T型剛構橋加固及荷載試驗研究

2015-01-08 09:22:46陳照全陳衛全

城市道橋與防洪 2015年7期

陳照全，陳衛全

（1.廣州市承信公路工程檢驗有限公司，廣東廣州511401;2.長沙理工大學，湖南長沙 410076；3.長安大學，陜西西安710000）

1 T型剛構橋

T型剛構橋是一種具有懸臂受力特點的墩梁固結梁式橋，因橋墩向兩側伸懸臂形同T字，故稱為T型剛構橋，主要有帶掛梁T型剛構和帶剪力鉸T型剛構兩種。帶掛梁T型剛構的上部結構由部分懸臂和掛梁組成，屬于靜定體系結構，受力簡單明確。與連續梁相比，具有懸臂法施工階段的受力狀態與運營階段一致，無需體系轉換，省掉設置大噸位支座裝置及更換支座的麻煩。與帶剪力鉸T型剛構相比，雖由于T型剛構單元獨立作用，在受力和變形方面略差一些，但它的受力明確，不受各種內外因素的影響。在跨內因有正、負彎矩分布，其總彎矩圖面積比帶剪力鉸T型剛構小，雖然增加了牛腿構造，但對施工階段的標高控制的精度可以稍放寬些，不需要設置構造復雜的剪力鉸進行強迫合攏和更換剪力鉸處支座的麻煩。

正因為帶掛梁T型剛構橋有以上優點，所以我國在20世紀90年代之前修建了大量的帶掛梁T型剛構橋，但該種橋梁經過長時間的運營，也出現了不少問題。主要有：由于預應力筋應力松弛、混凝土收縮徐變較大造成預應力損失，導致懸臂端撓度過大，跨徑越大越顯著；掛梁與懸臂端之間的接縫較多，徐變后又形成折角，所設置的伸縮縫裝置容易損壞，需要經常維修和更換；各T構之間不能共同工作，其跨徑受到限制。另外，還存在可能由于車輛超載、施工質量差和應力集中等于原因，出現梁體頂板、腹板、底板和根部開裂，牛腿開裂、橋面開裂，梁箱內橫隔板開裂等病害，影響橋梁的耐久性和承載能力。由于帶掛梁T型剛構橋出現以上問題，所以近年來這種橋型很少修建，逐漸變成一種被淘汰的橋型。

2 帶掛梁T型剛構橋加固方法

目前對帶掛梁T型剛構的加固方法，主要有粘貼鋼板加固法、粘貼纖維增強復合材料加固法和體外預應力加固法。對于帶掛梁T型剛構橋，預應力損失大為主要病害，體外預應力加固法最為有效。體外預應力加固機理是在體外對橋梁上部結構施加預應力，是一種主動加固法，以預應力產生的反彎矩部分抵消外荷載產生的內力，從而達到改善橋梁使用性能并提高承載能力的目的。體外預應力加固的特點有：在自重很小的情況下，能較大幅度地改善和調整原結構的受力情況，提高承重結構的剛度、抗裂性；體外預應力筋布置在構件截面以外，其灌漿質量和銹蝕狀況便于檢查，可以修補或更換；由于體外預應力筋的變形與混凝土截面不協調，力筋的應力沿長度方向分布均勻，變化幅度小，能夠有效控制原結構的裂縫和撓度，使裂縫部分或全部閉合；能夠控制和調校體外索的應力。

3 工程實例

某在用公路大橋建于1996年，橋梁全長1130 m，該橋主橋上部結構采用55 m+80 m+55 m懸拼式預應力混凝土T型剛構加30 m掛梁，懸臂長度為25 m，單箱雙室截面，T構根部梁高4.85 m，端部梁高2.00 m，分左右兩幅橋，單幅橋寬11 m。設計荷載：汽車-20級；掛車-100；人群荷載3.5 kN/m2。主橋T型剛構橋立面圖見圖1，縱截面見圖2，橫截面見圖3。

圖1 主橋T型剛構橋立面圖（單位：m）

圖2 主橋T構縱截面圖（單位：cm）

圖3 主橋T構橫截面圖（單位：cm）

該橋經過長時間的運營，受預應力筋應力松弛和混凝土收縮徐變影響，主橋T構懸臂端撓度不斷增大，箱梁頂板、腹板、內橫隔板出現裂縫，經檢測判定主橋承載能力不滿足要求。為提高主橋的承載能力和耐久性，對主橋進行加固，具體加固措施有：

（1）在T構頂板增設6束預應力鋼筋，預應力鋼筋布置見圖4所示，預應力鋼筋采用標準抗拉強度為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱徑為15.2 mm，公稱截面積為140 mm2，張拉控制應力為0.6 fpk=1116 MPa，預應力鋼束采用兩端張拉。施工時，首先將橋面鋪裝混凝土全部鑿除，然后在箱梁頂板的相應位置鑿出深度為20 cm的預留槽用于設置錨固端，預留槽詳見圖5、圖6所示，采用BMI5-5型錨具。預應力管道現場布設及灌漿見圖7、圖8所示。

