T梁体外预应力加固技术应用研究

余敏

（平利县交通运输局，陕西 安康 725599）

0 引言

随着我国桥梁荷载设计等级的不断提高，同时服役桥梁受到环境、超载车辆等各种不利因素的影响，导致了早期按照旧荷载等级设计的桥梁不能满足现行规范的要求，产生了大量的病害，造成一定的安全隐患。因此，对于早期修建的桥梁有必要按照现行规范开展结构受力分析，根据分析结果确定合理的加固方案。

1 旧标准图T形梁

《装配式钢筋混凝土T形梁》（JT/GQS 025—1984）是按《公路工程技术标准》（JTJ 1—81）进行荷载设计，包括10m,13m,16m及20m装配式钢筋混凝土T形简支梁。本文选取代表性的20mT形简支梁进行相关计算及验算。

《装配式钢筋混凝土T形梁》（JT/GQS 025—1984）中，20m跨径的T梁按汽-15、挂-80、汽-20、挂-100及汽-超20级、挂-120荷载等级设计的尺寸均相同，跨中截面梁高1.5m，翼缘板宽1.6m，翼缘板根部厚0.2m，端部厚0.15m，梁肋厚0.18m，如图1（a）所示。相同跨径、不同设计荷载等级截面尺寸相同，但是配筋有差异，其中按汽-20、挂-100设计的跨中截面配筋如图1（b）所示，梁肋底部配置5排直径为32mm的Ⅱ级钢筋。梁肋宽度从四分点开始由0.18m均匀变宽至梁端的0.35m，单孔跨中、四分点及端部共设置5道横隔板，如图1所示。

2 加固前验算

为使得按照旧规范设计的桥梁满足新规范相应荷载等级的要求，需分别按照新、旧规范进行验算，主要涉及作用效应和组合方式，以确定结构状况，为加固设计提供依据。

图1 T梁标准横断面图（单位：cm）

2.1 结构有限元建模

采用Midas进行有限元建模，全桥共划分为22个单元，23个节点，如图2所示。

图2 有限元模型

2.2 新旧规范对比分析

2.2.1 作用效应

1989年版的《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89）（简称“89通规”）相对于2015年版的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）（简称“15通规”），荷载变化主要体现在汽车荷载、温度荷载两方面，而简支T梁的温度效应不产生内力，因此仅对比汽车荷载效应。

89通规的汽车荷载包括汽-10级、汽-15级、汽-20级及汽-超20级；15通规的汽车荷载分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级，其中公路-Ⅰ级对应原汽-超20级，公路-Ⅱ级对应原汽-20级，取消了汽-10级和汽-15级。在汽车荷载冲击系数计算中，89规范中的冲击系数与跨径成反比，而15通规采用结构基频计算结构冲击系数。按照89通规及15通规汽车荷载的内力计算结果对比见表2。

表2 承载能力极限状态验算

2.2.2 组合方式

15通规与89通规在作用组合形式上变化较大。89通规中，承载能力极限状态和正常使用极限状态一般采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ共3种荷载组合。15通规中，承载能力极限状态设计采用基本组合和偶然组合，正常使用极限状态设计采用频遇组合和准永久组合。

2.3 验算结果

分别按照89通规和15通规对T梁进行结构验算，持久状况承载能力极限状态正截面抗弯承载能力、斜截面抗剪承载能力计算结果见表3。

表3 承载能力极限状态验算

由表3可知，T梁可满足汽-20、挂-100设计荷载要求，但跨中截面正截面抗弯承载能力不满足公路-Ⅱ级设计荷载要求，且抗剪承载能力安全系数较低。如将该桥提升到公路-Ⅱ级，则需对主梁进行加固以提升抗弯及抗剪承载能力。

