体外预应力技术在桥梁T梁加固中的应用_王贵春.pdf

CM&M 2023.012510 引言桥梁在运营服役中由于各种各样原因，会产生各种病害，为了保证桥梁在计划年限中安全运营，需要采取一定措施，恢复和提高桥梁承载能力。体外预应力加固属于一种主动加固方法，可在一定程度上提高结构承载能力、改善结构抗裂性能。预应力钢绞线有效张拉锚固力较大，对锚固处构造要求较多，而且对局部钻孔植螺栓、构件局部锚固性能要求较高，为保证加固质量达到预期效果，应对加固效果进行进一步研究。1 工程概况某桥梁工程于 1997 年 9 月开工建设，于 2000 年 10 月竣工通车，该桥梁工程全长 2990.5m，桥面宽为 18.5m，共有 75 跨，东西两岸连接线的总长为 14.503km。大桥采用20m 跨径及 50m 跨径预应力混凝土简支 T 梁。下部结构采用单排双柱式桥墩，预应力混凝土盖梁，钻孔灌注桩基础。该桥桥面铺装层采用沥青混凝土，支座采用板式橡胶支座，该 桥 在 0#、12#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#墩台顶，设置一道型钢伸缩缝。连接线工程按平原微丘二级公路标准修建，路基宽 18m，路面宽 15m。通过定期检查发现，该桥主要存在以下病害：T 梁翼缘板破损露筋，横隔板开裂；T 梁腹板跨中位置处存在斜向裂缝，部分裂缝已延伸至马蹄部位；部分支座存在老化开裂；盖梁存在锈胀露筋；桥面铺装层存在网裂；伸缩缝锚固区混凝土开裂、破损；桥面泄水孔普遍存在堵塞。根据该桥各部件的检查情况，根据公路桥梁技术状况评定标准（JTG/TH212011）及公路桥涵养护规范（JTG 51202021）中的要求，将该桥梁工程的技术状况等级评定为 4 级。主要桥梁构件出现了较为严重的损坏，影响到了桥梁结构的正常使用，特别该桥部分 T 梁跨中腹板出现斜向裂缝，且裂缝已延伸至马蹄部位。经过初步分析判断，由于构件的抗弯承载能力不足，导致该桥腹板竖出现斜向裂缝（属于结构受力裂缝）。为了提高其抗弯承载能力，改善梁体的应力状态，需要对该桥T 梁进行加固。2 病害成因分析2.1 T梁腹板裂缝病害经验算，该桥梁工程 T 梁跨中腹板出现了不少斜向裂缝，并且延伸到了马蹄所在部位。出现此裂缝的根本原因，在于该主梁出现了承载力不足的情况。同时该桥梁工程 T梁还出现了抗扭能力不足、截面积较小等问题。在超载车辆的作用下，T 梁所承受的应力值将超过混凝土的容许值，从而引起 T 梁跨中腹板裂缝的出现。随着裂缝的不断发展，其一直延伸到了马蹄部位。2.2 T梁翼板混凝土破损病害主梁翼缘板混凝土破损，主要是因为桥梁在 2013 年，对翼缘板横向联系处进行加固处理期间，对翼缘板增加M16 螺栓，在施工过程中对翼缘板造成了损伤。2.3 T梁翼板裂缝病害T 梁翼板出现横向裂缝为受力产生，主要产生原因为体外预应力技术在桥梁T梁加固中的应用王贵春摘要：通过对某桥梁工程进行检查，发现桥梁存在各种病害，针对病害产生的原因进行了总结，对此提出了在桥梁 T 梁加固方案，通过方案比选，最终决定采用体外预应力技术对桥梁 T 梁进行加固处理。结果表明：加固后 T 梁的正截面抗弯承载能力、斜截面抗剪承载力均满足规范的要求；各梁的最大压应力值均小于规范的限值。此体外预应力技术在桥梁 T 梁加固中的应用效果显著，值得在类型项目中推广和应用。关键词：T 梁；体外预应力技术；桥梁；加固（邢台道桥建设工程有限公司，河北邢台 054000）252工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工车辆超载、混凝土自身徐变等因素。个别部位保护层过薄、箍筋暴露锈蚀、施工中模板位置或钢筋位置有偏差、混凝土振捣不密实、分层浇注等，也是造成这种现象的一些客观原因。2.4 盖梁锈胀露筋病害盖梁锈胀露筋的主要原因，为混凝土徐变引起的细微裂缝吸收水分和侵蚀性气体后锈蚀钢筋，钢筋锈蚀后膨胀，导致保护层剥落露筋。