预应力混凝土简支转连续T梁结构核算

2017-11-02郭锋钢

城市道桥与防洪 2017年10期

关键词：简支梁桥实测值

郭锋钢

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江哈尔滨 150070）

预应力混凝土简支转连续T梁结构核算

郭锋钢

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江哈尔滨 150070）

预应力混凝土简支转连续T梁桥因其结合了简支梁与连续梁的优点，是目前普遍应用的结构形式。随着运营时间的增长和交通流量的增大，越来越多的在役桥梁的承载力逐渐下降，使得桥梁的正常运营存在安全隐患。依托某预应力混凝土简支转连续T梁桥的现场检测和荷载试验，并采用Midas/Civil 2012有限元软件建立成桥状态的有限元模型，对桥梁的实际技术状况和承载力进行评定，对加强桥梁质量控制具有重要意义。

预应力混凝土简支转连续T梁桥；外观检测；技术状况；荷载试验

0 引言

预应力混凝土（Prestressed Concrete,PC）简支转连续T梁桥是目前国内公路中常用的结构形式，具有施工简单、经济性以及结合了简支梁与连续梁桥的两种结构优势等特点，因而被广泛应用于桥梁工程之中[1,2]。随着交通流量的增长及运营时间的增长，许多PC简支转连续T梁桥已不能满足预期荷载等级要求，存在安全隐患[3]。为了保证在役PC简支转连续T梁桥的安全运营，尽可能地延长其使用年限，对这类桥梁建设过程中的质量控制十分重要，通过对预应力混凝土T梁出厂时，进行承载力评定分析和维修加固以保障桥梁结构安全显得非常有必要[4]。

目前，实际工程中主要结合外观检测、荷载试验以及结构承载力验算三方面进行综合评定桥梁结构的安全性[5,6]。本文以某跨河桥梁的引桥部分4×40 m+11×（3×40 m）预应力混凝土简支转连续T梁桥为研究对象，针对该桥建设过程中的现场监控检测情况，采用Midas/Civil 2012有限元软件建立一联3×40 m上部结构有限元模型并进行结构技术状况评定。

1 工程概况

该引桥桥梁全长1 480 m，上部结构为4×40 m+11×（3×40 m）预应力混凝土简支转连续T梁，按部分预应力A类构件设计。

桥梁全宽24.5 m，分左、右两幅对称布置，桥面横向布置为2×[0.5 m（防撞护栏）+10.75 m（行车道）+0.75 m（防撞护栏）]+0.5 m（中央分隔带）。

桥梁所在路线为双向四车道一级公路标准，桥梁的荷载等级为公路-Ⅰ级，Ⅱ类环境。

T梁采用C50水泥混凝土，预应力钢束采用低松弛高强度钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，公称直径d=15.2 mm。

桥面铺装采用10 cm聚酯纤维改性沥青混凝土和8 cmC50防水混凝土，中间加铺防水层，该桥横断面布置见图1。

图1 左幅桥横断面布置图（单位：cm）

纵桥方向，单孔共设置7道横隔板，结构纵向尺寸见图2。

图2 单梁纵桥向尺寸示意图（单位：cm）

下部结构为钢筋混凝土双柱式墩身，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。

2 桥梁外观检测

现场对该桥进行外观检查，进行以下三个方面的外观测试内容[7]。

（1）实测主梁几何尺寸

数据表明预制T梁的几何尺寸实测值与设计值之间的偏差，均满足《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2011）中表17.10.2-3预制梁、板的允许偏差要求。

（2）混凝土强度

采用ZC3-A型数字回弹仪测试混凝土强度，预制T梁混凝土强度推定值为51.5 MPa，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T H21-2011）（以下简称《评定规程》）第5.3节桥梁材质强度检测评定规定，该片梁混凝土强度评定标度为1，满足C50混凝土强度设计要求。

（3）钢筋保护层厚度

采用4-ZJHD-02型仪器进行钢筋保护层厚度检测，预制T梁钢筋保护层厚度特征值范围为31.2～33.0 mm，根据《评定规程》第5.8节混凝土桥梁钢筋保护层厚度检测评定规定，该片梁钢筋保护层厚度评定标度为1，满足设计要求。

