预应力混凝土T梁桥体外预应力加固与试验分析

颜鹏飞

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052)

1 引 言

预应力混凝土T梁由于便于标准化预制、工业化架设，在我国公路中小跨径桥梁中使用非常多，单跨跨径小于50 m的桥梁广泛采用该种桥型。早期建设的预应力混凝土T梁桥，由于交通量以及交通荷载的不断提升，长期以来桥梁养护不及时，桥梁病害不断累积且病害程度日益严重，最终导致桥梁承载能力不足，成为危桥，对桥梁行车安全造成威胁。体外预应力加固法作为一种主动加固方法，具有结构截面尺寸小、自重轻、预应力摩擦损失小、施工工期短等显著特点，在桥梁加固中广泛推广采用。

2 桥梁概况

S213线开封黄河公路大桥上部构造采用20 m、50 m预应力混凝土简支T梁。50 m T梁梁高2.6 m，腹板厚18 cm，马蹄底宽50 cm，每跨横向设置7片梁，梁间距2.5 m，纵向设6道中横隔板和2道端横隔板。桥面全宽为18.5 m，原设计横向布置为2.8 m(人行道)+0.6 m(分隔带)+11.7 m(行车道)+0.6 m(分隔带)+2.8 m(人行道)。大桥设计荷载等级为：汽-超20级、挂-120级，人群3.5 kN/m2，于1989年底建成通车。

在历年的运营养护过程中，相继实施了拆除人行道与机动车道隔离带，桥面铺装改造加铺等措施，经过改造后的现状桥面横向布置为0.5 m(护栏)+17.5 m(行车道)+0.5 m(护栏)，现状桥梁典型断面布置如图1所示。

图1 现状桥梁典型断面布置图(单位：cm)

在近年来的桥梁定期检查中发现，50 m T梁桥腹板普遍存在大量斜向裂缝和竖向裂缝，均呈现典型的结构性裂缝特征，且个别桥跨边梁与次边梁裂缝病害程度迅速发展，跨中位置出现严重的开裂现象，桥梁技术状况评定为4类桥，危害桥梁运营安全。

3 桥梁病害分析

(1)从裂缝分布特征来看，跨中附近竖向裂缝为典型的弯曲受力裂缝，产生的原因为跨中位置正截面拉应力超过混凝土极限拉应力；四分点附近斜向裂缝为典型的弯剪型受力裂缝，产生的原因为梁体弯剪区段的主拉应力超过混凝土极限拉应力。

(2)对比桥梁原设计状态，现状桥面行车道宽度较原设计状态宽，且桥面铺装进行了加铺，现状梁体的恒、活载效应均有所增大，对梁体受力会产生一定的不利影响。

(3)根据现场调查，本桥在没有设置限高架之前，实际车流量较大且在不断增长。其中特大型货车无论从数量或总吨位上占比极高，同时货车超载超限情况严重，桥梁承受的实际活载远超过了设计荷载，桥梁处于超负荷运营状态，导致梁体出现了大量的腹板竖向裂缝以及斜向裂缝。

4 桥梁加固方案

4.1 加固方案

基于以上桥梁病害分析，针对50 m T梁因承载能力不足而出现的腹板受力裂缝病害，采用主动加固措施体外预应力进行加固，以提高50 m T梁的抗弯和抗剪承载能力，使梁体承载能力满足规范要求，并具有适当的安全储备。

体外束采用折线型布置形式，在腹板两侧各设置1束体外预应力束，体外束转向块及锚固块均采用钢结构，利用锚栓和注胶粘贴技术锚固在T梁腹板上。钢绞线采用环氧涂覆无粘结钢绞线成品索，每束6-φs15.2 mm，标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，锚下控制张拉应力σcon=0.50fpk=930 MPa。

