简支T梁桥桥面纵向裂缝病害治理技术探讨

龙开林

（贵州省公路建设养护集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

梁桥工程中，T梁制造工艺简单，可规范、快速预制，并且受力较好，适用范围较广，上部采用简支T梁非常普遍[1]。但是早期一些简支T梁桥随着经济的快速发展，道路通行量及重型车辆的日益增加，加重了桥梁通行负担。原来的简支T梁桥，在服役一段时期后，桥面铺装易产生裂纹等病害，给桥梁安全使用带来较大隐患。因此，必须考虑长效的有效处治措施或方法。经过对桥梁检测统计数据分析，存在的纵向裂缝集中于湿接缝周围，此类病害的形成与翼缘板受较大拉应力和湿接缝抗剪能力不足直接相关。常规处治方式为翻新桥面，但翻新后依然在较短时间内容易出现二次裂缝[2]。该文以某公路服役多年T梁桥为例，分析其桥面纵向裂缝的成因针对性地制定有效的处治方案。并利用ANSYS有限元分析软件论证加固措施的可行性，为早期仍服役桥梁处治该类病害提供一种可行性方法。

1 工程概况

某公路桥梁上部构造为简支T梁，桥跨组合为7×30 m，横向5片T梁；设计荷载汽车-20，挂车-100级。T梁翼缘板间湿接缝宽度20 cm，翼缘板通过钢筋连接，T梁跨中横断面见图1。

图1 T梁跨中横断面

该T梁桥服役以来曾在2016年进行加固，并且桥面因裂纹较多，进行了翻新。基于最新检测统计数据可知，该桥桥面存在较多明显的纵向裂缝，且仍在快速扩展，裂缝分布表现出以下特点[3]：

（1）裂缝增长速度快，2019—2021年，裂缝从最初的3条增长至8条。

（2）经调查，裂缝扩展和交通情况直接关联，其中左半幅重载车辆较多，裂缝较多。

（3）沿桥向每跨桥面，纵向裂缝较集中于跨中处，横向裂缝集中于湿接缝处。

（4）边梁、次边梁间的湿接缝处的纵向裂缝占比达85%。

2 病害成因分析

2.1 有限元模型

分析检测数据发现该T梁桥桥面纵向裂缝集中于翼缘板湿接缝周围±0.4 m范围内，根据钻孔实体检测可知，产生裂缝的T梁湿接缝钢筋混凝土厚度较薄，仅有5~11.9 cm，桥面混凝土厚度较多地方不足10 cm，最薄处仅有5.9 cm。因此可基本认定纵向裂缝的形成和湿接缝厚度有直接关联。

为确定纵向开裂的成因，采用ANSYS有限元分析软件建立30 mT梁实体模型（见图2）。该桥T梁为简支形式，梁端支座处须考虑位移；桥面、梁体共节点连接。

图2 一跨桥梁结构有限元模型

2.2 T梁加载工况

T梁加载受力主要包括T梁自重、二期恒载、预应力及车辆荷载。考虑受力最不利情况，在顺桥梁方向，行车经过跨中横隔板，车轮荷载直接作用于无横隔板区域；横桥方向，考虑3种加载工况，轮压分别作用于湿接缝上、湿接缝左侧、湿接缝右侧，车辆荷载横向工况见图3。

图3 车辆荷载横向工况示意图（单位：cm）

2.3 结果分析

由于桥面纵向裂缝可能是剪切应力、横向拉应力过大导致的，基于车辆荷载横向布置计算结果可知，边梁受力对于裂缝的形成影响最大。

（1）借助ANSYS有限元分析软件进行实体建模分析，应力分布情况如下：1）若车轮荷载作用于湿接缝上，湿接缝处顶面压应力最大值为7.03 MPa，底部拉应力最大值为5.64 MPa；2）若车轮荷载作用于湿接缝边梁侧，其剪切应力最大为1.77 MPa，底部拉应力最大为4.79 MPa；3）若车轮荷载作用于湿接缝中梁侧，其剪切应力为 1.22 MPa左右，底部拉应力为5.75 MPa。

（2）根据车轮位置不同计算分析，湿接缝处的桥面横向拉应力最大值约5.75 MPa，已大大超过剪切应力最大值1.77 MPa。因此，纵向裂缝的主要成因是湿接缝处桥面混凝土及T梁翼缘板厚度不足，结构刚度较小所致。桥面纵向裂缝与行车位置及荷载密切相关，分析结果和实地调查，均为左半幅桥面裂缝较多。

