某预应力T梁桥加固设计及分析研究

张红章

（三明市交通规划设计院，福建 三明 365000）

某预应力T梁桥加固设计及分析研究

张红章

（三明市交通规划设计院，福建 三明 365000）

通过对某预应力T梁桥的外观检查、质量检测和动静载试验，分析了该桥的实际受力状态。采用了粘贴底面钢板、侧面钢板加固混凝土主梁和横向体外预应力筋加固横隔梁的方法对该桥进行了加固，并运用力学知识进行了理论计算，采用数值模拟方法进行了加固后的受力分析，结果表明，粘贴钢板的加固方法能有效提高主梁结构部的抗弯拉性能，横向预应力能提高桥梁的整体刚度，减少和抑制横梁裂缝的发展，使结构受力更合理安全。

T梁加固；数值分析；粘钢板；体外预应力

某预应力梁桥建于上世纪90年代，设计标准为汽车—超20，挂车—120，人群荷载3 kN/m2，设计洪水频率1/100。上部结构为预应力混凝土简支T型梁，桥面连续，主跨结构长3×50 m（一联），横向由8条T梁组成，翼板由钢板搭接连接，横隔梁单跨设置8根，沿纵向相距7 m，桥梁纵坡1%，横坡1%，柱式墩，两桥台处设置板式橡胶伸缩缝，支座采用四氟板橡胶支座，预应力由6根预应力φj15钢绞线，标准强度1500 MPa。经过外观、质量检测和动静载试验，结果显示上部结构纵横向连接处开裂严重，主梁存在较多裂缝，桥面破损，且该桥交通量日渐增大，汽车超载现象较为普遍，已无法满足当时交通状况。经分析对主梁采用了梁底粘贴钢板、横隔梁采用了体外预应力的加固方法。

1 桥梁现状与分析

通过对该桥进行的外观、质量监测及动静载试验，结果表明该桥存在较为严重的病害，结构承载能力已经明显降低，且车辆超载现象比较普遍，对桥梁的安全和使用寿命将产生重要影响。

（1）混凝土强度等级：混凝土回弹试验和碳化测试可以知道，混凝土柱的强度等级在27.1～37.6 MPa之间（设计C30），混凝土主梁的强度等级在49.5～54.2 MPa范围（设计C50），基本满足设计要求，推算的混凝土强度均值除了右幅2#柱偏低（27.1 MPa）以外，其余均大于28 d立方体强度。可见，局部混凝土强度较低，混凝土不均匀，墩柱碳化较为严重。

（2）主梁：主梁裂缝有密集型、破损严重型和可闭合型裂缝3类。左幅第三跨跨中两横隔梁之间的裂缝达30条之多，表明某些主梁存在严重的损伤现象。静载试验过程中右幅第三跨的北6～7号主梁存在可闭合裂缝，且破损严重。按梁统计表明，显裂缝的出现率约为12.5%，可闭合裂缝的出现率按梁统计约为25%，均出现在主梁跨中的梁横隔梁之间。可闭合裂缝分布密集，有发展趋势，成为主梁结构安全隐患，将影响结构承载能力和使用寿命。

（3）横隔梁：主要问题是对接接头失效和错位。横隔梁对接头完全失效的左幅桥占17.26%，右幅桥21.43%。对接头失效的主要原因是施工质量低劣，如横隔梁对接头偏差、对接钢板尺寸和装配位置不符合设计要求、焊接质量极差等。相邻主梁的横隔梁对接部位偏差大多数在50～59 mm，占23.8%，其次是40～49 mm，占22.2%。横隔梁对接头偏差严重影响结构荷载的横向分布和结构的承载能力。

（4）静载试验：在静载试验中，最大静载试验荷载下，边梁跨中的梁底面应变约为372×10-6（折算应力为12.8 MPa），校验系数为2.24；中梁的为593×10-6（折算应力为20.5 MPa），校验系数为5.87，大大超过了校验系数容许范围。

中梁静载试验测得跨中最大竖向位移为20.04 mm，边梁的为18.67 mm，有限元计算求得上部结构自重和预应力作用产生的挠度为53.80 mm，《规范》规定结构容许位移w=L/600=81.7 mm。考虑自重等因素，最大总挠度为73.84 mm＜81.7 mm，刚度满足要求，但接近容许位移值，而且荷载较小时校验系数大于1.0，较大时又小于1.0，表明结构损伤较为严重。

（5）跑车试验：跑车试验在40 km/h速度下的最大动荷系数为μ=0.11，在60 km/h速度下的最大动荷系数为μ=0.23，车速对动荷载系数影响明显。

（6）双梁静载试验：左幅桥第一跨的北二梁与北三梁之间的铺装层断裂，荷载横向分布大大减小，与铺装层完好的第三跨比较，第一跨的应力（11.3 MPa）是第三跨的应力（5 MPa）的2.26倍，增加126%。计算表明，主梁在横向分担荷载完好的情况下，安全系数约为1.63，如果考虑15%的预应力损失，安全系数降为1.38，因此主梁的极限状态的储备是不乐观的。