4.2 理论分析

对T梁的结构分析采用横向分布系数法，按现状考虑桥面车道布置，采用刚接板法计算各梁跨中的活载横向分布系数，采用杠杆法计算各梁支点的活载横向分布系数。通过midas Civil2019建立50 m T梁单梁模型，结构有限元模型如图2所示。

图2 50 m T梁单梁有限模型

通过对T梁原设计状态、现状以及体外预应力加固后结构承载能力进行计算分析，结果如表1所示。

表1 50 m T梁承载能力理论分析结果表

(1)通过现状与原设计状态承载能力对比，拆除原设计桥面人行道与机动车道分隔带后，T梁最不利弯矩效应明显提升，最大提升幅度达16.9%，造成现状结构承载能力不足。

(2)通过加固后与现状承载能力对比，结构抗弯承载能力得以有效提升，采用体外预应力加固后，结构承载能力最小安全系数达1.05，具有一定程度的安全储备。

5 加固前后试验分析

5.1 试验方案

为了验证体外预应力的加固效果以及对结构承载能力进行评定，选取50 m T梁试验跨对其加固前后采用相同的试验方案进行加载分析。根据该桥的结构受力特点，选取跨中最大弯矩截面作为控制截面，拟定跨中最大正弯矩及挠度中载与偏载两个试验工况，各工况试验内容如表2所示。

表2 各工况试验内容表

5.2 挠度分析结果

在跨中截面最大弯矩及挠度工况满载作用下，分别测试跨中截面各片T梁弹性挠度，将采用体外预应力前后T梁实测弹性挠度与理论计算挠度进行对比，如图3～图4所示。

图3 工况一加固前后实测挠度与理论值对比图

图4 工况二加固前后实测挠度与理论值对比图

通过理论计算与加固前后T梁实测挠度对比分析，T梁的挠度变化具有以下特点：

(1)加固前后各T梁的挠度横向分布特性基本相同，实测弹性挠度值均小于理论计算值，说明T梁截面刚度能够满足设计要求。

(2)加固后T梁各测点实测弹性挠度均比加固前显著减小，各主要挠度测点最大减小幅度达35%，加固后T梁抗弯刚度得到较大幅度提高。

5.3 应变分析结果

在跨中截面最大弯矩及挠度工况满载作用下，分别测试跨中截面各片T梁梁底弹性应变，将采用体外预应力前后T梁实测弹性应变与理论计算应变进行对比，如图5～图6所示。

图5 工况一加固前后实测应变与理论值对比图

图6 工况二加固前后实测应变与理论值对比图

通过理论计算与加固前后T梁实测应变对比分析，T梁的应变变化具有以下特点：

(1)加固前后各T梁的应变横向分布特性基本相同，加固前T梁各主要测点实测弹性应变均接近理论计算值，且个别测点实测应变超出理论值，说明加固前T梁结构强度不足。

(2)加固后T梁各测点实测弹性应变均比加固前显著减小，各主要测点最大减小幅度达52%，加固后T梁各测点实测弹性应变均小于理论计算值，且存在一定的富余度，说明采用体外预应力加固后，T梁承载能力得到显著提高。

6 结 论

对50 m预应力混凝土T梁裂缝病害分析，提出采用折线型体外预应力加固方案，进行加固前后理论分析计算，并对其加固前后进行试验加载对比分析，主要得出如下结论：

(1)理论计算与试验加载分析结果表明，加固前T梁的实际承载能力不能满足现状桥梁设计荷载等级要求，结构承载不足以及桥梁长期超载是造成腹板裂缝的主要原因。

(2)通过体外预应力加固前后T梁的实测挠度与应变对比，加固后T梁的实测弹性挠度与应变均明显小于加固前，体外预应力加固对改善结构整体刚度与结构强度具有显著效果。

(3)通过施加体外预应力加固后，S213线开封黄河公路大桥50 m跨径简支预应力混凝土T梁能够满足设计荷载等级要求，承载能力得到显著提高，并具有一定的安全富余度，可供类似项目借鉴参考。