2.5 桥面铺装病害桥面横向裂缝主要发生在桥跨连接处（伸缩缝处除外），主要是因为桥面简易连续而在支座处梁体不连续，运营过程中活载在墩顶产生负弯矩，加上梁体挠曲变形较大。同时由于汽车荷载以及温度变化，导致铺装层产生变形和内力，加速了裂缝的产生。裂缝主要发生在顺桥向第 4 跨左侧，共 1 处。结合现场检查情况，分析造成该种病害的主要原因为，前次铺筑过程中粗骨料离析导致混合料摊铺不均匀，经重型车辆长期碾压后出现该种病害。2.6 伸缩缝病害伸缩缝锚固区混凝土开裂、型钢变形的原因，主要为温度应力、混凝土收缩徐变以及行车道重型车辆荷载等因素。止水条损坏主要是由橡胶条风化所致。3 加固方案3.1 加固方案比选结合该桥梁T梁出现的病害特点以及产生病害的原因，现提出体外预应力钢绞线和体外预应力碳纤维板加固方案，加固方案对比如表 1。3.2 加固方案确定首先，对桥梁结构的承载力进行验算，对桥梁结构的病害进行分析，表明该桥梁工程 T 梁承载力不足的根本原因，是由于跨中裂缝和马蹄底部裂缝病害的出现，导致承载力下降。鉴于此，采用主动体外预应力加固措施，以提高 T 梁的抗弯和抗剪承载能力，改善梁体的应力状况。根据现状桥梁承载力验算结果和病害的严重程度，分别采用体外预应力钢绞线和体外预应力碳纤维板两种加固措施。加固原则：对主跨跨中马蹄底部已出现结构性裂缝的梁板，和 2013 年主梁跨中腹板和马蹄，已采用碳纤维布加固的梁板，采用体外预应力钢绞线加固。对于没有严重裂缝的梁板，采用碳纤维布加固。根据该桥梁结构的病害现状对承载力进行验算，再经过专家组讨论，经过方案比选，最终确定该桥梁工程 T 梁采用预应力钢绞线进行加固处理。具体的施工方案如下：在腹板两侧各设置 1 束体外预应力钢束，钢绞线采用环氧涂覆无粘结钢绞线成品索，每束为 6 丝直径 15.2mm 钢绞线。体外预应力钢束转向块及锚固块采用钢结构，利用锚栓和注胶粘贴技术锚固在 T 梁腹板上，锚下控制张拉应力为 930MPa。体外索预应力钢绞线材料参数见表 2。4 体外预应力加固受力分析4.1 计算模型采用 Midas Civil 2019 有限元分析软件建立加固模型。相对湿度取 80%，升降温差取 20，不考虑不均匀沉降。施工阶段划分按照该桥梁实际施工工序，即预制安装（10天）为第一步，现浇湿接头和张拉负区束（10 天）为第二步，铺装桥面及设备（30天）为第三步，完工使用阶段为第四步，建立从施工阶段到成桥阶段的模型。4.2 承载能力极限状态验算4.2.1 正截面抗弯承载力验算依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG3362-2018）中运营阶段三种组合，对 T 梁跨中正截面抗弯承载能力进行验算，验算结果如表 3 所示。表 1 加固方案对比表类型体外预应力钢绞线体外预应力碳纤维板技术比较优点主动性加固，提高结构承载能力、改善结构抗裂性能主动性加固，锚具、预应力碳板均工厂预制，工艺成熟缺点预应力钢绞线有效张拉锚固力较大，锚固处构造要求较多，需局部钻孔植螺栓，构件局部锚固性能要求较高；同时预应力钢绞线需要转向器装置要求梁体构件厚度尺寸较厚，需锚固较大直径锚栓；锚具需定期防腐处理，预应力碳板耐久性养护要求较高对主梁抗弯承载力提升较大一般可施工性可行可行造价较高一般表 2 体外索预应力钢绞线材料参数表预应力钢绞线弹性模量/MPa容重/（kN/m3）线膨胀系数fDk/MPafDd/MPas15.219500078.51.2e-518601260表 3 跨中正截面抗弯承载能力验算结果项目最大弯矩/（kNm）结构抗力/（kNm）安全系数是否满足边梁组合21084.78623136.5011.10是组合20008.0641.16是组合19406.5261.19是中梁组合19453.59122485.2511.16是组合18561.5581.21是组合17891.8441.26是CM&M 2023.01253参考文献 1 蒋伍林.体外预应力技术在梁式桥梁加固中的应用 J.中阿科 技论坛(中英文),2020(8):106-1082 吴骞.体外预应力技术在桥梁维修加固中的应用 J.