根据公路桥梁养护规范，综合评定指标为Dr=64，技术状况评定为二类，接近二类下限，局部应该进行中修。鉴于主要承重构件的主梁存在一定程度的病害和横隔梁严重病害，原结构的施工质量、结构整体性能不适应该公路运输的需要和使用寿命，应进行加固和技术改造处理。

鉴于横梁连接失效和前期运营车辆超载现象普遍等造成桥梁种种损伤和病害，降低了结构的承载能力和抗弯能力，应该进行加固和改造，以提高桥梁的局部和整体结构的安全性，阻止病害的增加和发展，提高病害桥梁的永久承载能力，达到提高使用寿命的目的。

2 结构加固设计与改造

该桥主体结构存在不同程度的损伤和病害，静载试验曲线与设计理论曲线相差较大，难以确保设计荷载下使用期安全和具有足够的使用寿命，特别是在超载普遍存在的情况下，加固和改造是必须的。

粘贴钢板和碳纤维等加固混凝土梁体方法因施工简单、造价低、加固效果好等广泛运用于工程实践[1-3],横隔梁对增加桥梁的横向刚度、限制扭转应力等方面发挥重要作用[4-5]，横隔梁预应力的设置，对横隔梁的抗裂、抵抗超载效应起着较大的作用[6-7]，鉴于此，本项目采用钢板对主梁进行加固改造，体外预应力对横隔梁进行加固。

（1）行车道板：在原设计中，主梁翼板是通过钢板搭接,设有9 cm的桥面铺装，形成行车道板的横向联系的。由于某些翼板的搭接失效和桥面铺装遭到破坏，造成铺装层在翼板连接处呈现大范围的纵向裂缝，使得行车道板和桥梁的整体承载能力大大降低。对于行车道板，凿开铺装层和相邻翼板处混凝土，一方面把搭接头改为连续板接头，即在翼板底面增加横向连接钢筋，加强横向联系，浇注混凝土湿接头，形成连续的行车道板；另一方面将铺装层厚度改为10 cm，采用双层钢筋网。

（2）主梁：主梁的加固可以使裂缝的发展受到遏制，防止永久承载能力的下降，提高结构的使用寿命。通常可采用粘钢加固和粘碳纤维加固方法，既可以提高结构的承载能力，又可以提高结构的抗弯刚度[2,8]。本项目从施工技术和经济性等方面综合分析后，主梁采用粘贴钢板的方法进行加固。

该桥主梁粘贴钢板范围主要集中在跨中至1/4(或3/4)的横隔梁之间，为了保证加固的有效性，提供足够的锚固长度，加固范围在跨中的3×7＋2＝23 m范围，如图1。在两端和一定间距范围内加箍板锚固，箍板用预应力铆钉锚固，如图2。

考虑到桥面铺装层厚度增加和难以避免的超载车辆对全桥的主梁进行粘钢，一般主梁的底面采用 2条钢板加固(图 3（a）)，在病害较为严重的主梁的两侧再以粘钢加固(图 3（b）)。

主梁粘钢加固的施工应该安排在上部结构荷载最小的时候进行，如铺装层凿开并清理完毕后。在粘钢完成并锚固后，再进行新的铺装层施工，可以更好地发挥钢板作用。

图1 主梁沿纵向加固范围

图2 箍板与预应力锚栓

图3 主梁马蹄粘钢加固

（3）横梁：恢复横隔梁的连接，保证桥梁整体的横向联系。对于施工的连接头钢板尺寸未达到设计要求，需要更换；鉴于施工质量未达到设计要求，对于未脱落混凝土或连接钢板进行补焊处理，对于尺寸不合要求的予以更换，有错位的加焊连接钢板补强，并逐个敲掉接头混凝土，加固后回补混凝土。在接头的横梁底面采用150cm×10cm×0.5 cm粘钢板连接补强，见图4。

鉴于横梁的横向接头的错位会影响到结构的有效性，为了提高结构的承载能力，在跨中4根横隔梁处施加横向体外预加力，横向体外预加力施加在横隔梁两侧。

（4）其他：桥台处伸缩缝业已出现严重破损，全部更换，减小对桥梁结构的冲击，提高行车安全。

图4 横隔梁接头部位加固 （单位：mm）

3 加固设计评价分析

（1）主梁加固后正截面承载力理论分析

由主梁截面性质可以算得，形心在翼缘以下，距离底面1.63 m处。粘钢加固后，截面形心下移。取钢板的极限抗拉强度为170 MPa，在梁底和侧面均粘贴钢板，厚10 mm，宽22 cm，计算所得加固后的极限承载能力见表1。

