裝配式簡支T梁體外預應(yīng)力加固技術(shù)應(yīng)用

張王樂元，張薺豐，盛可鑒

(1.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050；2．長春市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，吉林 長春 130041)

隨著建設(shè)交通強國偉大構(gòu)想的逐步實施，我國橋梁事業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇。目前，我國已成為擁有橋梁數(shù)量最多的國家。但是，隨著新建橋梁的快速發(fā)展，為數(shù)眾多的舊橋，尤其是裝配式簡支T梁橋的加固與維護問題日益突出[1]。體外預應(yīng)力加固技術(shù)作為一種主動的加固方式[2-4]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中小跨徑簡支梁橋的抗彎加固。

本文以體外預應(yīng)力加固設(shè)計理論為基礎(chǔ)，依托實際工程，研究裝配式簡支T梁橋體外預應(yīng)力加固技術(shù)的應(yīng)用，探討體外筋錨固裝置的設(shè)計及施工過程以及施工控制問題，為體外預應(yīng)力加固技術(shù)在中小跨徑裝配式簡支T梁橋中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

該橋中心樁號為K10+645.0，左右兩幅，交角90°，跨徑組合6～20 m，橋梁全長125.34 m，上部結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼筋混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩、樁基礎(chǔ)，見圖1所示。設(shè)計荷載為汽車超-20級、掛-120級，橋面凈寬為0.75+11.5+0.75 m，車行道部分由五片鋼筋混凝土T梁組成，主梁間距2.3 m，預制T梁梁高1.5 m，現(xiàn)澆濕接縫寬度0.6 m，與橋面鋪裝整體化澆筑，鋼筋混凝土橋面鋪裝厚度14 cm。

圖1 原橋概況

1.1 原橋主梁病害概況

根據(jù)橋梁外業(yè)調(diào)查和檢測結(jié)果，按照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》(JTG/TH21-2011)對阿凌達河大橋進行技術(shù)狀況等級評定，該橋技術(shù)狀況等級為3類橋。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG/H11-2004)中的相關(guān)規(guī)定，橋梁需要進行中修。

該橋主梁的主要病害為：“T形主梁開裂，斜裂縫寬度未達到規(guī)范所允許的0.3 mm的限制，部分跨中豎向裂縫已接近規(guī)范所允許的0.25 mm的限制，但未超限?！爆F(xiàn)場檢查主梁開裂情況見圖2—圖3所示。

圖2 跨中豎向開裂情況

圖3 支點附件斜截面開裂情況

1.2 主梁加固方案

1.2.1 原加固方案

針對T型主梁已帶裂縫運營多年，承載能力存在不同程度的消減的狀況，原橋大修工程施工圖中提出了采取粘貼鋼板法對原有T形進行加固補強的改造方案。

1.2.2 本文采用加固方案

選取該橋左幅1#橋孔3#主梁，在梁端至1/4跨范圍內(nèi)，粘貼豎向鋼板，以提高主梁斜截面抗剪承載能力；主梁跨中梁底張拉體外預應(yīng)力筋，以提高正截面抗彎承載能力。

加固設(shè)計荷載標準按原設(shè)計荷載設(shè)計，具體方案設(shè)計如下：

1)抗彎加固。采用體外預應(yīng)力技術(shù)進行加固。在每根梁端底部距梁端1.58 m處增設(shè)體外預應(yīng)力筋錨固區(qū)，并在兩處1/4跨處分別設(shè)置體外預應(yīng)力筋錨固區(qū)。預應(yīng)力筋自距梁端1.58 m處體外預應(yīng)力筋錨固區(qū)，跨過跨中，至另一側(cè)的1/4跨設(shè)置體外預應(yīng)力筋錨固區(qū)。每處錨固2根環(huán)氧涂層無粘結(jié)預應(yīng)力鋼絞線。距梁端1.58 m處，至相鄰側(cè)1/4跨，鋼絞線根數(shù)為2根，兩處1/4跨間的鋼絞線根數(shù)為4根，可避免設(shè)置短鋼束，實現(xiàn)減少預應(yīng)力應(yīng)力損失的效果。底部鋼絞線與既有結(jié)構(gòu)形成抗彎抗力增量和剛度增量，使既有結(jié)構(gòu)的抗彎抗力提升且使撓度減小。

