装配式简支T梁体外预应力加固技术应用

2020-04-20张王乐元张荠丰盛可鉴

交通科技与经济 2020年3期

张王乐元，张荠丰，盛可鉴

(1.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150050；2．长春市交通工程质量监督站，吉林长春 130041)

随着建设交通强国伟大构想的逐步实施，我国桥梁事业迎来了新的发展机遇。目前，我国已成为拥有桥梁数量最多的国家。但是，随着新建桥梁的快速发展，为数众多的旧桥，尤其是装配式简支T梁桥的加固与维护问题日益突出[1]。体外预应力加固技术作为一种主动的加固方式[2-4]，已经广泛应用于中小跨径简支梁桥的抗弯加固。

本文以体外预应力加固设计理论为基础，依托实际工程，研究装配式简支T梁桥体外预应力加固技术的应用，探讨体外筋锚固装置的设计及施工过程以及施工控制问题，为体外预应力加固技术在中小跨径装配式简支T梁桥中的推广应用提供参考。

1 工程概况

该桥中心桩号为K10+645.0，左右两幅，交角90°，跨径组合6～20 m，桥梁全长125.34 m，上部结构采用装配式钢筋混凝土T梁，下部结构采用柱式桥墩、桩基础，见图1所示。设计荷载为汽车超-20级、挂-120级，桥面净宽为0.75+11.5+0.75 m，车行道部分由五片钢筋混凝土T梁组成，主梁间距2.3 m，预制T梁梁高1.5 m，现浇湿接缝宽度0.6 m，与桥面铺装整体化浇筑，钢筋混凝土桥面铺装厚度14 cm。

图1 原桥概况

1.1 原桥主梁病害概况

根据桥梁外业调查和检测结果，按照《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21-2011)对阿凌达河大桥进行技术状况等级评定，该桥技术状况等级为3类桥。根据《公路桥涵养护规范》(JTG/H11-2004)中的相关规定，桥梁需要进行中修。

该桥主梁的主要病害为：“T形主梁开裂，斜裂缝宽度未达到规范所允许的0.3 mm的限制，部分跨中竖向裂缝已接近规范所允许的0.25 mm的限制，但未超限。”现场检查主梁开裂情况见图2—图3所示。

图2 跨中竖向开裂情况

图3 支点附件斜截面开裂情况

1.2 主梁加固方案

1.2.1 原加固方案

针对T型主梁已带裂缝运营多年，承载能力存在不同程度的消减的状况，原桥大修工程施工图中提出了采取粘贴钢板法对原有T形进行加固补强的改造方案。

1.2.2 本文采用加固方案

选取该桥左幅1#桥孔3#主梁，在梁端至1/4跨范围内，粘贴竖向钢板，以提高主梁斜截面抗剪承载能力；主梁跨中梁底张拉体外预应力筋，以提高正截面抗弯承载能力。

加固设计荷载标准按原设计荷载设计，具体方案设计如下：

1)抗弯加固。采用体外预应力技术进行加固。在每根梁端底部距梁端1.58 m处增设体外预应力筋锚固区，并在两处1/4跨处分别设置体外预应力筋锚固区。预应力筋自距梁端1.58 m处体外预应力筋锚固区，跨过跨中，至另一侧的1/4跨设置体外预应力筋锚固区。每处锚固2根环氧涂层无粘结预应力钢绞线。距梁端1.58 m处，至相邻侧1/4跨，钢绞线根数为2根，两处1/4跨间的钢绞线根数为4根，可避免设置短钢束，实现减少预应力应力损失的效果。底部钢绞线与既有结构形成抗弯抗力增量和刚度增量，使既有结构的抗弯抗力提升且使挠度减小。

2)抗剪加固。采用粘贴钢板加固。梁端至1/4跨范围内，在腹板粘贴竖向钢板条，钢板条宽10 cm，间距15 cm，并设置6根M10螺栓对拉锚固，以提高主梁斜截面抗裂性及抗剪承载力。

2 锚固装置及减震器的设计

2.1 锚固装置的设计

根据桥梁实际情况，体外预应力筋锚固装置设计如图4—图5所示。锚固装置由锚固钢板、U形钢板、加劲钢板焊接而成，U形钢板侧板预留Φ20螺栓孔，底板预留Φ24化学锚栓孔。

图4 锚固装置设计

图5 锚固装置现场情况

2.2 减震器的设计

体外预应力体系减震装置用于转向块与转向块或锚固块与转向块之间的体外索自由长度较大的位置，主要目的是减少体外索在动荷载作用下的振动。本次分别在两L/4和跨中设置3道减震装置，减震装置设计采用钢构件，通过螺栓与原桥相联系。具体设计情况如图6所示。

图6 体外筋减震器

3 体外预应力加固施工过程监控

旧桥加固有别于新桥建设，尤其是对已经存在病害的桥梁。由于施工过程中许多不确定因素的存在，以及原桥梁体混凝土质量的不均匀等，施工过程存在着一定的危险性。所以，为保证桥梁加固施工过程中的安全，需要对施工中的关键工序以及结构的应力、变形、裂缝等方面进行监控，以达到预期加固设计的目的。

