钢筋混凝土T梁加固后承载能力研究

陈泉杜

(中交公路规划设计院(厦门)有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

随着我国经济以及交通运输事业的快速发展，国、省道的公路网需进一步完善，并且桥梁的荷载等级需提高，导致大量的钢筋混凝土T梁在当初设计时考虑荷载等级较低，并且因使用年限久和桥梁病害导致承载能力折减，对人车通行安全隐患极大。因此，旧桥的改造并加固是不可避免。通过对旧桥的加固，提高原有桥梁的承载能力，延长使用寿命，保证其能适应新荷载等级的要求，迫在眉睫。

根据相关文献调研，旧桥加固的常用方法有桥面板加固方法、主梁加固补强方法(增大截面法、配筋加强法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法、喷射混凝土加固法、体外预应力法等)、复合材料加固法、SRAP加固方法、植筋加固法等。体外预应力筋加固方法因施工方便、造价不高等优点，目前是提高桥梁承载能力的有效手段之一。本文将依托20m钢筋混凝简支T梁，研讨不同荷载等级作用对混凝土承载能力的影响，以及体外预应力筋数量、混凝土等级对T梁承载能力的影响趋势，以助力于以后桥梁加固的推广应用。

1 T梁加固后承载能力分析

体外预应力加固体系由体外预应力筋、锚固块、转向器、减震器4个方面组成，布置在旧桥混凝土构件的外侧，对主梁施加体外预应力，以预应力产生的应力来部分或者全部抵消部分外部荷载产生的应力，增加主梁的刚度，提高旧桥的极限承载能力，并相应减少裂缝。下文拟以某旧桥加固为例，分析其T梁加固后承载能力。

1.1 旧桥工程概况

某旧桥建于1992年，上部结构为12孔20m装配式钢筋混凝土简支T梁，旧桥设计荷载等级为汽-20，挂-100，加固后荷载等级分别考虑公路Ⅱ级和公路Ⅰ级。梁高1.5m，肋宽18cm～35cm，翼板厚度15cm～20cm，翼缘宽1.60m(边梁1.89m)。分幅横断面为五梁式，梁肋中间距离2.2m，湿接缝宽0.60m。

主梁采用等级为C35砼，主筋采用HRB335，直径为32mm。旧桥横断面图如图1所示。

图1 旧桥横断面图

1.2 计算模型

整体计算采用有限元结构分析软件Midas civil，对该普通钢筋混凝土T梁进行计算分析。支座与上部结构，采用刚性连接，底部按照简支梁布置方式进行约束，计算模型如图2所示。

图2 计算模型图

1.3 加固前计算分析

荷载主要考虑:自重+二期荷载+整体温度+梯度温度+移动荷载。

旧桥加固前分别计算4个工况(汽-20、挂-100、公路Ⅱ级、公路Ⅰ级)下承载能力。计算结果如表1～表3所示。

表1 T梁跨中截面弯矩计算表 kN·

荷载等级汽-20挂-100公路-Ⅱ级公路-Ⅰ级T梁最大裂缝0.0980.1090.1000.150允许最大裂缝0.200.200.200.20是否满足要求是是是是

分析结果：

(1)由表1可知：无论处在何种工况下，从1#-5#的变化趋势一致，1#梁跨中截面弯矩最大。通过表2分析，对旧桥进行评估并计算折减后的承载能力，在原设计荷载等级作用下能满足承载力要求，安全储备可达1.10；但是，在公路-Ⅰ级作用下不能满足承载能力要求，公路-Ⅱ级作用下安全储备不高。

(2)由表3可知：该桥的最大裂缝宽度能满足原设计荷载等级汽-20级，挂-100级，同时也能满足现设计荷载等级公路-Ⅱ级，公路-Ⅰ级，但是实际情况调研，该桥梁底已经出现裂缝，需对该旧桥进行加固处理，以提高承载能力和闭合，减少裂缝产生。

1.4 加固后计算分析

本加固方案主要是采用主动加固法，通过在主梁腹板两侧各对称布置两束1φs15.20，施加体外预应力，采用两端张拉方式。

根据规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，汽车荷载等级分别取用公路-Ⅱ级和公路-Ⅰ级进行计算分析，加固前后结果如表4所示。

表4 T梁加固前后对比表

注：表中拉应力为负，压应力为正。

由表4可得：

(1)无论是在公路-Ⅱ级还是公路-Ⅰ级作用下，经过加固的T梁承载能力，提高幅度可达27%，特别是在公路-Ⅰ级作用下，加固后承载能力能满足规范设计要求。同时，T梁跨中最大裂缝宽度变小，满足规范要求。

