T梁體外預(yù)應(yīng)力加固分析

張軍政，邢文相，黃 潔

(1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京100089;2.日照市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 日照 276800)

1 案例分析

1.1 工程概況

所依據(jù)的工程為某地區(qū)的高速公路。該高速公路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路線長度為11.125 km，雙向四車道。本項(xiàng)目中的橋梁結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+鋼構(gòu)梁。橋梁全長為900 m，總造價(jià)金額為11 804萬元。橋墩形式為柱式墩和薄壁墩，其中最高墩柱為85 m，橋梁樁基的最大長度為55 m，單片梁寬145 cm，梁高1 m，普通鋼筋混凝土強(qiáng)度340 MPa，梁體原設(shè)計(jì)混凝土為C40混凝土。

1.2 預(yù)應(yīng)力張拉的影響

主要分析對(duì)象為連續(xù)段T梁，主要通過midas Civil對(duì)其進(jìn)行模型建立，為分析簡(jiǎn)支變連續(xù)段，T梁各個(gè)截面的受力狀態(tài)，將施工工序進(jìn)行細(xì)化。施工階段1：主要進(jìn)行主梁的拼裝，形成簡(jiǎn)支梁，工期為30 d。施工階段2：進(jìn)行鋼筋的綁扎，墩頂混凝土澆筑，工期為20 d。施工階段3：張拉鋼絞線，施加預(yù)應(yīng)力，工期為1 d。施工階段4：將臨時(shí)支座替換為永久支座，工期為20 d。施工階段5：進(jìn)行橋面鋪裝，工期為15 d。

通過midas Civil對(duì)施工工序進(jìn)行模擬時(shí)，各個(gè)控制截面的彎矩和位移如表1所示。

表1 截面位移、彎矩值

通過模擬分析結(jié)果可知：體系轉(zhuǎn)化完成后，關(guān)鍵截面均產(chǎn)生向上的撓度。最大撓度發(fā)生于跨中位置， 其數(shù)值為2.9 mm。二期鋪裝對(duì)邊跨產(chǎn)生的作用較大。該現(xiàn)象說明負(fù)彎矩的預(yù)應(yīng)力張拉是最主要的工序。當(dāng)工序出現(xiàn)問題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵截面出現(xiàn)損壞和裂縫。

通過以上內(nèi)容分析，本節(jié)進(jìn)行了關(guān)鍵截面的應(yīng)力分析。設(shè)定負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力張拉值分別為標(biāo)準(zhǔn)值的0%、25%、50%、75%。荷載組合情況主要包括恒荷載、支座沉降、偏載作用。不同應(yīng)力下，各個(gè)截面不同位置的應(yīng)力值不同。

張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa(75%fpk)時(shí)，主梁邊梁截面上緣的最大應(yīng)力值為-3.66 MPa；最小應(yīng)力值為-0.16 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-4.94 MPa；最小應(yīng)力值為0.33 MPa。主梁中梁截面上緣的最大應(yīng)力值為-3.66 MPa；最小應(yīng)力值為-0.16 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-4.94 MPa；最小應(yīng)力值為0.33 MPa。

張拉控制應(yīng)力為930 MPa(50%fpk)時(shí)，主梁邊梁截面上緣的最大應(yīng)力值為-2.25 MPa；最小應(yīng)力值為1.25 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-5.04 MPa；最小應(yīng)力值為-0.07 MPa。主梁中梁截面上緣的最大應(yīng)力值為-2.19 MPa；最小應(yīng)力值為0.52 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-3.85 MPa；最小應(yīng)力值為-0.13 MPa。

張拉控制應(yīng)力為465 MPa(25%fpk)時(shí)，主梁邊梁截面上緣的最大應(yīng)力值為-0.81 MPa；最小應(yīng)力值為2.69 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-5.16 MPa；最小應(yīng)力值為-0.18 MPa。主梁中梁截面上緣的最大應(yīng)力值為-0.74 MPa；最小應(yīng)力值為1.96 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-3.97 MPa；最小應(yīng)力值為-0.25 MPa。

張拉控制應(yīng)力為0 MPa(0%fpk)時(shí)，主梁邊梁截面上緣的最大應(yīng)力值為0.11 MPa；最小應(yīng)力值為3.28 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-5.21 MPa；最小應(yīng)力值為-0.23 MPa。主梁中梁截面上緣的最大應(yīng)力值為0.16 MPa；最小應(yīng)力值為2.93 MPa；主梁邊梁截面下緣的最大應(yīng)力值為-4.46 MPa；最小應(yīng)力值為-0.3 MPa。

通過以上分析可以得出：張拉控制應(yīng)力為0.75fpk時(shí)，邊梁上緣最小應(yīng)力值為-3.66 MPa。張拉控制應(yīng)力0fpk時(shí)，邊梁上緣最小應(yīng)力為0.11 MPa。通過應(yīng)力變化可知，隨著張拉控制應(yīng)力減小，邊梁上緣由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。當(dāng)鋼筋的張拉應(yīng)力較小時(shí)，墩頂上緣會(huì)發(fā)生橫向裂縫。