其中，一根预制T梁在预制施工过程中由于振捣不实等原因导致腹板侧面局部地区出现露筋等病害，施工单位用环氧树脂砂浆对病害位置进行修补。该病害位于该预制T梁腹板侧面近连续端第2块横隔板与第3块横隔板之间，面积约0.5 m2，具体损伤示意见图3。病害位置实测混凝土厚度特征值为31.2 mm，满足设计要求。

图3 预制T梁腹板侧面出现露筋

3 横向分布系数计算

简支转连续T梁桥这种结构形式是由若干主梁通过横向联系组成空间结构，荷载沿桥的横向作用位置的不同，各主梁的受力亦不一样，即荷载沿横向传递的程度不同[5,6]。本次计算采用刚性横梁法来计算其跨中荷载横向分布系数m。

应用计算软件桥梁博士3.0对其进行荷载横向分布系数的计算和空间分析计算，考虑T梁的横向侧弯和抗扭，确保单片梁试验加载的安全。计算结果见表1。

表1 横向分布系数计算结果

4 控制截面选择

由于试验时，预制梁已成形且钢束张拉完毕，即一期恒载已加载完成，所以计算的各项内力应是二期恒载与活载共同作用形成的[8-10]。采用有限元软件Midas/Civil 2012建立单梁成桥后的连续梁模型，布置车道荷载时考虑横向分布系数和车道横向折减系数，并考虑二期荷载，有限元模型见图4，主梁内力分布见图5。

图4 单梁成桥状态下有限元模型

图5 主梁内力分布图

根据主梁内力分布图，取弯矩效应最大值截面为静载试验的控制截面，确定控制截面位于距梁端（伸缩缝端）16.5 m处。

静载试验时预制T梁为简支梁状态，预制梁截面尺寸比成桥时的截面尺寸小（预制时翼缘板湿接缝未浇筑）。在确定控制截面位置后，按照4-7#梁实际尺寸建立单梁简支梁模型，根据现场加载情况在模型中布置试验加载荷载，并确定加载吨位和计算试验荷载效率。预制T梁单梁简支梁模型见图6，控制截面内力影响线见图7。

图6 预制T梁单梁简支梁模型

图7 预制T梁控制截面内力影响线

5 静载试验分析

5.1 试验内容

根据该桥的结构特点及现有技术检查的实际情况，本次试验为单片裸梁静载试验，试验梁桥面铺装及横向连接尚未进行施工。因而，需将设计荷载按结构横向和纵向影响线进行最不利布载，以折算后设计荷载确定试验荷载。对试验梁进行以下试验内容：

（1）试验梁支点沉降及控制截面挠度；

（2）试验梁控制截面混凝土应变沿梁高的分布规律；

（3）观察试验梁在试验荷载作用下的裂缝情况。

5.2 加载方式

现场采用钢绞线线圈堆载方式进行加载，加载现场见图8。根据现场测量，各钢绞线线圈与主梁接触长度为0.15 m，相邻加载线圈接触面中心线间距1.3 m，各钢绞线圈重量见表2，具体加载布置如图9、图10。

图8 现场加载图

表2 钢绞线圈重量统计 kg

根据现场实际情况，本次静载试验采用三级加载、三级卸载的分级加载、卸载方案，一级加载1#～4#钢绞线圈，二级加载5#～8#钢绞线圈，三级加载9#～12#钢绞线圈，卸载顺序与加载顺序相反。再次加、卸载的持续时间取决于结构最大变位测点达到稳定标准所需要的时间，实际观测时，一般不少于15 min。

图9 加载布置立面示意图（单位：cm）

图10 加载布置平面示意图（单位：cm）

5.3 测点布置

在试验梁两个支点断面分别布设一块百分表；1/4截面、3/4截面、控制截面和跨中截面梁底各布设一块百分表，共设6个挠度测点；沿梁高布置6个应变测点，梁底布置1个应变测点。测点布置情况见图11、图12。

