体外预应力加固简支T梁桥提载效果分析

2014-01-12郭文龙吕立宁

山西交通科技 2014年5期

毛敏，郭文龙，吕立宁

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

0 引言

运营中的桥梁不但受到环境、有害化学物质的侵蚀，还要承受风、地震、车辆等自然环境和人为因素的作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，导致结构各部分不同程度的损伤和劣化；再加上设计规范和理论的不完善、施工质量问题以及运营交通量剧增、车辆超载等多方面的原因，目前相当数量的桥梁已提前发生损伤，导致结构退化，甚至出现安全问题，这就涉及到桥梁加固。另外还有相当一部分的桥梁涉及到路网升级，公路等级提高，这使得原有桥梁的承载能力不能满足要求，需要提载加固。

目前桥梁加固方法有增大截面法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、改变结构体系加固法等[1]。其中，体外预应力加固属于主动加固，加固效果最为显著[2]。体外预应力钢束具有布置灵活、受力明确、安全可靠，施工过程无需中断交通等优点；特别是体外预应力在后期结构运营过程中可以实现对钢绞线进行二次张拉或换索，这些优势是其他加固方法所无法比拟的[3]。

1 工程概况

1.1 桥梁结构形式

桥梁全长144.2 m，桥面单幅宽度为1.75 m(人行道)＋9 m（行车道）＋1.75 m（中央分隔带）。上部结构为7×20 m钢筋混凝土简支T梁，横向布置5片T梁；下部结构为双柱式墩、柱式台，钻孔灌注桩基础。桥梁总体布置图、断面图分别见图1、图2。原设计荷载等级：汽车-20级，挂车-100。因车流量增大、路网升级等原因，需要将荷载等级提高到公路-Ⅰ级。

图1 桥梁总体布置图（单位：cm）

图2 桥梁断面图（单位：cm）

1.2 桥梁提载加固前检测结果

提载加固前首先对原桥进行检测，了解桥梁目前的运营状况；然后选取部分试验跨进行荷载试验，评估桥梁的受力性能。

1.2.1 桥梁病害检测结果

经过现场调查，桥梁主要病害如下。

a）上部结构腹板有大量竖向裂缝，主要分布于各跨L/8～7L/8之间，间距30～50 cm，竖向裂缝从梁底向上延伸40～60 cm不等，裂缝宽度一般在0.05～0.2 mm之间。第四跨1号边梁L/2处有1条竖向裂缝从梁底延伸至翼板根部，缝宽0.5 mm。湿接缝渗水、侵蚀严重；混凝土局部剥落、露筋。部分T梁翼板边缘雨水侵蚀并伴有白华；大部分横隔板焊接钢板松动。

b）附属设施桥面凹凸不平、有多处龟裂和坑槽，第六跨桥面从5号墩到3L/4范围有2道2～5 mm宽的纵向裂缝。桥面连续处均已开裂。部分栏杆破损、锈蚀严重，人行道存在严重错台现象。泄水孔有不同程度的渗水，泄水管锈蚀严重，部分支座被填埋。主要典型病害见图3。

图3 桥梁典型病害

1.2.2 桥梁荷载试验结果

2011年8月进行荷载试验（加固前），加载采用汽车-20级，挂车-100标准加载，加载荷载效率为：跨中正弯94.0%、支点剪力94.0%。荷载试验结果表明：原桥的抗弯强度及抗弯刚度基本能满足原设计荷载等级（汽车-20级，挂车-100）的要求，但安全储备不足。

1.2.3 主要病害原因分析

该桥原设计为普通钢筋混凝土结构，按照设计梁体允许开裂。但由于该桥车流量大且重载车辆密集，在大流量、密集重载车辆的反复作用下，造成部分裂缝宽度超出了设计允许值，梁体承载能力下降。

预制横隔板之间仅采用一道6 cm宽的钢板焊接，横向联系较弱。在汽车荷载的反复作用下，大部分焊接钢板已松动。这导致部分主梁“单梁受力”，使得单梁承受荷载过大，长期处于超设计荷载状态，恶化桥梁受力状况。桥面铺装破损，也加速病害的发展。

2 提载加固设计总体方案

根据桥梁病害调查、加固前荷载试验报告、提载等级以及理论计算，制定如下体外预应力加固方案：a）拆除桥面铺装并凿除纵向湿接缝。b）处治梁体病害。c）每片T梁腹板两侧各张拉一束3-φS15.2的无黏结预应力钢铰线，支点附近竖向粘贴双层Ⅲ型碳纤维布。d）用钢板加强横隔板联系，现浇纵向湿接缝。e）浇筑12 cm厚双层钢筋网混凝土桥面。

加固设计方案图见图4，加固后的实桥效果见图5。

图4 加固设计方案图

图5 实桥加固效果图

3 提载加固效果验证

3.1 加固后荷载试验结果

2014年3月完成了提载加固后的荷载试验，本次加载采用公路-Ⅰ级标准加载，加载荷载效率为：跨中正弯99.3%、支点剪力104.1%。试验结果如下。

由各主要控制测试断面混凝土正应力校验系数表可以看出，加固后正应力的上缘校验系数主要集中在0.51～0.65范围内，下缘平均校验系数集中在0.51～0.59范围内，表明试验跨主梁现有的抗弯强度能够满足加固设计要求。各主梁控制测试断面混凝土正应力校验系数见表1。

表1 各主要控制测试断面混凝土正应力校验系数表（加固后）

由各主要控制测点挠度校验系数表可以看出，加固后挠度值的校验系数主要集中在0.54～0.63范围内，平均校验系数集中在0.55～0.65范围内，表明试验跨主梁现有的抗弯刚度能够满足加固设计要求。各主要控制断面挠度校验系数见表2。

表2 各主要控制断面挠度校验系数表（加固后）

3.2 加固前后荷载试验结果对比

为了直观评估加固效果，2014年3月荷载试验加载2的荷载效应和2011年8月荷载试验加载2荷载效应相当。通过对比加固前后结构响应可知，加固后相同荷载效应作用下结构控制断面下缘应变降低值主要集中在14%～33%，3～5号梁平均降低16%～31%；结构控制断面挠度降低值主要集中在25%～36%，3～5号梁平均降低21%～38%，加固效果明显。加固前后应变、挠度对比见表3、表4。