(2)T梁跨中顶底缘的应力在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用，加固后应力减少，跨中顶缘最大压应力减少幅度可达17.5%，跨中底缘最大拉应力减少幅度至少有43.5%。

2 不同设计参数的影响

在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用下，分别考虑不同的设计参数，包括体外预应力筋数量、跨径变化，通过单因素分析方法，探讨各参数改变对加固后T梁承载能力的影响规律。

2.1 体外预应力筋数量对承载能力影响

本研究仅改变体外预应力筋数量，其他参数与旧桥设计参数保持不变，分别研究在公路-Ⅱ级和公路-Ⅰ级作用下，结构承载能力随着体外预应力筋数量变化而变化的规律。在进行承载能力分析时，改变仅为体外预应力筋数量，变化范围为2束～8束(增量为2束)。

通过建模分析，研究T梁的最大弯矩、抗弯承载能力和最大裂缝随体外预应力筋数量变化的变化规律。图3和图4分别绘出了不同钢绞线数量的简支T梁在各荷载等级作用下，T梁的最大弯矩、抗弯承载能力和最大裂缝随钢绞线数量变化而变化的趋势图。

图3 不同荷载等级T梁最大弯矩随钢绞线数量变化趋势图

图4 不同荷载等级T梁最大裂缝随钢绞线数量变化趋势图

由图3可知：

(1)无论T梁在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用下，T梁的抗弯承载能力与钢绞线的数量呈线性变化，总体是随着钢绞线数量的增加而呈现增加趋势。在公路-Ⅰ级作用下，T梁跨中，最大弯矩随着钢绞线数量的增加变化幅度不大，但弯矩值明显大于公路-Ⅱ级作用下的弯矩值。

(2)在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用下，T梁的最大裂缝与钢绞线的数量总体上呈线性变化，随着钢绞线数量的增加而呈现减少趋势。在公路-Ⅱ级作用下，T梁跨中最大裂缝随着体外预应力数量增加而下降，幅度与在公路-Ⅰ级作用下大体一致。

2.2 跨径变化对承载能力的影响

本研究通过改变T梁桥梁长度、其他参数与旧桥设计参数保持一致，分别在公路-Ⅱ级和公路-Ⅰ级作用下，分析结构承载能力随着跨径变化而变化的影响规律。在进行承载能力分析时，改变仅为跨径，根据早期修建的T梁，以16m、20m、25m跨径居多，变化范围考虑这3种跨径。

通过建模分析，研究T梁的最大弯矩、抗弯承载能力和最大裂缝随跨径变化的变化趋势。图5和图6分别绘出了不同跨径的简支T梁在各荷载等级作用下，T梁的最大弯矩、抗弯承载能力和最大裂缝随跨径变化而变化的趋势图。

图5 不同荷载等级T梁最大弯矩随跨径变化趋势图

图6 不同荷载等级T梁最大裂缝随跨径变化趋势图

由图6可知：

(1)无论T梁在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用下，T梁的抗弯承载能力与跨径变化呈线性变化，总体上随着跨径的增加而呈现增加趋势；在公路-Ⅰ级作用下，T梁跨中最大弯矩随着跨径的增加而增加，但弯矩值明显大于公路-Ⅱ级作用下的弯矩值。

(2)在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用下，T梁的最大裂缝与跨径变化总体上呈线性变化，随着跨径的增加而增加。在公路-Ⅱ级作用下，T梁跨中最大裂缝随着跨径增加而增加幅度，与在公路-Ⅰ级作用下大体一致。

3 结论

(1)无论是在公路-Ⅱ级还是公路-Ⅰ级作用下，经过加固的T梁承载能力明显提高，提高幅度可达27%；同时，T梁跨中最大裂缝宽度减少，满足规范要求。

(2)在公路-Ⅱ级或公路-Ⅰ级作用下，分别考虑不同的设计参数，包括体外预应力筋数量、跨径变化，分析结果如下：

①T梁的抗弯承载能力与钢绞线的数量呈线性变化，总体是随着钢绞线数量的增加而呈现增加趋势；结构最大裂缝与钢绞线的数量总体上呈线性变化，随着钢绞线数量的增加而呈现减少趋势。

②T梁的抗弯承载能力和最大裂缝随着跨径的增加而呈现增加趋势。

(3)本文可为钢筋混凝土T梁加固提供一定的参考，对于提高承载能力和延长使用寿命具有一定的参考价值。