先簡支后連續混凝土T梁裂縫分析與加固設計

李建鑫

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

1 工程概況

密灌3號大橋位于云南省紅河哈尼族彝族自治州地區，于2012年04月建成通車。橋梁全長106.8 m，橋面總寬10 m，車行道寬9 m，設計速度為40 km/h，上部結構為5×20 m預應力混凝土先簡支后連續T梁；下部結構為圓形雙柱墩，重力式橋臺。設計荷載等級為：公路-Ⅱ級。預制T梁、橫隔板、翼緣濕接縫采用C45混凝土，普通鋼筋為HPB235，鋼絞線采用橋梁所處碳化環境作用等級為1類。2017年9月至10月對該橋進行了檢測，發現12片主梁有豎向裂縫、斜向裂縫，以及修補后反射裂縫發生了延伸。

有關規范規定，混凝土梁體裂縫出現后，要及時對裂縫進行檢測，分析裂縫產生的原因，評估裂縫對梁體質量、耐久性等指標的影響。結合有關資料及T梁的構造特點和裂縫狀況，分析記錄裂縫的分布情況，如表1。

表1 梁體裂縫記錄

其中裂縫合計數量103條，其中貫通裂縫占比2.56%，斜向裂縫占比2.56%，網狀裂縫占比2.56%，反射裂縫占比10.26%，對稱豎向裂縫占比12.83%，豎向裂縫占比69.23%。裂縫最大長度為1 130 mm，出現在2#和3#梁腹板和馬蹄，最大長度及寬度出現于跨中附近。

2 有限元模型建立

運用Midas civil建立T梁的計算模型，建立邊梁與中梁的模型，忽略橫向聯系。根據相關規定對本橋承載能力進行評定，在原結構基礎上做如下修正，T梁腹板抗剪箍筋和梁底縱筋截面折減系數ξs=0.98，混凝土截面折減系數ξc=0.95，承載能力惡化系數ξe=0.042，承載能力檢算系數Z1=1.08，綜合修正系數=ξsξcZ1(1-ξe)=0.963。

圖1 邊梁與中梁有限元計算模型

原橋設計采用的荷載為《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)的公路-Ⅱ級，小于《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)的公路-Ⅱ級荷載，故需要采用現行規范的荷載對原橋進行驗算，承載能力驗算結果如圖2～圖3、表2所示。

表2 15規范公路-Ⅱ級荷載作用下的應力驗算

圖2 抗彎驗算

圖3 抗剪驗算

從圖2可知，各邊梁、中跨跨中的抗彎最不利組合大于各跨的承載能力組合，邊梁最大差限20.1%；邊梁和中梁墩頂處負彎矩區不超限，但安全系數不大，安全儲備不足。

由圖3可知，各邊梁、中梁的抗剪承載力均大于各最不利組合，安全系數均為1.2左右，有一定的安全儲備。

3 加固處理

3.1 病害成因分析

大部分T梁腹板豎向裂縫起于腹板與翼板結合處，止于馬蹄側面與腹板結合處，少數會延伸至馬蹄底部。根據腹板先裂向梁底發展的病害特征，結合結構計算，推斷裂縫成因如下。

(1)施工期間沒能及時養護剛澆筑完成的混凝土。混凝土快速的失水，腹板的配筋較翼板和馬蹄而言相對較少，而腹板面積較大較薄，對混凝土的約束較弱，翼板和馬蹄之間的相互約束導致腹板收縮而受拉，拉應力超過混凝土抗拉強度而出現裂縫。不合理的添加劑和配合比的使用可能會導致混凝土梁體表面出現不均勻的收縮裂縫。腹板表面收縮裂縫受荷載作用，下端受拉，裂縫發展；部分T梁的有效預應力不足，也促使裂縫向下發展。

(2)根據結構復算結果，按15規范計算，邊梁抗彎承載力不足，梁板跨中在短期效應組合下梁底產生拉應力，但理論上未超限。

(3)原橋設計荷載等級為《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅱ級荷載，比15規范中的公路-Ⅱ級設計荷載較小，實際運營中，最主要的是超載車輛較多，交通流量大，運營荷載比設計荷載考慮的較嚴峻。

綜上所述T梁的腹板裂縫主要為表面收縮裂縫，T梁預制時齡期短、結構連續后由于收縮應變過大而導致梁體開裂；在預應力損失和超載的共同作用之下，裂縫下端開始向下發展。少數有效預應力較低的梁下緣可能會出現橫向裂縫。

3.2 處理措施

加固后T梁與原T梁間存在材料的不協調，使得原材料與新增材料間之間存在應力、應變滯后現象。根據原設計圖紙和現場檢測得出的尺寸及配筋數據，采用Midas Civil軟件進行計算。計算中考慮的荷載有:梁的自重;橋面的二期恒載;公路-Ⅱ級汽車活載;梁截面豎向非線性溫度分布效應;原預應力及相應的二次內力效應;混凝土收縮徐變及其相應的二次內力效應。不考慮支座位移，只涉及縱向受力及配筋計算。

采取體外預應力對T梁進行加固，在馬蹄兩側各布置一束鋼絞線，外套HDPE管，為增強梁端抗剪能力，考慮鋼束在端部增加豎彎。鋼絞線規格為φs15.2(7φ5)，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。邊梁束為4φs15.2，中梁束為3φs15.2。錨具的回縮值取6 mm，摩擦系數為μ=0.13。張拉控制應力為50%抗拉強度。

3.3 加固結果

對連續梁施加體外預應力后會產生次內力，導致梁的荷載效應發生變化，跨中正彎矩增大，支座負彎矩減小，加固之后梁的承載能力驗算結果如圖4～圖5、表3所示。

圖4 抗彎驗算

圖5 抗剪驗算

表3 加固之后應力驗算

驗算結果表明：加固后T梁在截面抗彎、抗剪性能方面均有所提高， 受體外預應力鋼絲的影響，形成相對較大的差異變化，且隨著后期的運營使用將形成較好的吻合；抗剪承載力、抗彎承載力均滿足公路-Ⅱ級荷載承載要求規范要求。

4 結 語

本文對預應力混凝土先簡支后連續T梁橋的受力特點進行分析并建立了混凝土橋梁的加固模型，并對其承載力與使用性能展開研究。可采用體外預應力的方式提升承載能力，來彌補荷載效應較之前的不足。加固結果表明采用預應力高強鋼絲的方法能提高梁體自身的有效承載能力并有一定的安全儲備，滿足橋梁的設計荷載等級(公路-Ⅱ級)的荷載承載能力的要求，可以推廣應用于在役橋梁的耐久性不足的修復工程。從效果可靠性、經濟合理性、技術可行性及施工方便性出發，選擇體外預應力加固方案進行先簡支后連續T型梁橋的加固設計的方案是切實可行的。