原太高速小翼緣預應力混凝土T梁加固設計

邱建冬，姚海星

（1.山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012；2.山西省交通職業技術學院，山西 太原 030031）

1 工程概述

原太高速1998年投入運營至今，全線橋梁均開始出現不同程度的病害，以30 m的預應力混凝土T梁病害最為嚴重。本文以滹沱河2號大橋為依托，對其上部結構T梁加固進行論述。該橋上部結構為（10×30+10×30）m先簡支后連續預應力混凝土T梁組合結構，橋面凈寬為2×12.25 m，原橋設計車輛荷載為：汽-超20，驗算荷載為掛-120。

圖1 30 m跨連續T梁橫斷面圖（單位：cm）

該種橋型主梁為小翼緣T梁，通過澆筑橋面板的方式將橫向T梁連接成整體，T梁與橋面板沒有設置門式鋼筋連接，橋面板不能很好地與主梁一起參與受力，且主梁間沒有設置橫隔板，橫向剛度較弱，主梁端部之間僅通過普通鋼筋連接成連續結構，隨著梁體的使用，負彎矩區的混凝土很快因受拉不足，會出現裂縫，退出工作形成實際更接近簡支梁的體系，從而增大跨中截面的作用力。經過歷年的定期檢測，該橋主梁裂縫呈每年遞升的趨勢，裂縫主要沿主梁的縱向、橫向、豎向、斜向布置。全橋共計240片主梁，其中開裂主梁有109片，占總量的45%。主梁也存在蜂窩、麻面、混凝土剝落、露筋等病害，病害如圖2、圖3所示。

圖2 主梁腹板豎向裂縫圖

圖3 主梁混凝土剝落、露筋

2 加固方案設計

針對滹沱河2號大橋主梁承載能力降低，本文制定了以下兩種加固方案。

a）方案一 部分主梁正彎矩體外預應力補強+墩頂橋面板增設抗拉粗鋼筋。

對于邊跨主梁及中跨開裂嚴重（裂縫條數大于10條）的主梁采用體外預應力進行補強，每片梁增設 2×（3-φ15.2）鋼絞線。

圖4 體外預應力補強圖

圖5 主梁墩頂橋面板增設鋼筋布置圖

通過在主梁橋面板設置直徑28 mm的抗拉鋼筋，并充分考慮雙鋼混凝土橋面板對主梁截面特性的貢獻，提高主梁在后期活荷載作用時的承載力，滿足在正常使用極限狀態下墩頂主梁裂縫寬度小于0.2 mm要求。

b）方案二 墩頂增設水平束無黏結體外預應力加固。

對于本橋而言，主梁同一般簡支變連續結構一樣呈現二階段受力特性，即體系轉換前的恒荷載（簡支梁自重、新澆筑橋面板濕重）均由簡支梁承擔，體系轉換后增加的荷載（二期鋪裝、護欄、活荷載）由橋面板與梁的組合截面共同承擔。但是由于結構未在墩頂張拉負彎矩鋼束，構件的初始剛度發生了改變，導致結構受力特性呈現出不完全連續特性。為卸載結構跨中的正彎矩效應，相應提高橋梁的承載力，可通過改變結構體系使原橋由結構連續體系轉換為受力連續體系結構。

通過墩頂布設水平負彎矩鋼束，卸載主梁跨中正彎矩效應。負彎矩鋼束采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度無黏結預應力鋼絞線，錨下張拉控制力σcon，e=0.6fpk=1 116 MPa，每片梁增設 3×（3-φ15.2）鋼絞線。

針對滹沱河2號大橋橫向剛度較弱，本文制定了新增橫隔梁+重新澆筑橋面板混凝土的加固方案。

由于本橋未設跨中橫隔梁，從而使得橋跨結構的橫向聯系減弱，剛度下降。通過在跨中、1/4、3/4位置設置橫隔梁，可以加強橋跨結構的橫向聯系，提高橋梁整體剛度及承載能力，改善橋梁使用性能。

鑿除原橋面板混凝土及瀝青鋪裝層，重新澆筑17 cm雙鋼碳纖維混凝土橋面板，加強主梁連接性能，形成橋面板單元整體受力模式。

圖6 主梁墩頂負彎矩鋼束布置圖

圖7 新增橫隔梁布置圖

圖8 新澆橋面板布置圖

3 加固前后主梁計算分析

鑒于目前該橋主梁濕接縫位置已嚴重開裂，綜合主梁現有病害及車輛運營特征偏安全取簡支結構進行計算分析。T梁計算模擬應計入預應力損失、剛度損失、橋梁承載能力惡化系數等折減系數，以期能夠涵蓋結構目前可能所處的受力狀態，定量地對橋梁現狀進行分析評估。按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》[1]（JTG/T J21—2011）和橋梁定期檢查結果，對于主梁承載能力極限狀態相關系數進行取值，確定預應力損失為20%。

圖9 原橋三維模型

利用MIDAS有限元程序模擬該橋加固前后主梁的受力特性，并進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分析驗算，工況按照以下3種工況。

a）工況1（加固前） 原結構（承載能力折減）、預應力損失20%+汽車荷載。

圖10 加橫隔板三維模型

b）工況2（加固后） 原結構（承載能力折減）、預應力損失20%+汽車荷載+體外預應力加固（方案一）+3道中橫梁+17 cm橋面板鋪裝。

c）工況3（加固后） 原結構（承載能力折減）、預應力損失20%+汽車荷載+體外預應力加固（方案二）+3道中橫梁+17 cm橋面板鋪裝。

計算結果如表1～表4所示。

表1 持久狀況承載能力極限狀態驗算 kN·m

表2 持久狀況正常使用極限狀態驗算 MPa

表3 持久狀況應力驗算 MPa

表4 受拉區預應力鋼筋拉應力的驗算 MPa

從上述計算分析中可知，橋梁加固前原橋主梁的承載能力已經不能滿足容許值要求，經過加固后兩種方案主梁的承載能力比加固前有了大幅度的提高。且加固后的主梁能夠滿足結構承載能力和正常使用極限狀態驗算要求，表明主梁兩種加固方案均有效可行。

4 方案比選

表5 方案比選表

5 結論

本文以滹沱河2號大橋為依托，針對其病害及結構上的弱點提出了相應的加固方案，通過MIDASCIVIL軟件對加固后的橋梁上部結構進行了計算分析。根據《公橋規》[2]對其持久狀況承載能力極限狀態、正常使用極限狀態，均進行了相應的應力驗算，得出該橋梁主梁的承載能力有了極大的提高，且主梁的應力均滿足相應規范要求。針對該種橋型結構主梁的病害，該種加固方案在理論和實際當中均是合理可行的，對以后該類型橋梁的病害加固提出一定的指導意義。