混凝土工字梁加固技術(shù)及性能提升分析*

袁晟

(長(zhǎng)沙理工檢測(cè)咨詢(xún)有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410076)

中國(guó)在役公路橋梁的設(shè)計(jì)年限一般為50年或100年,修建較早的橋梁中相當(dāng)一部分已進(jìn)入老化期,并表現(xiàn)出承載能力及耐久性不足的問(wèn)題[1],日益增長(zhǎng)的交通量及超重超載運(yùn)輸更加劇了橋梁的損傷。截至2021年12月,全國(guó)已建公路橋梁96.11萬(wàn)座,其中特大橋梁約0.74萬(wàn)座、大橋13.45萬(wàn)座[2]、中小跨徑橋梁約81.92萬(wàn)座,中小跨徑橋梁約占全部公路橋梁的85.2%,中小跨徑橋梁的檢測(cè)評(píng)估、維修改造設(shè)計(jì)等非常繁重。

增大截面、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力、粘貼鋼板與復(fù)合材料加固法是鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁常用加固方法。增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力是一種主動(dòng)加固法,相對(duì)于其他加固方法,該方法在控制裂縫發(fā)展、提高承載能力等方面具有較大優(yōu)勢(shì),且學(xué)者進(jìn)行了大量理論及試驗(yàn)研究[3-6]。粘貼鋼板是一種被動(dòng)加固方法,通過(guò)鋼材優(yōu)異的力學(xué)性能提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力[7-9]。裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工便捷,是早期中小跨徑橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式之一,且隨著材料及施工技術(shù)的發(fā)展不斷得到優(yōu)化[10-11]。對(duì)于裝配式橋梁結(jié)構(gòu),增強(qiáng)橫向聯(lián)系,提高梁截面橫向受力,避免出現(xiàn)單板受力狀態(tài)非常重要[12-13]。本文以某20 m跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁維修加固為背景,通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算,對(duì)比分析采用增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力、梁底粘貼鋼板及增設(shè)跨中截面橫隔板加固前后工字梁的荷載橫向分布、應(yīng)力狀態(tài)、極限承載能力的變化,分析性能改善效果,為同類(lèi)型中小跨徑梁橋維修加固提供參考。

1 工程概況

某大橋引橋?yàn)?0 m跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁,采用B類(lèi)部分預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì),6～7跨一聯(lián)。全橋分左右兩幅,每幅橋面凈寬11.128 m,單幅橋由4片梁組成,主梁間距3.2 m。橋面鋪裝采用水泥混凝土,厚度8 cm。工字梁預(yù)制梁高1.1 m,現(xiàn)澆橋面板厚0.2 m。邊跨采用1束12φj15.24 mm和1束7φj15.24 mm鋼絞線,中跨采用2束7φj15.24 mm鋼絞線,12φj15.24 mm鋼絞線的張拉力為2 184 kN,7φj15.24 mm鋼絞線的張拉力為1 305.4 kN。預(yù)應(yīng)力工字梁采用C50混凝土,橋面板采用C35混凝土。橋梁橫斷面見(jiàn)圖1。

該橋前一次維修中對(duì)墩頂結(jié)構(gòu)連續(xù)處腹板和端橫隔板采用增大截面、橫橋向張拉預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行了加固。檢測(cè)發(fā)現(xiàn):工字梁跨中附近存在腹板豎向裂縫、底板橫向裂縫及U形裂縫,裂縫寬度一般為0.10～0.25 mm,最大裂縫寬度達(dá)0.35 mm;橋面板存在縱向裂縫,位于主車(chē)道位置,開(kāi)裂較嚴(yán)重,大多數(shù)裂縫縱向通長(zhǎng),最大裂縫寬度達(dá)0.40 mm。工字梁技術(shù)狀況評(píng)定為三類(lèi),須進(jìn)行維修加固。

2 維修加固措施

為保護(hù)原加固成果,不適合對(duì)墩頂處進(jìn)行解聯(lián)張拉預(yù)應(yīng)力將墩頂及跨中同時(shí)加固至A類(lèi)構(gòu)件。因此,將梁體加固目標(biāo)確定為正常使用極限狀態(tài)滿(mǎn)足JTJ 023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中B類(lèi)構(gòu)件要求,承載能力極限狀態(tài)滿(mǎn)足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