2)抗剪加固。采用粘貼鋼板加固。梁端至1/4跨范圍內(nèi)，在腹板粘貼豎向鋼板條，鋼板條寬10 cm，間距15 cm，并設(shè)置6根M10螺栓對拉錨固，以提高主梁斜截面抗裂性及抗剪承載力。

2 錨固裝置及減震器的設(shè)計

2.1 錨固裝置的設(shè)計

根據(jù)橋梁實際情況，體外預應(yīng)力筋錨固裝置設(shè)計如圖4—圖5所示。錨固裝置由錨固鋼板、U形鋼板、加勁鋼板焊接而成，U形鋼板側(cè)板預留Φ20螺栓孔，底板預留Φ24化學錨栓孔。

圖4 錨固裝置設(shè)計

圖5 錨固裝置現(xiàn)場情況

2.2 減震器的設(shè)計

體外預應(yīng)力體系減震裝置用于轉(zhuǎn)向塊與轉(zhuǎn)向塊或錨固塊與轉(zhuǎn)向塊之間的體外索自由長度較大的位置，主要目的是減少體外索在動荷載作用下的振動。本次分別在兩L/4和跨中設(shè)置3道減震裝置，減震裝置設(shè)計采用鋼構(gòu)件，通過螺栓與原橋相聯(lián)系。具體設(shè)計情況如圖6所示。

圖6 體外筋減震器

3 體外預應(yīng)力加固施工過程監(jiān)控

舊橋加固有別于新橋建設(shè)，尤其是對已經(jīng)存在病害的橋梁。由于施工過程中許多不確定因素的存在，以及原橋梁體混凝土質(zhì)量的不均勻等，施工過程存在著一定的危險性。所以，為保證橋梁加固施工過程中的安全，需要對施工中的關(guān)鍵工序以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、裂縫等方面進行監(jiān)控，以達到預期加固設(shè)計的目的。

3.1 測點布置和數(shù)據(jù)采集

3.1.1 測點布置

1)主梁混凝土應(yīng)變監(jiān)測。在體外索張拉過程中，通過在跨中斷面貼應(yīng)變片或振弦式應(yīng)力計的方法，對主梁混凝土的縱向應(yīng)變進行測量。在試驗梁跨中斷面的其中一個側(cè)面沿梁高布置5個混凝土應(yīng)變片，另一側(cè)沿梁高布置3個、梁底布置1個振弦式應(yīng)變計，測點布置如圖7所示。

圖7 跨中斷面混凝土應(yīng)變測點布置圖

2)主梁撓度監(jiān)測。選取試驗梁跨中斷面為撓度監(jiān)測點，隨時測量主梁在張拉時的變形情況。在試驗梁的跨中設(shè)置1個位移傳感器。

3)錨固鋼板變形監(jiān)測。利用千分表(或百分表)測量錨固箱在張拉過程中的變形情況。在試驗梁1#、2#筋的張拉端和錨固端的錨固鋼板上分別布設(shè)2個百分表，以測量張拉時錨固裝置的縱向變形。具體測點布置位置如圖8所示。

圖8 錨固裝置位移測點布置圖

4)體外預應(yīng)力筋應(yīng)變。對于直線布筋的試驗梁，在4#體外筋布設(shè)3個應(yīng)變測點，測點布置如圖9所示。

圖9 體外CFRP筋應(yīng)變測點布置圖

5)體外索張拉伸長量監(jiān)測。張拉過程中，分級張拉體外索的同時，分級監(jiān)測體外索的張拉伸長量，并隨時與理論計算值進行比較。若發(fā)現(xiàn)實測值與理論值不符，則停止張拉，待查明原因后確保萬無一失后方可繼續(xù)施工。

6)主梁主要裂縫監(jiān)測。選取主梁的主要裂縫，利用裂縫觀測儀，觀測裂縫在張拉過程中的發(fā)展情況。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

測試采用的主要儀器設(shè)備有TDS-503靜態(tài)采集儀、BZ2205C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等，如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

