装配式预应力 T 梁特大桥加固设计研究

王 昆

(平顶山市公路交通勘察设计院， 河南 平顶山 467000)

装配式预应力 T 梁特大桥加固设计研究

王 昆

(平顶山市公路交通勘察设计院， 河南 平顶山 467000)

通过对某公路桥的加固设计工作，结合有限元程序承载力验算结果，综合归纳出针对装配式T梁桥主梁及其下部结构几种合理加固方案。大桥经加固后结构极限状态设计满足现有部颁规范及条文限值，结构承载力现场试验表明加固后桥梁满足结构继续服务的功能定位，既保证了交通也节约了资源，在今后工程中有一定借鉴作用。

梁式桥； 加固设计； 有限元； 承载力试验

0 前言

桥梁是交通运输结构中的跨越构造物，桥梁结构的功能优劣直接决定了路线整体的服务水平和能力。随着我国经济的高速发展推动的交通运输行业一次又一次的变革，交通需求的日益增大在不断增多的行车密度及运输吨位体现的淋漓尽致。桥梁结构在其全寿命服役阶段难以满足逐渐增长的交通需求，不少桥梁在建成10余年内出现严重的混凝土开裂、支座脱空等损坏[1-4]。当评定桥梁结构难以保证后阶段的正常功能需求时，必须对其拆除新建或加固维修。而桥梁加固既能实现在不中断交通的前提下有效提高结构承载力，还能节约大量的资源和人力。因而，旧桥加固技术越来越得到广泛的应用。

1 工程概况

某高速公路特大桥于90年代建成通车，为装配式后张预应力梁式桥。单跨跨径有20、30、40 m不等，以150～250 m为一联，全桥共计20余联。单幅桥面横向布置有7片主梁。下部结构为柱式墩接钻孔灌注桩基础，首跨和尾跨桥台为框架式桥台，桩基础。

根据对旧桥的结构评定，大桥主梁混凝土保护层薄弱，碳化深度过大，部分梁片底板出现不同程度的混凝土剥落和箍筋外露。梁体裂缝分布多而以正截面裂缝为主。而在盖梁、横隔板、桩顶等多处也检查到较为集中的裂缝分布情况，支座脱空，橡胶老化现象明显，结构传力体系受损严重。但是，检测结果中并未发现影响结构承载力的较大贯穿型裂缝，考虑到交通需求，选择对旧桥的加固工作以保证结构的继续服役。

2 病害分析

2.1 车辆荷载

大桥至今已连续通车30余年，期间交通荷载的增长是结构发生病害的主要原因。经调查，2012年9月份日平均交通量达45 391辆。而对于部颁《公路工程技术标准》(JTG 001-97)中对一级公路桥梁的交通量服务水平的规定，一级桥梁能适应各种汽车折合小客车的年平均日交通量(AADT)为15 000～30 000辆次。收费期结束前的交通量则已经超出原设计交通梁的59.6%，取消收费后的交通量进一步增加。现有交通量水平已达到公路工程技术标准中对6车道高速公路所能适应的AADT定位(45 000～80 000)。

由此可见，大桥现有交通量远远超出设计所选取的交通标准。此外，挂车等载重车辆的轴载的超限成为了影响结构长期服役的控制性难题。

2.2 主梁病害

主梁的病害出现在结构耐久性和结构承载力的两个方面。因早期混凝土机械化施工水平和混凝土制造工艺较为薄弱，施工质量导致的混凝土保护层厚度不均匀和环境稳定性较差的现象极为明显。环境的长期侵蚀直接导致的混凝土碳化引起混凝土的剥落和钢筋的锈胀现象。而对于后张法预应力结构，预应力钢筋或者锚具锈蚀的发生会对结构承载力带来毁灭性破坏。而在跨中位置附近，T梁马蹄及腹板产生较为密集的竖向、斜向裂缝及沿断面贯通裂缝。此类裂缝主要成因是梁体在荷载作用下承受较大弯拉效应，截面受拉区混凝土主拉应力超过混凝土抗拉允许值，进而出现可视裂缝的扩展。而在主梁支点附近，斜向裂缝成为梁体腹板主要裂缝类型分布类型。简支结构在支承位置附近主梁承受较大剪力作用，腹板抗剪钢筋所提供的抗剪承载力低于主拉应力时，亦会导致斜向剪裂缝的产生和沿45°方向发展。

2.3 盖梁病害

盖梁的病害同主梁，亦分为耐久性损坏及承载力裂缝。承载力裂缝以竖直裂缝和斜向裂缝为主。成因同主梁，故不在赘叙。

2.4 支座病害

支座因年限过久而发生橡胶老化和变形能力降低的现象，承压钢板均出现不同程度的锈蚀。

3 加固设计

考虑到原有T梁的结构可靠度系数较低，结构横向联系偏弱，针对主梁的加固方案选取为通过增大截面法提高结构承载力的加固方案。除此之外，从以下三个方面提高梁片间的横向联系和上部结构整体承载力： ①对尚未出现病害但未来可能出现的梁片均进行加固，不留下新的薄弱点； ②对原有T梁的横隔板进行加厚或通过粘贴钢板，从而提高结构横桥向刚度； ③凿除原有桥面铺装层并重新对接合面凿毛，梁顶面重新加铺双层钢筋网片。

根据桥梁两侧工业及物流分布调查，结合交通荷载统计发现，桥梁左幅通行车辆轴载较右幅大。故对右幅4片T梁全部进行加固，而左幅未出现或将来出现裂缝概率较小的2片不进行加固作业。主梁底板和腹板的加固原则为封闭裂缝，并在外侧粘贴钢板进行加固。而对于主梁腹板可视裂缝宽度较大的梁片，采用增加体外预应力束的方式进行加固。加固方案图如图1～图4中所示。