該橋工字梁裂縫寬度超過(guò)B類(lèi)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)允許裂縫寬度(0.1 mm),橋面板結(jié)構(gòu)裂縫寬度超過(guò)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)允許裂縫寬度(0.2 mm)。究其原因,主要是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通量迅速增長(zhǎng),重型車(chē)輛日益增多,原結(jié)構(gòu)不足以滿(mǎn)足當(dāng)前汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求,加上橫向聯(lián)系較弱,橋面板縱向開(kāi)裂,工字梁?jiǎn)伟迨芰?yán)重,橋梁承載能力不足?；诖?提出如下維修加固措施:1) 在工字梁跨中增設(shè)一道橫隔板,并對(duì)其施加橫向預(yù)應(yīng)力;2) 工字梁增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力;3) 工字梁底粘貼鋼板;4) 局部橋面板底粘貼鋼板(見(jiàn)圖2)。

跨中新增橫隔板采用C40混凝土,梁底粘貼規(guī)格為1 820 mm×550 mm×8 mm的鋼板,體外預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格及張拉控制力見(jiàn)表1。

圖2 工字梁加固布置示意圖(單位:cm)

表1 體外預(yù)應(yīng)力束參數(shù)

3 性能提升分析

3.1 跨中增設(shè)橫隔板對(duì)橫向受力的影響

分別建立20 m工字梁跨中增設(shè)橫隔板加固前后的梁格模型,并分別施加單位力于邊跨及中跨各梁跨中,計(jì)算各梁荷載橫向分布影響線。計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 20 m工字梁加固前后梁格模型

通過(guò)梁格模型模擬計(jì)算,得到20 m簡(jiǎn)支變連續(xù)工字梁跨中增設(shè)橫隔板前后荷載橫向分布影響線(見(jiàn)圖4)。從圖4可以看出:跨中增設(shè)橫隔板,橋梁全寬范圍內(nèi),邊跨邊梁、邊跨中梁、中跨邊梁及中跨中梁的橫向分布影響線數(shù)值最大值分別由1.031、0.543、1.059、0.571降低至0.833、0.355、0.852、0.358,降低幅度分別為19.2%、34.6%、19.5%、37.3%,大幅提高了工字梁的橫向剛度,改善了工字梁的橫向受力,降低了工字梁?jiǎn)伟迨芰︼L(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)各梁荷載橫向分布影響線,計(jì)算邊跨及中跨各梁在設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載作用下跨中截面的荷載橫向分布系數(shù),計(jì)算圖示見(jiàn)圖5。

圖4 工字梁加固前后荷載橫向分布影響線對(duì)比

圖5 荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算圖示(單位:結(jié)構(gòu)尺寸為cm)

以加固前邊跨邊梁為例,其荷載橫向分布系數(shù)為:

m邊梁=1/2×(0.85+0.50+0.28+0.09)=0.86

邊跨及中跨各梁荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出:工字梁跨中增設(shè)橫隔板后,橋梁橫向聯(lián)系大幅加強(qiáng),增大了邊梁的荷載橫向分布系數(shù),但大幅度降低了中梁的荷載橫向分布系數(shù),降低幅度最大達(dá)19.9%。因此,邊梁體外預(yù)應(yīng)力束張拉控制應(yīng)力采用1 200 MPa,中梁體外預(yù)應(yīng)力束張拉控制應(yīng)力采用900 MPa,以充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能。

3.2 加固措施對(duì)承載能力的影響

基于荷載橫向分布系數(shù),建立體外預(yù)應(yīng)力及梁底粘貼鋼板加固前后單梁計(jì)算模型(見(jiàn)圖6),分別計(jì)算加固改造前后20 m工字梁正常使用極限狀態(tài)及極限承載能力兩種荷載組合下的應(yīng)力及承載能力。荷載組合如下:荷載組合Ⅰ=1.0恒載+1.0活載+1.0鋼束次內(nèi)力(正常使用極限狀態(tài)荷載組合);荷載組合Ⅱ=1.2恒載+1.2鋼束次內(nèi)力+1.4活載(極限承載能力荷載組合)。