3 加固设计分析

3.1 加固设计

桥面纵向裂缝的主要原因是较薄湿接缝及连接刚度不足。导致湿接缝较薄的原因主要有几种情况：1）翼缘板厚度设置偏薄；2）T梁混凝土浇筑时，施工不当，导致偏薄；3）预应力实施后，梁体中部起拱偏高，为保证桥面铺装层厚度，导致湿接缝偏薄；4）翼缘板边缘未凿毛，湿接缝连接效果较差。为改善连接刚度，拟采取以下处治措施[4]：

（1）改造湿接缝。为提高T梁翼缘板之间的湿接缝横向连接强度，对原较薄湿接缝进行清除加厚。首先应清理掉湿接缝及左右周边10 cm区域内的T梁翼缘板混凝土，保留翼缘板原有钢筋，并进行纵横向钢筋加强，顶上预埋Ø10弯起钢筋，以便联结桥面钢筋；采用C50微膨胀细石混凝土现浇湿接缝。湿接缝加固尺寸见图4。

图4 湿接缝改造示意图

（2）增加预应力横梁加固，以提升该桥T梁翼缘板、桥面局部刚度及横向整体结构强度。在翼缘板底部每隔两个横隔板中间设置一个横梁，以植筋结构连接主梁腹板和翼缘板；每跨共设四道横梁，横向贯穿5片T梁，在两边外侧梁翼缘板下设置张拉锚固端；横梁在腹板处高30 cm，整体宽100 cm；每道横梁设3束预应力，每束预应力设2根高强度低松弛钢绞线，ƒpk=1 860 MPa，在腹板处钻孔通过；钢绞线张拉应力为0.7ƒpk=1 302 MPa。预应力横梁加固示意图见图5。

图5 预应力横梁加固示意图

（3）桥面翻新，增加桥面混凝土强度及桥面整体结构强度；强化翼缘板顶部连接。清除现有桥面铺装层，同时在桥面加铺孔距10 cm×10 cm Ø8钢筋网；将现有桥面铺装厚度增加3 cm，改造后的厚度达到9~15.9 cm；桥面采用强度等级C50的微膨胀钢纤维混凝土现浇[5]。

3.2 加固效果

根据上述三方面综合处治措施后建立实体模型，计算分析处治措施的实际效果。

（1）利用ANSYS有限元分析软件建立实体模型，计算加固后桥面铺装底面及T梁翼缘底面的应力分布。依据应力分布计算结论数据可知:在行车载荷影响下，桥面拉应力主要分布于湿接缝处；T梁拉应力主要分布于湿接缝底部。

（2）根据ANSYS有限元仿真结果，经过处治后的桥面结构应力变化见表1。

（3）分析表1的结构应力计算值可知：

表1 结构应力计算值

1）处治后的结构湿接缝位置的桥面铺装拉应力最大仅为0.04 MPa，T梁腹板处桥面拉应力从0.96 MPa减少至0.44 MPa；

2）处治后的车轮处翼缘板底部拉应力从1.51 MPa减少至0.33 MPa，腹板处翼缘板顶面的拉应力从0.51 MPa减少至0.15 MPa，由此可见，上述处治措施可显著提升T梁整体刚度，降低T梁整体应力；

3）湿接缝经过改造后，湿接缝处T梁翼缘板所受弯矩由湿接缝承受，再通过增设小横梁和桥面翻新措施进行结构加固，将湿接缝处的拉应力由最大5.75 MPa降至0.36 MPa。

（4）在湿接缝无横隔板区域采用粘贴高精度振弦式外表应变计进行行车状态下结构应力检测，检测平均数据见表2。

表2 加固后结构应力检测值

对比加固后检测湿接缝应力数据与利用ANSYS有限元分析软件建模计算数据，理论计算与实际结果两者比较接近。

通过上述的改造措施，该桥梁采用改造湿接缝、增设预应力横梁、桥面翻新的综合处治措施后，湿接缝处及桥面整体受力情况得到较大改善，桥面、T梁翼缘及湿接缝应力明显减小，T梁整体结构强度得到显著提升。

4 结论

该文通过对某桥梁实体检测数据分析了T梁桥面纵向裂缝的形成原因。简支T梁桥梁因翼缘板及湿接缝刚度不足，在车辆长期作用下，湿接缝处的桥面拉应力较大，引发底缘开裂，并扩展至桥面顶层，桥面形成较明显反射裂缝。利用ANSYS有限元软件分析后，提出针对性的处治措施，再利用ANSYS软件结合实体检测验证该处治措施的可行性。

由此可知，采取“改造湿接缝、增设预应力小横梁、桥面翻新”的综合处治加固措施，能够有效提升早期T梁的横向刚度，改善梁体横向受力情况，使其受力更均匀。经过处治后的桥面铺装及T梁翼缘应力显著减少，该类桥梁病害得到明显的改善。该处治措施应用效果良好，具备可行性。