橋梁先張預(yù)應(yīng)力板梁斜截面開裂安全對(duì)策分析

□文/李海驄

先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁由于構(gòu)件配筋簡單，不需錨具，生產(chǎn)效率高，施工方便快捷，便于流水作業(yè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁。但由實(shí)際運(yùn)營的車輛荷載往往超過設(shè)計(jì)車輛荷載，從而導(dǎo)致板梁開裂等病害，典型的病害是在梁端形成貫通梁底的斜截面裂縫。斜截面破壞具有脆性特征，因此板梁發(fā)生斜截面開裂后的安全處置尤為重要[1]。

由于在役開裂梁更換前均需帶裂縫工作且開裂的斜截面在底板位置距離梁端蓋梁較近，腹板沒有加固空間。因此，本文研究了在梁端底部局部采用鋼板錨栓加固的方法，分析該方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 荷載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)梁

選取某高速公路上替換的1 片原13 m 跨徑的先張預(yù)應(yīng)力空心板梁為研究對(duì)象。板梁配筋為預(yù)應(yīng)力鋼筋，選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線。箍筋間距：加密段10 cm，非加密段間距20cm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50。見圖1和表1-表2。

表1 預(yù)應(yīng)力筋無粘結(jié)隔離長度 cm

表2 板梁鋼筋

試驗(yàn)前試驗(yàn)梁已存在梁端斜截面裂縫，距梁端1.3 m 貫通梁底，沿斜向延伸至腹板，距頂板6 cm，底板裂縫寬度0.84 mm，腹板裂縫寬度0.74 mm。見圖2。

圖2 試驗(yàn)梁原有斜截面裂縫

1.2 加固概況

采用鋼板錨栓法進(jìn)行加固：

1）對(duì)梁體裂縫進(jìn)行封閉；

2）在板梁梁端底部跨裂縫粘貼鋼板；采用8 mm厚Q235 鋼板，壓力注膠黏結(jié)法粘貼并用M12 螺桿進(jìn)行錨固。見圖3。

圖3 加固施

1.3 試驗(yàn)工況

按照J(rèn)TG/TJ 21—2011《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》的規(guī)定，靜載試驗(yàn)效率

式中：ηq——靜載試驗(yàn)效率；

SS——靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；

μ——按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值；

S'——檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值[2]。

試驗(yàn)效率按照控制截面內(nèi)力等效原則，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行梁端剪力工況下的試驗(yàn)加載。見表3和圖4。

表3 試驗(yàn)工況及試驗(yàn)效率

圖4 試驗(yàn)加載現(xiàn)場

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 加固前

對(duì)板梁進(jìn)行分級(jí)加載，裂縫寬度變化見表4。

表4 梁端原有斜裂縫寬度變化

板梁在試驗(yàn)荷載作用下的撓度結(jié)果見表5。

表5 板梁在荷載作用下?lián)隙?/p>

表5表明，斜截面開裂后，板梁剛度下降明顯。

1.4.2 加固后

對(duì)板梁加固后加載及卸載過程有裂縫變化見圖5。

圖5 板梁加固后裂縫寬度變化

在試驗(yàn)效率為同為0.86 作用下，加固前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見圖6。

圖6 板梁加固前后原有裂縫寬度變化

由圖6 可以看出，加固后對(duì)原有開裂截面的抗裂性有明顯作用。

2 有限元分析

通過MIDAS FEA 有限元軟件分析板梁加固前后斜截面薄弱區(qū)的應(yīng)力情況。

2.1 加固前

板梁梁底拉應(yīng)力最大位置位于距離梁端1.26 m處，拉應(yīng)力超過C50 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65 MPa。先張板梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋在梁端為了避免應(yīng)力集中，分批與混凝土無粘結(jié)隔離，處于無應(yīng)力狀態(tài)，造成這些區(qū)段的受力薄弱。應(yīng)力峰值位置與實(shí)際開裂的位置一致。見圖7。

圖7 臨界荷載作用下的最大應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)變出現(xiàn)峰值，對(duì)應(yīng)位置為試驗(yàn)梁的開裂截面，說明梁開裂后主要由鋼筋承擔(dān)拉應(yīng)力。見圖8。

圖8 加固前鋼束應(yīng)變模擬結(jié)果

2.2 加固后

試驗(yàn)梁在開裂荷載作用下的應(yīng)力及鋼束應(yīng)變見圖9和圖10。

圖9 開裂截面處的應(yīng)力

由圖9 可以看出，加固后的板梁在開裂荷載作用下，主要由鋼板承擔(dān)拉應(yīng)力，混凝土的拉應(yīng)力未超過抗拉強(qiáng)度，部分混凝土單元的拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度。對(duì)比圖7，說明加固對(duì)試驗(yàn)梁的抗裂性及斜截面抗剪承載力的提高效果明顯。

圖10 加固后鋼束應(yīng)變模擬結(jié)果

由圖10可以看出，加固后鋼束在開裂荷載作用下未出現(xiàn)過大的應(yīng)變峰值，說明數(shù)值模擬的截面未發(fā)生開裂。

3 結(jié)語

1）板梁梁端斜截面開裂后對(duì)承載力有明顯影響。

2）在沒有條件及時(shí)更換板梁的情況下，采取鋼板錨栓加固法，對(duì)于安全隱患預(yù)防有積極的作用。

3）先張板梁的構(gòu)造特點(diǎn)造成板梁容易在梁端產(chǎn)生受力薄弱截面，今后在設(shè)計(jì)和預(yù)制時(shí)應(yīng)考慮加強(qiáng)。□■