2 “T”梁體外預(yù)應(yīng)力加固特點(diǎn)分析

2.1 梁體體外預(yù)應(yīng)力損失分析

根據(jù)材料性能的不同和預(yù)應(yīng)力施工工藝的不同，會(huì)影響梁體施工過程中運(yùn)輸、安裝和制作以及使用過程都會(huì)造成預(yù)應(yīng)力的損失，從而降低預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力，就會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象的產(chǎn)生，T型梁的體外預(yù)應(yīng)力加固就結(jié)構(gòu)施工方法和構(gòu)造方面與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力相差較大，因此采用體外預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力損失計(jì)算方法也與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)區(qū)別對(duì)待[1-3]。

不管哪種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式的預(yù)應(yīng)力，通常情況將其損失類型分為長期應(yīng)力損失和瞬間應(yīng)力損失兩種應(yīng)力狀態(tài)，由于梁體變形或振動(dòng)會(huì)使得梁體預(yù)應(yīng)力發(fā)生變化稱之為瞬間應(yīng)力變化，此時(shí)預(yù)應(yīng)力部分會(huì)瞬間損失則稱為瞬間應(yīng)力損失，經(jīng)荷載長期作用，產(chǎn)生錨具變形、混凝土開裂、混凝土彈性壓縮、張拉施工損失等由于條件改變不可以恢復(fù)的應(yīng)力稱之為永久應(yīng)力損失，在實(shí)際計(jì)算中一般還會(huì)考慮由于材料性能不同造成的應(yīng)力損失。本次T型梁體外預(yù)應(yīng)力的損失計(jì)算通?？煞譃橐韵氯?。

(1)預(yù)應(yīng)力損失總量估算計(jì)算法

這種方法計(jì)算較為簡(jiǎn)單，計(jì)算過程簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，尤其是在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較為廣泛，對(duì)精度要求不高且要求較低的計(jì)算中優(yōu)點(diǎn)非常明顯，對(duì)于預(yù)應(yīng)力預(yù)估損失量相對(duì)于實(shí)際應(yīng)力損失一般情況有較大的偏差，因此只能適用于一般估算等項(xiàng)目，不能用于對(duì)于預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算較高的計(jì)算中，不適用于項(xiàng)目精確控制。

(2)分項(xiàng)分別計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失法

目前在預(yù)應(yīng)力計(jì)算中，采用最標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法就是分項(xiàng)分別計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失法，分別計(jì)算后將各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失分別疊加，通過系數(shù)調(diào)整，以更加符合實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)。

2.2 “T”梁體外預(yù)應(yīng)力加固基本作用原理

本次采用對(duì)T梁加固采用體外預(yù)應(yīng)力法，以提高橋梁梁體的承載力，將預(yù)應(yīng)力筋固定在梁或板的結(jié)構(gòu)表面，通過增加外部受力結(jié)構(gòu)使梁體錨固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不平衡力偶，以抵抗梁中心撓曲變形，保證梁體在受力情況下產(chǎn)生較小的撓曲變形，達(dá)到保護(hù)梁荷載增加的目的。

通過體外預(yù)應(yīng)力對(duì)梁體加固后形成一個(gè)整體，使原作用于梁體上的力，傳遞至預(yù)應(yīng)力筋上，更好地保護(hù)了原有結(jié)構(gòu)的安全性，體外加固用的預(yù)應(yīng)力有很高的強(qiáng)度，才能大幅度的增加原梁體的承載能力。

增加體外預(yù)應(yīng)力會(huì)增加原梁體的反拱，改變?cè)瓉砹后w的受力體系，由于預(yù)應(yīng)力的作用可以使被加固構(gòu)件產(chǎn)生反拱，從而減少了被加固梁體的受力特點(diǎn)，減小了由于荷載作用對(duì)梁體產(chǎn)生的撓度和拉應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的施加也會(huì)減少結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，使原有的結(jié)構(gòu)裂縫部分閉合，增加了梁體的使用壽命。

2.3 體外預(yù)應(yīng)力加固受力分析

在加固過程中梁體的受力在不斷發(fā)生改變，從原始梁體受力狀態(tài)→體外預(yù)應(yīng)力加載→預(yù)應(yīng)力加載至設(shè)計(jì)值→錨固使用階段，從結(jié)構(gòu)受力分析，除上述受力變化過程外，還主要包括以下階段受力分布特點(diǎn)。為體外預(yù)應(yīng)力加固全過程受力示意圖如圖1所示。

圖1 梁體體外預(yù)應(yīng)力的受力全過程示意圖

橋梁加固受荷階段和卸載階段分析。根據(jù)橋梁的實(shí)際使用狀態(tài)，T形梁加固依據(jù)以下各階段的使用狀態(tài)，僅按照自重來計(jì)算承受荷載情況。