图11 挠度测点布置示意图（单位：cm）

图12 应变跨中断面测点布置图（单位：cm）

5.4 试验结果分析

经过计算，静载试验加载效率为1.01，在0.95～1.05之间，说明试验加载是充分的。

5.4.1 挠度测试分析

各测点挠度校验系数值范围为0.64～0.68，符合文献[7]中预应力钢筋混凝土梁桥校验系数小于1.0的规定，说明该片梁刚度满足设计要求；结构的残余变形在20%以内，说明结构在卸载后有较好的弹性恢复能力。各级加载下各挠度测点实测值见表3，控制截面各级加/卸载挠度实测值见图13。

表3 主梁各测点试验荷载作用下挠度值

图13 控制截面各级加/卸载挠度实测值图

5.4.2 应力应变分析

（1）控制截面梁底应变的理论计算值与实测值分析（N7测点），详细数据见表4、图14。

表4 控制截面各级加/卸载梁底应变实测值（N7测点）

图14 控制截面各级加/卸载梁底应变实测值图（N7测点）

（2）控制截面沿梁高应变的理论计算值与实测值分析（N1～N6测点），单位为με。具体数据见表5，实测应变与理论值对比见图15。

表5 控制截面沿梁高实测应变与计算值（N1～N6测点）

图15 控制截面沿梁高实测应变与计算值对比图

对加载产生的理论值与实测值结果进行分析，由表4和表5可知控制截面校验系数值为0.62～0.66，符合规范中预应力钢筋混凝土梁桥校验系数小于1.0的规定。结构的残余变形都在20%以内，说明结构在卸载后有较好的弹性恢复能力；该片梁在试验荷载下各测点实测应变在沿梁高方向基本呈线性分布，说明结构在工作时基本符合平截面假定。

5.4.3 裂缝情况

在加载过程中梁体无裂缝产生，混凝土无破损现象。

6 结论

通过对预应力混凝土简支转连续T梁的现场外观检测明确桥梁病害情况，并选取4-7#梁进行荷载试验。运用空间有限元程序Midas/Civil 2012建立4-7#梁成桥后的连续梁模型分析结构内力从而确定控制截面，采用钢绞线线圈堆载方式进行现场加载试验，对试验结果分析可以得出以下结论。

各测点挠度校验系数值范围为0.64～0.68，应变校验系数值为0.62～0.66，符合《公路桥梁承载力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中预应力钢筋混凝土梁桥校验系数小于1.0的规定，说明该片梁刚度、强度均满足设计要求；在加载过程中梁体无裂缝产生，混凝土无破损现象，故试验梁的实际承载力满足公路-I级荷载要求，运营期间工作性能良好，安全性满足要求。

[1]朱小青,陈代海,陈淮.先简支后连续T梁桥全过程力学行为及极限承载力分析[J].铁道科学与工程学报,2016(1):89-95.

[2]贾兰星.20 m跨径简支钢筋混凝土T梁桥检测及承载能力评定方法[D].吉林长春:吉林大学,2015.

[3]夏叶飞.预应力混凝土简支T梁桥的承载能力实桥试验分析研究[D].江苏南京:东南大学,2006.

[4]陈安洋.多地区重载交通下装配式简支T梁桥响应特征研究及安全评价[D].陕西西安:长安大学,2014.

[5]李民.重庆市高速公路简支连续梁桥建设后评估方法与体系研究[D].重庆:重庆交通大学,2014.

[6]邵鹏磊.公路桥梁现场检测与技术状况评定[D].河南郑州:郑州大学,2016.

[7]JTG/T H21-2011,公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[8]安燃.简支T梁桥荷载试验方法研究[D].吉林长春:吉林大学,2013.

[9]唐平建.在役预应力混凝土梁桥安全状况评估技术研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.

[10]杨敏,周勇军,邓旭东.简支T梁桥冲击系数计算公式研究[J].公路交通科技(应用技术版),2015(2):177-180.

U448.21+7

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