3.2 主梁跨中斷面應(yīng)力監(jiān)測

張拉過程中，主梁跨中梁底混凝土的累積應(yīng)力情況見表1所示。

表1 主梁梁跨中截面梁底混凝土累積應(yīng)力

從表中可以看出，主梁跨中截面梁底混凝土累計應(yīng)力的實測值小于理論計算值，其比值在 0.85～0.95 之間，實測值與理論值吻合良好。

3.3 體外索張拉伸長量監(jiān)測

在分級張拉過程中，在每一級別上均需監(jiān)測體外索的張拉伸長量，并隨時與理論計算值進行比較。對體外索的監(jiān)控主要從張拉力以及伸長量兩個方面進行雙控。

由于體外預應(yīng)力與體內(nèi)預應(yīng)力在張拉控制上存在著差異，實際量測的體外索張拉伸長量比理論計算值偏大。在施工過程中，體外索張拉伸長量與計算值的偏差均控制在 6%范圍內(nèi)。所有體外索的張拉噸位均滿足設(shè)計要求，體外索外表完好，張拉過程中無滑絲、斷絲等現(xiàn)象發(fā)生。

3.4 主梁撓度監(jiān)測

體外索張拉時試驗主梁跨中截面的變形情況如圖11所示。

圖11 實測主梁跨中撓度(向上為正)

全部張拉結(jié)束后，實測主梁中跨累積變形為0.47 mm，主梁的下?lián)献冃位謴洼^小。

3.5 主梁主要裂縫監(jiān)測

由橋梁外觀檢查結(jié)果可知，梁體豎向受力裂縫主要分布在跨中，根據(jù)加固設(shè)計文件要求，對梁體所有受力裂縫進行封閉灌膠處理。在裂縫封閉處理結(jié)束以后，進行體外索的張拉。

由于張拉過程中，施加的預應(yīng)力會對梁體產(chǎn)生預壓力的作用，有利于跨中范圍內(nèi)的裂縫閉合。在監(jiān)測過程中，通過選取幾條關(guān)鍵裂縫作為監(jiān)控跟蹤對象，利用裂縫觀測儀進行分級觀測。經(jīng)過觀測，張拉過程中裂縫始終閉合，無開展及其他異?，F(xiàn)象。

4 加固效果評價

綜合施工過程及監(jiān)控的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1)本加固工程增大了主梁的應(yīng)力儲備，有效地改善了主梁的應(yīng)力狀態(tài)。

計算結(jié)果表明，通過增設(shè)體外預應(yīng)力鋼束，有效地增加了橋梁跨中截面下緣的壓應(yīng)力儲備，加固后的應(yīng)力狀態(tài)遠好于原來的應(yīng)力狀態(tài)。

2)本橋加固工程顯著提高了主梁的抗彎承載能力，加固效果良好。

根據(jù)《無粘結(jié)預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/92-2004) ，按二次效應(yīng)可以近似計算加固后主梁正截面抗彎承載能力為Mu=3 270 kN，較加固前主梁正截面抗彎承載力Mu=2 810 kN，加固后主梁抗彎承載力提高了16%。說明，體外預應(yīng)力加固技術(shù)可以顯著提高簡支T梁的抗彎承載力，加固效果良好。

3)采用可調(diào)可換的體外索系統(tǒng)，為以后的維護提供了極大的方便。

本加固設(shè)計首次采用了可換可調(diào)式的體外預應(yīng)力錨具體系，該錨具的特點是可以重復調(diào)整體外索的拉力，并且在體外索出現(xiàn)破壞時可以整根更換，為以后橋梁的維護提供了極大的方便。在以后橋梁的運營過程中，可以根據(jù)梁體的實際受力需要，以及鋼錨箱和體外索的實際工作情況，對體外索進行噸位補拉、更換等措施，以使橋梁結(jié)構(gòu)滿足正常的使用要求。

5 結(jié) 論

1)監(jiān)測結(jié)果表明，在加固施工過程中，整個施工過程平穩(wěn)、安全，沒有發(fā)生異常現(xiàn)象，達到了維修加固工程的質(zhì)量和安全要求。

2)體外預應(yīng)力加固技術(shù)可以顯著提高簡支T梁的抗彎承載力，加固效果良好。

3)工程實踐證明，本文設(shè)計的體外筋錨固裝置是安全的，能夠滿足中小跨徑簡支梁橋的加固要求，具有一定的推廣應(yīng)用價值。