(1)體外預(yù)應(yīng)力加固階段

增加體外預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)荷載的有效轉(zhuǎn)移，卸載活載后，只在自重力作用下梁體變形撓度減小((如圖1中A’B所示)。這個(gè)減小值是由于施加的預(yù)應(yīng)力影響，(如圖1中(a))B點(diǎn)在施加足夠大的預(yù)應(yīng)力情況下可能移到豎曲線右側(cè)，此時(shí)的梁體反拱值要大于梁體在荷載自重共同作用的荷載撓曲變形。

體外預(yù)應(yīng)力使得梁體產(chǎn)生一種不平衡力偶作用，以抵消荷載對(duì)梁體的彎矩，從而更好地達(dá)到梁體加固的目的。

(2)體外預(yù)應(yīng)力加固后受力階段

加固后的T型梁體受力作用下繼續(xù)承受上部荷載和自重作用，如圖1中BB′中所示，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生一定的變形，這種變形不會(huì)破壞梁體的結(jié)構(gòu)，屬于彈性變形，符合實(shí)際使用變形要求范圍值。

(3)極限受力階段

橋梁梁體在未加固前的極限承載力所處的狀態(tài)如圖1中A點(diǎn)所在的受力位置，此時(shí)為了梁體的安全需要及時(shí)卸荷，或通過外力增加橋梁承載能力，使得梁體能夠安全承受所加荷載。處于極限受力狀態(tài)的梁體通常會(huì)伴隨著較大的裂縫產(chǎn)生，此時(shí)對(duì)梁體的受力分析通常采用預(yù)加固后的彈塑性計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算分析。

2.4 不同工序施工對(duì)橋梁的影響

(1)位移分析方法

通過對(duì)1/4L跨截面、梁邊跨、梁中跨的跨中截面荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析了解到，按照不同體外預(yù)應(yīng)力施工方法和不同的施工工序施工時(shí)，主梁發(fā)生位撓曲變形差別很小，單從撓度值研究，可以得出橫向連接與縱向連接施工的先后順序?qū)︻A(yù)應(yīng)力加固橋梁受力影響較小。

(2)應(yīng)力分析方法

對(duì)邊梁和中梁的1/4L截面、1/3L截面、墩柱頂面、1/2L截面應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)施工工序具有以下特點(diǎn)：體外預(yù)應(yīng)力不同的施工加固工序?qū)α后w有一定的影響，但是底梁體承載力影響較小，實(shí)踐證明主梁的應(yīng)力值基本無差異。邊中跨以及邊跨的梁體的運(yùn)營狀態(tài)和荷載承受能力也基本相同，綜上說明施工工序中橫向連接、縱向連接和橋梁的撓曲變形、裂縫病害影響無直接關(guān)系。

2.5 鋼筋腐蝕的影響

混凝土中鋼筋銹蝕化學(xué)變化過程如下。

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

6Fe(OH)3+O3→2Fe3O4+6H2O

當(dāng)鋼筋混凝土的保護(hù)層開裂，鋼筋的截面積減小，混凝土的抗拉強(qiáng)度降低后，最終不能保證構(gòu)件的安全使用性和外觀完整性。為了保證鋼筋不被腐蝕，混凝土的保護(hù)層厚度應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定要求。

2.6 基礎(chǔ)變位的影響

基礎(chǔ)變位對(duì)橋梁影響較大，最主要的措施是施工階段的提前預(yù)防。施工設(shè)計(jì)時(shí)需要保證基礎(chǔ)穩(wěn)定和入巖深度，以防止產(chǎn)生滑移。所在地點(diǎn)的地質(zhì)條件較好，巖體的穩(wěn)定是保證勘察設(shè)計(jì)樁基的穩(wěn)定性前提條件。設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行地基承載能力驗(yàn)算、基礎(chǔ)沉降分析、基礎(chǔ)穩(wěn)定性的驗(yàn)算等。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不理想時(shí)，可對(duì)地基進(jìn)行深層處理或淺層處理。

3 結(jié) 語

通過對(duì)混凝土連續(xù)T梁的裂縫成因及治理進(jìn)行分析得出以下結(jié)論。

(1)通過對(duì)實(shí)際案例中的施工工序進(jìn)行分析可知：預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉應(yīng)力不足時(shí)，該體系墩頂接縫的上緣易出現(xiàn)橫向裂縫，所以為防止裂縫的產(chǎn)生或擴(kuò)大，應(yīng)保證施工過程中張拉應(yīng)力滿足要求。

(2)根據(jù)梁體加固預(yù)應(yīng)力的受力特點(diǎn)，采用體外預(yù)應(yīng)力能夠很好的改善梁體的力學(xué)性能，增加梁的承載能力。

(3)通過對(duì)實(shí)際案例中的主梁的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析可知：(橫向連接，縱向連續(xù))與T型梁橋的裂縫病害無明顯關(guān)系。

(4)為防止鋼筋腐蝕的影響，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)保證混凝土保護(hù)層的厚度。為防止基礎(chǔ)變位的影響，在進(jìn)行施工前應(yīng)做好地質(zhì)條件的調(diào)查以及地基處理工作。