城市建设 理论研究(电子版),2018(18):1483 俞锡红.体外预应力技术在桥梁加固中的应用和施工要点 J.城市道桥与防洪,2016(7):186-189+204+20-214 孔旸.桥梁工程中体外预应力技术的应用分析 J.交通世界,2022(15):70-715 邱云.体外预应力技术在连续刚构桥加固中的效果评价研究J.中国新技术新产品,2021(10):124-1266 赵国栋,段世薪,李窍,等体外预应力技术在厂房屋面双 T 板加固中的应用研究 J施工技术,2021.50(9):48-527 龚斌文,闵紫超.体外预应力技术在某大跨度连续箱梁桥加固 中的应用 J.建筑施工,2020,42(11):2143-2144+21514.2.2 斜截面抗剪承载力验算依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG3362-2018）中运营阶段三种组合，对 T 梁控制截面斜截面抗剪承载能力进行验算，验算结果如表 4 所示。4.3 正常使用极限状态验算依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG3362-2018）中规定，按正常使用极限状态设计时，将预应力作为荷载计算其效应，截面正应力验算结果如表 5所示。5 桥梁T梁的体外预应力加固要点体外预应力钢绞线加固属于一种主动加固方法，可以在一定程度上提高结构承载能力、改善结构抗裂性能。但预应力钢绞线有效张拉锚固力较大，对锚固处构造要求较高，因此在加固实施过程中需要注意以下几个方面：锚固块基座应与加强钢板四面围焊连接，并灌注结构胶粘结。加强钢板粘贴至 T 梁腹板上，并用锚固紧固。转向块钢板须粘贴至 T 梁腹板上，并用锚固紧固。锚具的锚垫板应按照设计图纸要求定值，确保其符合现场施工要求。体外预应力钢束采用逐跨分级整体对称张拉的方式，张拉分为 50%、80%、100%三级张拉，具体张拉顺序为：张 拉 1#7#梁 至 50%张 拉 1#7#梁 至 80%张 拉1#7#梁至 100%。同时在张拉过程中须对锚固块、转向架及周边的混凝土应力进行观测及监测，以防止出现混凝土开裂的现象。裂缝部分跨中马蹄加固，采取沿 T 梁断面包夹钢板的方式进行加固，使其恢复使用功能。钢板采用 8mm 厚 U 型Q345C 钢板，采用粘钢板的方式与梁体连接。包夹钢板纵向覆盖产生马蹄网络的横隔板节段梁体，纵向长度为 6m。腹板植筋采用 8.8 级 M12 锚栓。包夹钢板加固应在 T 梁进行体外预应力加固前实施，以保障马蹄碎裂部分不至压崩。马蹄包夹钢板要在体外预应力钢绞线张拉前完成。6 结论通过对体外预应力加固后T梁的抗弯强度和抗剪强度、正应力和主应力的验算，发现无论是极限承载能力的抗弯承载力和抗剪承载力，还是正常使用极限状态的正应力和主应力均能满足规范要求。通过加固改造，T 梁能够满足规范的要求，达到了加固改造的目标。T 梁在体外预应力加固后，在最不利荷载组合作用下，结构承受的最大弯矩小于结构抗力，且具有一定程度的安全储备，正截面抗弯承载能力、斜截面抗剪承载力均满足规范的要求。T 梁在体外预应力加固后，在各荷载组合作用下，跨中下缘截面全部呈现压应力状态，并未出现拉应力，满足规范要求。同时，各梁的最大压应力值均小于规范的限值。表 4 控制截面斜截面抗剪承载能力验算结果项目最大弯矩/（kNm）结构抗力/（kNm）安全系数是否满足边梁支点组合1840.2583650.5451.98是组合1706.1612.14是组合1694.0812.15是中梁支点组合1691.6853479.0662.06是组合1582.7842.20是组合1556.1212.24是表 5 正应力验算结果项目上缘正应力/MPa下缘正应力/MPa最大值限值结论最小值限值结论边梁组合12.97017.5满足-2.3910-42.4满足组合13.31921.0满足-2.3910-42.7满足组合12.97021.0满足-2.3910-42.7满足中梁组合11.91217.5满足-2.