表2 各梁荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖6 加固前后單梁計(jì)算模型

圖7為荷載組合Ⅰ作用下工字梁加固前后應(yīng)力包絡(luò)圖。由圖7可知:加固前,受原預(yù)應(yīng)力荷載影響,在荷載組合Ⅰ作用下,20 m工字梁基本處于壓應(yīng)力狀態(tài),但中跨跨中處壓力儲(chǔ)備較小,最小處僅0.4 MPa。隨著橋梁服役年限的增長(zhǎng),預(yù)應(yīng)力損傷加大,且材料性能退化,其壓應(yīng)力儲(chǔ)備將更小甚至無(wú)壓應(yīng)力儲(chǔ)備,當(dāng)交通量大幅增長(zhǎng)時(shí),汽車(chē)荷載效應(yīng)增大,工字梁開(kāi)裂,處于B類(lèi)部分預(yù)應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)在超重超載反復(fù)疲勞荷載作用下,工字梁損傷加大,裂縫寬度不斷發(fā)展,從而產(chǎn)生超限裂縫,承載能力進(jìn)一步降低。加固后,在荷載組合Ⅰ作用下,20 m工字梁除墩頂無(wú)預(yù)應(yīng)力區(qū)域外,全橋范圍內(nèi)均處于壓應(yīng)力狀態(tài),且壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大,最小處為2.8 MPa,滿(mǎn)足當(dāng)前設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)(公路-Ⅰ級(jí))的通行要求。

圖7 加固前后荷載組合Ⅰ作用下工字梁應(yīng)力

圖8為荷載組合Ⅱ作用下工字梁加固前后荷載效應(yīng)與抗力包絡(luò)圖。由圖8可知:加固前,在荷載組合Ⅱ作用下,中跨主梁抗力小于荷載效應(yīng),極限承載能力不能滿(mǎn)足當(dāng)前設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求,應(yīng)進(jìn)行維修加固。加固后,在荷載組合Ⅱ作用下,全橋范圍內(nèi),主梁抗力均大于荷載效應(yīng),滿(mǎn)足當(dāng)前設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求。

圖8 加固前后荷載組合Ⅱ作用下工字梁荷載效應(yīng)及

20 m工字梁加固前后各梁跨中斷面荷載效應(yīng)與抗力見(jiàn)表3。由表3可知:加固前,邊跨邊梁、中跨邊梁與中梁的抗力與荷載效應(yīng)比分別為0.99、0.84、0.86,均小于1,不滿(mǎn)足當(dāng)前設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求;邊跨中梁的抗力與荷載效應(yīng)比為1.02,雖然抗力大于荷載效應(yīng),但安全儲(chǔ)備極小。對(duì)主梁采用體外預(yù)應(yīng)力及梁底粘貼鋼板加固后,抗力提升顯著,邊跨邊梁與中梁、中跨邊梁與中梁的抗力與荷載效應(yīng)比分別為1.33、1.49、1.25、1.39,均大于1,且有較大安全儲(chǔ)備,相對(duì)于加固前,加固后工字梁的抗力最大提升106.9%,加固效果較好。

表3 加固前后各梁荷載效應(yīng)及抗力對(duì)比

20 m工字梁加固后正常使用極限狀態(tài)滿(mǎn)足JTJ 023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中B類(lèi)構(gòu)件要求,承載能力極限狀態(tài)滿(mǎn)足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。實(shí)際改造效果應(yīng)根據(jù)加固后成橋荷載試驗(yàn)結(jié)果及交工驗(yàn)收結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定。

4 結(jié)論

(1) 跨中截面增設(shè)橫隔板能大幅提高工字梁的橫向剛度,橫向分布影響線數(shù)值最大降低37.3%;能增大邊梁的荷載橫向分布系數(shù),降低中梁的荷載橫向分布系數(shù),最大降低幅度為19.9%;能降低工字梁?jiǎn)伟迨芰︼L(fēng)險(xiǎn)。

(2) 采用體外預(yù)應(yīng)力束加固工字梁能有效提高工字梁的壓應(yīng)力儲(chǔ)備,壓應(yīng)力儲(chǔ)備值由0.4 MPa提高至2.8 MPa,滿(mǎn)足B類(lèi)部分預(yù)應(yīng)力正常使用極限狀態(tài)的要求。

(3) 增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力及梁底粘貼鋼板加固工字梁能大幅提高工字梁的極限承載能力,加固后抗力與荷載效應(yīng)比最小為1.25,極限抗力最大提升106.9%。