圖4 T構頂板體外預應力筋布置圖（單位：cm）

圖5 預留槽縱截面圖（單位：cm）

圖6 預留槽平面圖（單位：cm）

圖7 布設預應力管道實景

圖8 預應力管道灌漿實景

（2）箱梁內裂縫灌膠封閉處理，對于寬度小于0.15 mm的裂縫采用環氧水泥表面封閉，對于寬度大于等于0.15 mm的裂縫采用壓力灌注修補膠修補，修補膠選用優質無溶劑型改性環氧樹脂類裂縫注射膠，粘度要求小于200 MPa.s。

（3）箱梁內頂板、腹板及橫隔板粘貼鋼板，主要采取在混凝土表面用錨固螺栓和灌膠材料粘貼鋼板，鋼板采用Q235-B鋼板，厚度為10 mm，錨固螺栓采用5.8級M16高強化學螺栓，粘結劑采用高分子樹脂。

（4）重新鋪設橋面鋪裝，在鑿除原橋面鋪裝時，不得損壞原主梁結構，待原橋面鋪裝鑿除后，對橋面及梁端縫隙進行徹底清理，并要求三涂FYT-1型防水層，新橋面鋪裝完成后的橋面標高必須與原橋面標高一致。

4 加固后靜載試驗分析

應用計算軟件midas civil建模，對該橋受力進行計算分析，計算模型見圖9所示。

圖9 計算模型

4.1 靜載加載試驗方案

選取T構懸臂端部最大撓度、1/2懸臂最大撓度和墩頂最大負變矩三個工況進行加試試驗，墩頂最大負彎矩應變測點布置見圖10所示。對試驗結果與加固前的荷載試驗結果進行對比分析，判定橋梁的加固效果。應變測試，在箱梁底和腹板表面粘貼電阻式應變片，采用靜態應變測試系統進行測試。撓度測試，采用全站儀測量，測試精度為0.01 mm。裂縫觀測，對控制截面派專人查看裂縫開展情況，如有裂縫開展，用裂縫寬度檢測儀測量裂縫寬度及開展情況。

圖10 墩頂最大負彎矩應變測點布置圖(單位：cm)

為了通過靜載試驗在具備的實際可行條件下達到既定試驗目的，荷載試驗遵循如下原則：采用各控制截面內力、各控制點變形等效原則，利用各控制截面活載影響線，計算各試驗工況下實際加載車輛的數量和布載位置。對于在用橋梁，其使用荷載變化情況復雜且長期處于各種荷載作用之下，為使荷載試驗能充分反映結構的受力特點，一般要求采用較高的荷載試驗效率，其取值范圍宜介于0.95～1.05之間。

4.2 靜載試驗結果分析

T構各工況控制截面理論值采用midas civil進行分析,加固前后的實測撓度值與加固后理論撓度值比較分析見表1所列。加固后比加固前大大降低了實測撓度值，表明通過加固增強了T構的剛度，懸臂端部剛度提高了123%,1/2懸臂處提高了166%。撓度卸載殘余變位較小，表明在靜載作用下，結構基本處于彈性工作階段。校驗系數在0.77～0.83之間均小于1，表明加固后T構的實際工作狀況要好于理論狀況，滿足承載能力要求，結構有較高的安全儲備。

在最大負彎矩工況下，控制截面各測點實測應變值與理論值比較見表2所列。相對殘余應變除個別測點較大外，其余測點普遍較小，但都小于20%，表明在最大負彎矩工況下，結構彈性工作性能較好。校驗系數普遍較小，均小于1，表明加固后T構根部的實際抗彎能力要好于理論狀況下的抗彎能力，滿足承載能力要求。

在靜載試驗各工況作用下，T構各控制截面均未出現新增裂縫，既有已封閉裂縫，沒有重新開裂。

5 加固后動載試驗分析

計算模態分析是研究結構動力特性一種近代方法，是仿真模擬方法在工程振動領域中的應用。模態是橋梁結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。采用midas civil對T構進行模態分析,前三階振型見圖11～圖13所示。

5.1 動載試驗測點布置

該項動載試驗根據橋梁的結構特點，在主橋T構懸臂端截面布設測點詳見圖14所示。主要測試主橋在自然脈動、跑車、剎車和跳車四種工況下的動力響應。

5.2 動載試驗測點結果及分析

T構在自然脈動、跑車、剎車和跳車四種工況下的主振頻率見表3所列，T構在各種工況下的實測主頻均大于理論計算主頻2.546 Hz，表明結構剛度的實際狀況要好于理想狀況。T構在自然脈動、跑車40 km/h、剎車40 km/h和跳車工況下的加速度時程曲線見圖15～圖18所示。T構加速度時程曲線衰減較快，表明結構的阻尼較大。