T梁体外预应力加固分析

2022-05-16张军政邢文相

黑龙江交通科技 2022年3期

张军政，邢文相，黄洁

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京100089;2.日照市公路事业发展中心，山东日照 276800)

1 案例分析

1.1 工程概况

所依据的工程为某地区的高速公路。该高速公路设计速度为100 km/h，路线长度为11.125 km，双向四车道。本项目中的桥梁结构形式为预应力混凝土T梁+钢构梁。桥梁全长为900 m，总造价金额为11 804万元。桥墩形式为柱式墩和薄壁墩，其中最高墩柱为85 m，桥梁桩基的最大长度为55 m，单片梁宽145 cm，梁高1 m，普通钢筋混凝土强度340 MPa，梁体原设计混凝土为C40混凝土。

1.2 预应力张拉的影响

主要分析对象为连续段T梁，主要通过midas Civil对其进行模型建立，为分析简支变连续段，T梁各个截面的受力状态，将施工工序进行细化。施工阶段1：主要进行主梁的拼装，形成简支梁，工期为30 d。施工阶段2：进行钢筋的绑扎，墩顶混凝土浇筑，工期为20 d。施工阶段3：张拉钢绞线，施加预应力，工期为1 d。施工阶段4：将临时支座替换为永久支座，工期为20 d。施工阶段5：进行桥面铺装，工期为15 d。

通过midas Civil对施工工序进行模拟时，各个控制截面的弯矩和位移如表1所示。

表1 截面位移、弯矩值

通过模拟分析结果可知：体系转化完成后，关键截面均产生向上的挠度。最大挠度发生于跨中位置，其数值为2.9 mm。二期铺装对边跨产生的作用较大。该现象说明负弯矩的预应力张拉是最主要的工序。当工序出现问题时，会导致关键截面出现损坏和裂缝。

通过以上内容分析，本节进行了关键截面的应力分析。设定负弯矩预应力张拉值分别为标准值的0%、25%、50%、75%。荷载组合情况主要包括恒荷载、支座沉降、偏载作用。不同应力下，各个截面不同位置的应力值不同。

张拉控制应力为1 395 MPa(75%fpk)时，主梁边梁截面上缘的最大应力值为-3.66 MPa；最小应力值为-0.16 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-4.94 MPa；最小应力值为0.33 MPa。主梁中梁截面上缘的最大应力值为-3.66 MPa；最小应力值为-0.16 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-4.94 MPa；最小应力值为0.33 MPa。

张拉控制应力为930 MPa(50%fpk)时，主梁边梁截面上缘的最大应力值为-2.25 MPa；最小应力值为1.25 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-5.04 MPa；最小应力值为-0.07 MPa。主梁中梁截面上缘的最大应力值为-2.19 MPa；最小应力值为0.52 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-3.85 MPa；最小应力值为-0.13 MPa。

张拉控制应力为465 MPa(25%fpk)时，主梁边梁截面上缘的最大应力值为-0.81 MPa；最小应力值为2.69 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-5.16 MPa；最小应力值为-0.18 MPa。主梁中梁截面上缘的最大应力值为-0.74 MPa；最小应力值为1.96 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-3.97 MPa；最小应力值为-0.25 MPa。

张拉控制应力为0 MPa(0%fpk)时，主梁边梁截面上缘的最大应力值为0.11 MPa；最小应力值为3.28 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-5.21 MPa；最小应力值为-0.23 MPa。主梁中梁截面上缘的最大应力值为0.16 MPa；最小应力值为2.93 MPa；主梁边梁截面下缘的最大应力值为-4.46 MPa；最小应力值为-0.3 MPa。

通过以上分析可以得出：张拉控制应力为0.75fpk时，边梁上缘最小应力值为-3.66 MPa。张拉控制应力0fpk时，边梁上缘最小应力为0.11 MPa。通过应力变化可知，随着张拉控制应力减小，边梁上缘由压应力变为拉应力。当钢筋的张拉应力较小时，墩顶上缘会发生横向裂缝。

2 “T”梁体外预应力加固特点分析

2.1 梁体体外预应力损失分析

根据材料性能的不同和预应力施工工艺的不同，会影响梁体施工过程中运输、安装和制作以及使用过程都会造成预应力的损失，从而降低预应力筋的应力，就会造成预应力损失现象的产生，T型梁的体外预应力加固就结构施工方法和构造方面与体内预应力相差较大，因此采用体外预应力的应力损失计算方法也与传统预应力结构区别对待[1-3]。

