旧混凝土接触面凿毛处理.新增的横隔板通过螺栓及钢板与内边梁联系,采用现浇施工 通过T梁翼缘端及桥面铺装将结构连接起来;凿除原桥边梁翼板一定长度,再将两幅桥内边梁翼缘板现浇湿接段连成整体结构特性刚接铰接优点 易于安装,拼接更可靠 施工方便,两幅桥受力影响较小缺点 对旧桥腹板有损伤,对支座不均匀沉降较敏感,对两幅桥位移差要求较高 拼接比较薄弱,容易导致桥面开裂综合评价较好一般

由表2可知，采用刚接的横向连接方式加固，结构受力均匀，拼接可靠，且由于桥梁已使用将近20年，3幅桥梁的沉降趋于稳定，不会再产生不均匀沉降，故推荐采用连接方式一,即刚接作为本次加强横向联系的加固方案.

3.2主梁加固方案

加强横向联系可降低横向分布系数，使各梁受力均匀.但由于原有T梁尺寸较小，配筋较弱，即使加强横向联系，结构受力还是相对薄弱，需对主梁进行加固，对T梁主梁的加固有以下4种方案.

方案一：被动加固，增大截面.

在原梁底板下缘增大截面，增加截面高度，并在新增混凝土下布置钢筋，提高其抗弯承载力.在支点附近增大腹板厚度，使其满足最小抗剪截面尺寸要求并提高其抗剪承载力.增加外灌注混凝土及布置受力钢筋，以增大原结构的截面，达到提高承载能力的目的，见图3.

图3　增大截面(单位：cm)

方案二：被动加固，粘贴钢板

在T梁底部粘贴钢板，提高其抗弯承载能力，在支点附近腹板粘贴钢板，增加其抗剪承载力.由于T梁底板只有18 cm宽，粘贴钢板的宽度受限，对承载能力的提高非常有限，见图4.

方案三：主动加固，高强预应力钢丝绳.

主动的预应力加固可以同时提高主梁的开裂荷载、最大承载力，加固后可以使加固材料强度得到充分发挥，而且具有很好的延性.对后加补强材料施加一定的预应力，从根本上解决了桥梁带载加固后补强材料应变(应力)滞后的先天不足，提高了后加补强材料的利用效率.常规的预应力钢绞线加固需大型张拉设备，张拉力较大，由于本桥混凝土标号较低，对主梁受力较为不利.故考虑选用当今较为先进的高强预应力钢丝绳及预应力碳纤维板进行加固方案的比选，见图5.

图4　T梁底板及腹板粘贴钢板构造图

在T梁底部及两侧粘贴预应力锚具，安装、张拉预应力高强钢丝绳，可以提高主梁的刚度、承载力，使加固材料强度得到充分发挥，承载能力明显提高，而且具较好的延性.预应力钢丝绳张拉、锚固后在梁底及腹板两侧布置原梁钢筋骨架的高度范围内 ,喷注高性能抗拉复合砂浆(HTCM),构成有粘结预应力加固体系.后喷注的聚合物砂浆具有较高的抗拉强度和抗混凝土碳化及抗化学腐蚀能力，可以保护钢筋免于锈蚀，提高结构的耐久性.

方案四：主动加固预应力碳纤维板.

高强碳纤维板是一种先进的复合材料，具有耐腐蚀、重量轻(容重只有钢材的1/5～1/4)、强度高(强度高于高强钢丝或与之相当)等优点.在T梁腹板两侧粘贴碳纤维板，然后对其进行预应力张拉，修复梁的变形和闭合裂纹，提高其承载能力，见图6.

3.3加固后计算

根据文献[5]计算各种加固方案的加固效果，为方案的比选提供计算依据.内边梁采用各种方案加固后的计算结果如下.

方案一：(增加横向联系+增大截面)加固后计算结果，见表3.

表3　增大截面加固后内边梁计算结果

图5　预应力高强钢丝绳加固图(尺寸单位：cm)

图6　固定端与张拉端(单位：cm)

方案二:(增加横向联系+粘贴钢板)加固后计算结果,见表5.

表4　粘贴钢板加固后内边梁计算结果

方案三:(增加横向联系+体外高强预应力钢丝绳)加固后计算结果,见表6.

表5　预应力钢丝绳加固后内边梁计算结果

方案四:(增加横向联系+预应力碳纤维板)加固后复算结果,见表7.

表6　预应力碳纤维板加固后内边梁计算结果

由以上计算可知，方案一增大截面加固,能大幅提高主梁的抗弯、抗剪承载力及抗剪尺寸对于的剪力；方案二粘贴钢板加固，由于T梁腹板较小，粘贴钢板宽度受限，其抗弯加固效率较低.方案三、四抗弯承载力加固效率较高，但不能改善抗剪承载力及抗剪尺寸对于的剪力.

3.4维修加固方案比选

对以上4种维修加固方案进行综合比选，见表7.

比选结论：由以上的方案比较可知，方案一安全可靠，造价低，工艺成熟，并可提高安全储备，虽然植筋对结构会产生一定的影响，但只要钻孔前先探测受力钢筋位置，避免对其造成影响，并尽量减载，可最大程度降低对原有结构的影响，推荐采用.方案二承载能力提高不多，存在较多的安全隐患，即使加固后，也需定期养护，容易出现安全事故.方案三、四虽然抗弯加固效率较高，但不能改善抗剪承载力，且施工工艺复杂，梁体混凝土标号较低，预应力张拉时容易压碎原混凝土，存在安全风险.

表7　维修加固方案综合比选表

4结束语

T梁病害原因较为复杂，加固方案有多种.在实际工程中，应根据T梁的病害，深入分析其病因，对症下药，才能取得理想的效果[6].本文结合实际的工程项目，通过有限元分析桥梁加固前后的受力情况，分析了不同加固方法的加固效果，并结合施工安全风险、造价等因素对加固方案进行综合比选，得出了最优的加固方案，可为以后同类桥梁的维修加固提供参考.

参 考 文 献

[1]成琛,沈成武,许亮.用铰接板(梁)法计算有损伤桥梁的横向分布系数[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2004，28(2):229-231.

[2]何旭燕.增大截面法加固钢筋混凝土T梁效果分析[J].铁道建筑,2009(3):24-26.

[3]卓静,杨宏.双层预应力碳纤维板加固大比例 A 型梁试验研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2013(9):799-801.

[4]中华人民共和国交通部.JTG/T J21-2011公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[5]中华人民共和国交通部.公路桥梁加固设计规范JTG/T J22-2008[S].北京:人民交通出版社,2008.

[6]黄方勤.钢筋混凝土T梁病害处理措施与加固设计[J].城市道桥与防洪,2012(5):117-119.

中图法分类号：U445.7+2

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.008

收稿日期：2014-08-20

Disease Analysis and Reinforcement
Scheme Selection of T Beam Bridge

XU KaiyanZHONG Jiancong

(GuangdongCommunicationPolytechnic,Guangzhou510650,China)

Abstract：Combined with practical engineering ,through computational analysis, the reason for the disease of simply supported T beam bridge are conducted in-depth discussion and analysis, specific measures are proposed to deal with the reinforcement design, and strengthening the efficiency of the programs, construction safety, cost, etc. were demonstrated.The optimal solution is obtained.

Key words：T beam;disease;analysis；reinforcement schemes

*广东省交通运输厅科技项目资助(批准号：2011-02-005)