3.1 测点布置和数据采集

3.1.1 测点布置

1)主梁混凝土应变监测。在体外索张拉过程中，通过在跨中断面贴应变片或振弦式应力计的方法，对主梁混凝土的纵向应变进行测量。在试验梁跨中断面的其中一个侧面沿梁高布置5个混凝土应变片，另一侧沿梁高布置3个、梁底布置1个振弦式应变计，测点布置如图7所示。

图7 跨中断面混凝土应变测点布置图

2)主梁挠度监测。选取试验梁跨中断面为挠度监测点，随时测量主梁在张拉时的变形情况。在试验梁的跨中设置1个位移传感器。

3)锚固钢板变形监测。利用千分表(或百分表)测量锚固箱在张拉过程中的变形情况。在试验梁1#、2#筋的张拉端和锚固端的锚固钢板上分别布设2个百分表，以测量张拉时锚固装置的纵向变形。具体测点布置位置如图8所示。

图8 锚固装置位移测点布置图

4)体外预应力筋应变。对于直线布筋的试验梁，在4#体外筋布设3个应变测点，测点布置如图9所示。

图9 体外CFRP筋应变测点布置图

5)体外索张拉伸长量监测。张拉过程中，分级张拉体外索的同时，分级监测体外索的张拉伸长量，并随时与理论计算值进行比较。若发现实测值与理论值不符，则停止张拉，待查明原因后确保万无一失后方可继续施工。

6)主梁主要裂缝监测。选取主梁的主要裂缝，利用裂缝观测仪，观测裂缝在张拉过程中的发展情况。

3.1.2 数据采集设备

测试采用的主要仪器设备有TDS-503静态采集仪、BZ2205C程控静态电阻应变仪等，如图10所示。

图10 数据采集设备

3.2 主梁跨中断面应力监测

张拉过程中，主梁跨中梁底混凝土的累积应力情况见表1所示。

表1 主梁梁跨中截面梁底混凝土累积应力

从表中可以看出，主梁跨中截面梁底混凝土累计应力的实测值小于理论计算值，其比值在 0.85～0.95 之间，实测值与理论值吻合良好。

3.3 体外索张拉伸长量监测

在分级张拉过程中，在每一级别上均需监测体外索的张拉伸长量，并随时与理论计算值进行比较。对体外索的监控主要从张拉力以及伸长量两个方面进行双控。

由于体外预应力与体内预应力在张拉控制上存在着差异，实际量测的体外索张拉伸长量比理论计算值偏大。在施工过程中，体外索张拉伸长量与计算值的偏差均控制在 6%范围内。所有体外索的张拉吨位均满足设计要求，体外索外表完好，张拉过程中无滑丝、断丝等现象发生。

3.4 主梁挠度监测

体外索张拉时试验主梁跨中截面的变形情况如图11所示。

图11 实测主梁跨中挠度(向上为正)

全部张拉结束后，实测主梁中跨累积变形为0.47 mm，主梁的下挠变形恢复较小。

3.5 主梁主要裂缝监测

由桥梁外观检查结果可知，梁体竖向受力裂缝主要分布在跨中，根据加固设计文件要求，对梁体所有受力裂缝进行封闭灌胶处理。在裂缝封闭处理结束以后，进行体外索的张拉。

由于张拉过程中，施加的预应力会对梁体产生预压力的作用，有利于跨中范围内的裂缝闭合。在监测过程中，通过选取几条关键裂缝作为监控跟踪对象，利用裂缝观测仪进行分级观测。经过观测，张拉过程中裂缝始终闭合，无开展及其他异常现象。

4 加固效果评价

综合施工过程及监控的结果，可以得到如下结论：

1)本加固工程增大了主梁的应力储备，有效地改善了主梁的应力状态。

计算结果表明，通过增设体外预应力钢束，有效地增加了桥梁跨中截面下缘的压应力储备，加固后的应力状态远好于原来的应力状态。

2)本桥加固工程显著提高了主梁的抗弯承载能力，加固效果良好。

根据《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/92-2004) ，按二次效应可以近似计算加固后主梁正截面抗弯承载能力为Mu=3 270 kN，较加固前主梁正截面抗弯承载力Mu=2 810 kN，加固后主梁抗弯承载力提高了16%。说明，体外预应力加固技术可以显著提高简支T梁的抗弯承载力，加固效果良好。

3)采用可调可换的体外索系统，为以后的维护提供了极大的方便。

本加固设计首次采用了可换可调式的体外预应力锚具体系，该锚具的特点是可以重复调整体外索的拉力，并且在体外索出现破坏时可以整根更换，为以后桥梁的维护提供了极大的方便。在以后桥梁的运营过程中，可以根据梁体的实际受力需要，以及钢锚箱和体外索的实际工作情况，对体外索进行吨位补拉、更换等措施，以使桥梁结构满足正常的使用要求。