不管哪种预应力结构形式的预应力，通常情况将其损失类型分为长期应力损失和瞬间应力损失两种应力状态，由于梁体变形或振动会使得梁体预应力发生变化称之为瞬间应力变化，此时预应力部分会瞬间损失则称为瞬间应力损失，经荷载长期作用，产生锚具变形、混凝土开裂、混凝土弹性压缩、张拉施工损失等由于条件改变不可以恢复的应力称之为永久应力损失，在实际计算中一般还会考虑由于材料性能不同造成的应力损失。本次T型梁体外预应力的损失计算通常可分为以下三类。

(1)预应力损失总量估算计算法

这种方法计算较为简单，计算过程简单，实用性强，尤其是在初步设计阶段应用较为广泛，对精度要求不高且要求较低的计算中优点非常明显，对于预应力预估损失量相对于实际应力损失一般情况有较大的偏差，因此只能适用于一般估算等项目，不能用于对于预应力损失计算较高的计算中，不适用于项目精确控制。

(2)分项分别计算预应力损失法

目前在预应力计算中，采用最标准的计算方法就是分项分别计算预应力损失法，分别计算后将各项预应力损失分别叠加，通过系数调整，以更加符合实际预应力损失状态。

2.2 “T”梁体外预应力加固基本作用原理

本次采用对T梁加固采用体外预应力法，以提高桥梁梁体的承载力，将预应力筋固定在梁或板的结构表面，通过增加外部受力结构使梁体锚固结构产生不平衡力偶，以抵抗梁中心挠曲变形，保证梁体在受力情况下产生较小的挠曲变形，达到保护梁荷载增加的目的。

通过体外预应力对梁体加固后形成一个整体，使原作用于梁体上的力，传递至预应力筋上，更好地保护了原有结构的安全性，体外加固用的预应力有很高的强度，才能大幅度的增加原梁体的承载能力。

增加体外预应力会增加原梁体的反拱，改变原来梁体的受力体系，由于预应力的作用可以使被加固构件产生反拱，从而减少了被加固梁体的受力特点，减小了由于荷载作用对梁体产生的挠度和拉应力，预应力的施加也会减少结构裂缝的产生，使原有的结构裂缝部分闭合，增加了梁体的使用寿命。

2.3 体外预应力加固受力分析

在加固过程中梁体的受力在不断发生改变，从原始梁体受力状态→体外预应力加载→预应力加载至设计值→锚固使用阶段，从结构受力分析，除上述受力变化过程外，还主要包括以下阶段受力分布特点。为体外预应力加固全过程受力示意图如图1所示。

图1 梁体体外预应力的受力全过程示意图

桥梁加固受荷阶段和卸载阶段分析。根据桥梁的实际使用状态，T形梁加固依据以下各阶段的使用状态，仅按照自重来计算承受荷载情况。

(1)体外预应力加固阶段

增加体外预应力实现荷载的有效转移，卸载活载后，只在自重力作用下梁体变形挠度减小((如图1中A’B所示)。这个减小值是由于施加的预应力影响，(如图1中(a))B点在施加足够大的预应力情况下可能移到竖曲线右侧，此时的梁体反拱值要大于梁体在荷载自重共同作用的荷载挠曲变形。

体外预应力使得梁体产生一种不平衡力偶作用，以抵消荷载对梁体的弯矩，从而更好地达到梁体加固的目的。

(2)体外预应力加固后受力阶段

加固后的T型梁体受力作用下继续承受上部荷载和自重作用，如图1中BB′中所示，构件会产生一定的变形，这种变形不会破坏梁体的结构，属于弹性变形，符合实际使用变形要求范围值。

(3)极限受力阶段

桥梁梁体在未加固前的极限承载力所处的状态如图1中A点所在的受力位置，此时为了梁体的安全需要及时卸荷，或通过外力增加桥梁承载能力，使得梁体能够安全承受所加荷载。处于极限受力状态的梁体通常会伴随着较大的裂缝产生，此时对梁体的受力分析通常采用预加固后的弹塑性计算方法进行计算分析。

2.4 不同工序施工对桥梁的影响

(1)位移分析方法

通过对1/4L跨截面、梁边跨、梁中跨的跨中截面荷载试验数据进行分析了解到，按照不同体外预应力施工方法和不同的施工工序施工时，主梁发生位挠曲变形差别很小，单从挠度值研究，可以得出横向连接与纵向连接施工的先后顺序对预应力加固桥梁受力影响较小。

(2)应力分析方法

对边梁和中梁的1/4L截面、1/3L截面、墩柱顶面、1/2L截面应力数据进行分析发现施工工序具有以下特点：体外预应力不同的施工加固工序对梁体有一定的影响，但是底梁体承载力影响较小，实践证明主梁的应力值基本无差异。边中跨以及边跨的梁体的运营状态和荷载承受能力也基本相同，综上说明施工工序中横向连接、纵向连接和桥梁的挠曲变形、裂缝病害影响无直接关系。