图1 底板粘贴钢板加固示意图

图2 腹板粘贴钢板加固示意图

图3 连续段梁段负弯矩处粘贴钢板示意图

图4 体外预应力束加固示意图

因桥梁横隔板截面较薄，横向刚度小，全桥承载力损坏呈现单梁裂缝集中现象。横向梁片间的裂缝数量分布相差较大。故加固设计中通过对全桥所有横隔板进行增大刚度法进行加固，以增大横隔板截面或者粘贴钢板加固等方式加强横向联系梁刚度，从而避免发生单梁受力现象。钢板材质采用6 mm厚Q345qb桥梁钢结构材料，外露按施工规范进行防腐涂装。并对原有设计中的T 梁横隔板中镂空的位置植入钢筋，浇筑结构混凝土。2种横隔板加固方案示意图如图5、图6中所示。

图5 横隔板粘贴钢板示意图

图6 浇筑镂空区混凝土示意图

下部结构盖梁检测结果中所发现的裂缝和钢筋锈胀现象，其成因同主梁病害，故采用与主梁加固原理同一的加固方式对盖梁进行加固处理。即对箍筋出现严重锈胀、混凝土保护层剥落的部位的混凝土凿除，再对已发生锈胀钢筋进行除锈处理，对因

钢筋锈蚀严重的部位对钢筋进行补强处理，最后在外层浇筑环氧混凝土进行修补。对因承载能力储备不足而出现结构性裂缝的盖梁进行粘贴钢板的方式进行加固。

4 加固主梁承载能力验算

通过汇编有限元程序，对组合截面主梁的承载能力与加固前原截面主梁承载能力进行验算对比。通过比较两者在固定工况下的挠度、上下缘应力值，并结合2种主梁的正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力的计算结果，对截面在加固后的工作能力进行了综合评价。计算值汇总于表1中截面承载力验算表中。

表1 截面承载力验算结果表类别跨中正截面抗弯支座位置斜截面抗剪设计截面/(N·m)组合截面/(N·m)承载力提高值/%设计截面/N组合截面/N承载力提高值/%40mT梁中梁1412516241149850975962169720mT梁中梁442754792376147217732045

40 m T梁经过腹板、底板粘贴钢板以及部分梁段增加体外预应力钢束加固后，中梁跨中截面抗弯承载力抗力值提高了14.98%。值得注意的是经体外预应力钢筋的方式进行加固后，梁的正截面抗弯抗力值较其他加固后主梁而言并未有较大提升，但由于体外索的存在，结构的受力性能和荷载抗力体系得到极为明显的改善，中梁的跨中弯矩值有效降低了5.07%。而增大截面法对结构加固后梁的斜截面抗剪抗力效应值最大提高20.45%，40 m T梁斜截面抗剪能力计算值有效提高16.97%。综合计算结果，加固后组合截面抗力值R与荷载效应计算弯矩值Mj对比发现，无论在正截面抗弯还是斜截面抗剪，加固设计对结构的抗荷能力存在理论上的提高效应，结构承载力各项指标均能满足《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中的条文规定[6-8]。

对于结构现场试验的跨中挠度值由原有加固前的6.19 mm对应减少至3.78 mm，综合评价结构加固后的组合截面有效地参与到结构整体抗荷工作中来，检测结构正常使用状况下的各项指标均低于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中的条文限值。

5 结语

某公路特大桥的加固设计工作基于大桥原有存档的设计文件、竣工资料及结构后期养护期间的有关单位对结构的检查、检测结果、试验报告以及现阶段的评估报告，参考相关设计规范对结构进行加固设计。后期通过有限元法对组合截面承载能力进行验算加固前后的主梁承载能力进行对比和校核，并结合现场试验有效判定加固后结构性能的稳定提升效果进行判定。经检测机构鉴定和业主方验收，大桥加固设计后符合现阶段交通量需求和交通功能定位，加固工作合理且有效。

桥梁结构加固理论和技术研究是目前桥梁建设中集结构全寿命服役理论、结构加固工艺及加固工作创新于一体的研究领域。合理的选择加固方案是保证既有桥梁结构在拥有足够可靠度的前提下继续满足交通需求、保证结构加固后质量要求、减少施工建设成本及合理利用有限资源的可持续大小前提。文章结合工程实例，对服役30余年的大桥T梁进行多方案加固及横隔板和盖梁的加固设计工作，有效地提高了结构可靠度和继续服役年限，成功解决了现有桥梁免除拆除重建而继续适用的目的，减少了交通管制时间，有效地节约了成本和工期。文中的加固方案可为今后同类工程建设项目加固设计工作提供参考和借鉴。

[1] 常军辉.公路桥梁的养护与维修加固探讨[J].交通世界(建养.机械)，2015，34(2)：44-45.

[2] 龚赛群.从期刊论文分析我国公路桥梁加固技术研究之发展：2002年～2011年[J].公路工程，2012(4)：191-196.

[3] 赵志平，常建立，杨晓光，等.利用ANSYS对碳纤维布加固RC梁的非线性有限元分析[J].四川建筑科学研究，2006(1)：79-83.

[4] 朱健.RPC钢筋网加固高强混凝土柱小偏心受压试验研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[5] 魏瑞芬.桥梁荷载试验在旧桥加固中的应用研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2015(8)：8-10.

[6] JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[7] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[8] JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范[S].

1008-844X(2016)04-0118-03

U 448.21

A