3 加固计算及验算

体外预应力是一种主动加固方法，可以提升桥梁的承载能力并且改善结构受力，尤其对于T梁，可利用其特点进行体外预应力加固以提升结构性能。

3.1 体外预应力钢束估算

对于梁体承载能力不足的情况，体外预应力钢筋用量按式（1）估算。

式（1）中：Ap为体外预应力钢束的面积；epe为体外预应力钢束的作用力臂长度；M0为加固前的设计弯矩；M1为加固后的设计弯矩。

根据式（1）估算加固所需体外预应力钢束面积，在此基础上进行结构验算，根据验算结果调整体外预应力钢束用量，然后再次验算，循环以上步骤直至满足设计要求。

3.2 承载能力计算

3.2.1 基本假设

用体外预应力加固钢筋混凝土梁的极限抗弯强度计算方法可参照规范中对钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件的强度计算方法。引入以下几点假设：①平截面假设仍然成立；②极限状态下，结构受拉区混凝土开裂退出工作，全部拉力由原梁内钢筋和体外索承担；受压区混凝土的应力仍为矩形应力分布，其应力大小为混凝土抗压强度设计值，混凝土极限压应变为0.003；④原梁中受拉及受压钢筋的应力均达到其强度设计值。

3.2.2 截面平衡方程

按上述假设，由平衡方程可得如下两组方程：

式（2）~式（5）中：fcd为混凝土设计强度；b'f为顶板宽度；x为受压区高度；f'sd,A's分别为受压区钢筋设计强度和面积；σpu,e,Ap,e分别为预应力钢束极限状态应力及其面积；fsd,As分别为受拉区钢筋设计强度和面积；γ0为结构安全系数；Md为抗弯承载能力设计值；h0为截面有效高度；a's为受压区钢筋合力点至截面上缘距离；b为腹板厚度。

3.3 加固后验算

根据式（1）估算所需钢束量，预应力筋采用精轧螺纹钢，则fp=530MPa，经计算所需预应力筋面积为1 047mm2，选取2束φ28钢筋。主梁加固后按受弯构件进行承载能力极限状态计算，持久状况正截面抗弯承载能力、斜截面抗剪承载能力计算结果见表4。

表4 承载能力极限状态验算

由表4可知，加固后结构满足现行规范要求，且有一定安全储备。

4 体外预应力加固构造

T梁体外预应力加固可采用两种布置形式。加固方式一：针对四分点处未设置横隔板情况，利用水平滑块起到转向作用。加固方式二：针对四分点处设置横隔板的情况，可利用横隔板起到转向作用。

4.1 加固方式一

（1）水平筋与斜筋

由高强螺纹粗钢筋组成，构造如图3所示。体外索水平筋为2φ28，斜筋为2φ32，均为冷拉Ⅲ级钢。张拉控制应力取0.8fsd=424MPa。

图3 体外预应力筋布置图（单位：cm）

（2）水平滑块

由连接斜向和水平向预应力钢束的活动滑块支承和固定在梁底的支承钢垫组成。水平滑块的主要功能是通过水平滑动起到转向作用，调整斜筋与水平筋的内力分配，并使局部受力趋于均匀。

4.2 加固方式二

（1）水平筋与斜筋

为一根预应力束，材料可选用高强钢丝、钢绞线等。

（2）U形承托

利用T梁四分点横隔板作为支撑，起到转向作用，加设U形承托减少摩擦，如图4所示。

图4 U形承托示意

5 结语

随着交通量的不断增大，汽车荷载效应也越来越大，按照原荷载等级设计的桥梁面临着不能满足新规范要求的问题，必要时需进行加固。体外预应力加固法是一种主动加固技术，可改善结构的受力状况，提高结构的安全性能。本文提出承载能力补强预应力用量估算法，完善了加固设计流程。以《装配式钢筋混凝土T形梁》（JT/GQS 025—1984）中20mT梁为例，分别按照新旧规范进行验算，结果表明：该类T梁可满足原规范设计要求，但不满足现行规范设计要求。因此采用体外预应力对梁体进行加固，按照T梁的构造特点，提出两种不同的加固布置形式，取得了良好的效果，可为同类桥梁的加固设计提供参考。