原太高速小翼緣預(yù)應(yīng)力混凝土T梁加固設(shè)計

邱建冬，姚海星

（1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012；2.山西省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

1 工程概述

原太高速1998年投入運(yùn)營至今，全線橋梁均開始出現(xiàn)不同程度的病害，以30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁病害最為嚴(yán)重。本文以滹沱河2號大橋為依托，對其上部結(jié)構(gòu)T梁加固進(jìn)行論述。該橋上部結(jié)構(gòu)為（10×30+10×30）m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁組合結(jié)構(gòu)，橋面凈寬為2×12.25 m，原橋設(shè)計車輛荷載為：汽-超20，驗算荷載為掛-120。

圖1 30 m跨連續(xù)T梁橫斷面圖（單位：cm）

該種橋型主梁為小翼緣T梁，通過澆筑橋面板的方式將橫向T梁連接成整體，T梁與橋面板沒有設(shè)置門式鋼筋連接，橋面板不能很好地與主梁一起參與受力，且主梁間沒有設(shè)置橫隔板，橫向剛度較弱，主梁端部之間僅通過普通鋼筋連接成連續(xù)結(jié)構(gòu)，隨著梁體的使用，負(fù)彎矩區(qū)的混凝土很快因受拉不足，會出現(xiàn)裂縫，退出工作形成實際更接近簡支梁的體系，從而增大跨中截面的作用力。經(jīng)過歷年的定期檢測，該橋主梁裂縫呈每年遞升的趨勢，裂縫主要沿主梁的縱向、橫向、豎向、斜向布置。全橋共計240片主梁，其中開裂主梁有109片，占總量的45%。主梁也存在蜂窩、麻面、混凝土剝落、露筋等病害，病害如圖2、圖3所示。

圖2 主梁腹板豎向裂縫圖

圖3 主梁混凝土剝落、露筋

2 加固方案設(shè)計

針對滹沱河2號大橋主梁承載能力降低，本文制定了以下兩種加固方案。

a）方案一 部分主梁正彎矩體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)+墩頂橋面板增設(shè)抗拉粗鋼筋。

對于邊跨主梁及中跨開裂嚴(yán)重（裂縫條數(shù)大于10條）的主梁采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，每片梁增設(shè) 2×（3-φ15.2）鋼絞線。

圖4 體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)圖

圖5 主梁墩頂橋面板增設(shè)鋼筋布置圖

通過在主梁橋面板設(shè)置直徑28 mm的抗拉鋼筋，并充分考慮雙鋼混凝土橋面板對主梁截面特性的貢獻(xiàn)，提高主梁在后期活荷載作用時的承載力，滿足在正常使用極限狀態(tài)下墩頂主梁裂縫寬度小于0.2 mm要求。

b）方案二 墩頂增設(shè)水平束無黏結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固。

對于本橋而言，主梁同一般簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)一樣呈現(xiàn)二階段受力特性，即體系轉(zhuǎn)換前的恒荷載（簡支梁自重、新澆筑橋面板濕重）均由簡支梁承擔(dān)，體系轉(zhuǎn)換后增加的荷載（二期鋪裝、護(hù)欄、活荷載）由橋面板與梁的組合截面共同承擔(dān)。但是由于結(jié)構(gòu)未在墩頂張拉負(fù)彎矩鋼束，構(gòu)件的初始剛度發(fā)生了改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力特性呈現(xiàn)出不完全連續(xù)特性。為卸載結(jié)構(gòu)跨中的正彎矩效應(yīng)，相應(yīng)提高橋梁的承載力，可通過改變結(jié)構(gòu)體系使原橋由結(jié)構(gòu)連續(xù)體系轉(zhuǎn)換為受力連續(xù)體系結(jié)構(gòu)。

通過墩頂布設(shè)水平負(fù)彎矩鋼束，卸載主梁跨中正彎矩效應(yīng)。負(fù)彎矩鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強(qiáng)度無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨下張拉控制力σcon，e=0.6fpk=1 116 MPa，每片梁增設(shè) 3×（3-φ15.2）鋼絞線。

針對滹沱河2號大橋橫向剛度較弱，本文制定了新增橫隔梁+重新澆筑橋面板混凝土的加固方案。

由于本橋未設(shè)跨中橫隔梁，從而使得橋跨結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系減弱，剛度下降。通過在跨中、1/4、3/4位置設(shè)置橫隔梁，可以加強(qiáng)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系，提高橋梁整體剛度及承載能力，改善橋梁使用性能。

鑿除原橋面板混凝土及瀝青鋪裝層，重新澆筑17 cm雙鋼碳纖維混凝土橋面板，加強(qiáng)主梁連接性能，形成橋面板單元整體受力模式。

圖6 主梁墩頂負(fù)彎矩鋼束布置圖

圖7 新增橫隔梁布置圖

圖8 新澆橋面板布置圖

3 加固前后主梁計算分析

鑒于目前該橋主梁濕接縫位置已嚴(yán)重開裂，綜合主梁現(xiàn)有病害及車輛運(yùn)營特征偏安全取簡支結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。T梁計算模擬應(yīng)計入預(yù)應(yīng)力損失、剛度損失、橋梁承載能力惡化系數(shù)等折減系數(shù)，以期能夠涵蓋結(jié)構(gòu)目前可能所處的受力狀態(tài)，定量地對橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行分析評估。按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[1]（JTG/T J21—2011）和橋梁定期檢查結(jié)果，對于主梁承載能力極限狀態(tài)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行取值，確定預(yù)應(yīng)力損失為20%。

圖9 原橋三維模型

利用MIDAS有限元程序模擬該橋加固前后主梁的受力特性，并進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分析驗算，工況按照以下3種工況。

a）工況1（加固前） 原結(jié)構(gòu)（承載能力折減）、預(yù)應(yīng)力損失20%+汽車荷載。

圖10 加橫隔板三維模型

b）工況2（加固后） 原結(jié)構(gòu)（承載能力折減）、預(yù)應(yīng)力損失20%+汽車荷載+體外預(yù)應(yīng)力加固（方案一）+3道中橫梁+17 cm橋面板鋪裝。

c）工況3（加固后） 原結(jié)構(gòu)（承載能力折減）、預(yù)應(yīng)力損失20%+汽車荷載+體外預(yù)應(yīng)力加固（方案二）+3道中橫梁+17 cm橋面板鋪裝。

計算結(jié)果如表1～表4所示。

表1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算 kN·m

表2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算 MPa

表3 持久狀況應(yīng)力驗算 MPa

表4 受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力的驗算 MPa

從上述計算分析中可知，橋梁加固前原橋主梁的承載能力已經(jīng)不能滿足容許值要求，經(jīng)過加固后兩種方案主梁的承載能力比加固前有了大幅度的提高。且加固后的主梁能夠滿足結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用極限狀態(tài)驗算要求，表明主梁兩種加固方案均有效可行。

4 方案比選

表5 方案比選表

5 結(jié)論

本文以滹沱河2號大橋為依托，針對其病害及結(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)提出了相應(yīng)的加固方案，通過MIDASCIVIL軟件對加固后的橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算分析。根據(jù)《公橋規(guī)》[2]對其持久狀況承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)，均進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)力驗算，得出該橋梁主梁的承載能力有了極大的提高，且主梁的應(yīng)力均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。針對該種橋型結(jié)構(gòu)主梁的病害，該種加固方案在理論和實際當(dāng)中均是合理可行的，對以后該類型橋梁的病害加固提出一定的指導(dǎo)意義。