表1 粘钢加固后承载能力值

从表1可以看出，粘钢加固的效果是非常明显的，承载能力提高12.97%，抗弯高度提高14.83%。

（2）加固后的数值模拟及分析

有限元模型取与加固一致的桥跨，网格采用实体单元建模，见图5，结点总数46 449个，单元总数31 668个。为了简化计算，约束于橡胶支座的下底面，墩柱为完全刚性支承，车载按集中力施加在轮压处，车载大小按实际车载施加。预应力采用等效荷载法，等效成为桥面分布荷载，材料参数见表2。

有限元粘钢加固分析按粘钢板厚度和横向预应力进行划分。粘贴钢板的厚度为10 mm，宽度22 cm。在最大试验荷载下，加载工况主要有：

加载工况Ⅰ：纵向按跨中截面弯矩和挠度最不利布载，横向为偏载。

加载工况Ⅱ：纵向按跨中截面弯矩和挠度最不利布载，横向为中载。

加固有限元分析的应力云图见图6～7，沿构件纵向的混凝土应力、钢板应力见表3，其中拉应力为正。

表2 有限元模型材料参数

图5 有限元模型

图6为底面粘钢板的偏载工况的汽车荷载产生的主梁及横隔梁应力云图。边梁钢板最大应力为 38.7 MPa，如图 6（a）和图 6（b），焊接的横隔梁的连接钢板最大压应力达到 56 MPa，如图 6（c），在连接板和预埋件连接的部位，即焊接部位，因此接头的焊接一定要确保施工质量。

图6 试验工况Ⅰ的应力分布

图7为底面粘钢板的中载工况的汽车荷载产生的主梁及横隔梁应力云图。中梁钢板最大应力为19.4 MPa，如图 7（a），焊接的横隔梁的连接钢板最大压应力达到 47 MPa，如图7（b），最大拉、压应力都发生在焊接部位。由于横隔梁不在跨中，连接钢板（横隔梁）存在扭矩。

行车道板改为连续的横向湿接头连接后，在荷载作用下，最大拉、压应力分别为1.76 MPa和2.11 MPa，如图7（c）。因此在翼板改为湿接头连续形式后，底面应该增设钢筋，已满足结构的抗拉要求。

图7 试验工况Ⅱ的应力分布

表3为主梁及横隔梁在两种最不利试验工况作用下，结构混凝土及钢板所受的应力情况。由表可知，在两种试验工况作用下，主梁底面钢板、侧面钢板及横向预应力钢筋对主梁跨中应力及横梁应力都具有一定的改善作用。对于主梁跨中应力，在试验工况Ⅰ作用下，底板钢板和侧面钢板对减小主梁混凝土跨中应力具有一定的改善作用，但横向应力反而会增大主梁跨中拉应力；试验工况Ⅱ作用下，底板钢板和侧面钢板对减小主梁混凝土跨中应力具有较好的改善作用，但横向预应力对减少主梁混凝土跨中应力不显著。对横梁结构应力，在试验工况Ⅰ的作用下，横梁底板钢板和侧面钢板对结构的受力性能作用不明显，主要原因是此时结构主要受到的是压应力，结构效应主要由混凝土承担，但在横向预应力作用下，结构的压应力储备较大，对结构受力有利；在试验工况Ⅱ作用下，横梁底板钢板和侧面钢板对结构的受力性能作用也不明显，且在试验工况下，未施加横向预应力前，横梁结构混凝土和钢板均处于不利的受拉状态，但施加横向预应力后，横梁混凝土和钢板均处于受压状态，其压应力储备较大，对结构受力有利。

表3 加固后主梁与横梁应力

4 结论

（1）粘贴钢板的加固方法是加固T型梁桥主梁承载能力的有效方法，能改善结构的受力状态提高T梁的抗弯能力。

（2）横向体外预应力加固横隔梁，能有效提高桥梁的整体稳定性和刚度，减少横梁裂缝，改善桥梁的受力性能，使横隔梁受力更加合理化。

（3）运用有限元数值模拟，和理论分析对比，二者的结果统一，证明上述加固方法可靠。

［1］ 褚卫瑞，刘瑞．钢板加固锈蚀 RC 梁刚度及其挠度计算方法研究［J］.中外公路，2016（2）：148-152．

［2］ 任伟，贺拴海,赵小星，等．黏贴钢板加固持荷钢筋混凝土 T 型梁模型试验［J］.中国公路学报，2008（3）：64-68．

［3］ ALTIN S，ANILO，KARA ME．Improving shear capacity of exisiting RC beams using external bonding of steel plates［J］．Engineering Structures，2005，27（5）：781－791．

［4］ 罗爱道，王晓鸣，周南杰，等．简支 T 梁横隔梁病害与维修加固［J］.华中科技大学学报，2008（3）：85-87．

［5］ 余波，徐光华．预应力 T 梁桥跨中横梁力学分析与维修加固［J］.现代交通技术，2007（10）：53-55．

［6］ 高荣雄，李敬等．体外预应力加固 T 梁及相关优化研究［J］.土木工程与管理学报，2014（3）：7-12．

［7］ 卜浩然，高庆飞．基于模型试验的横隔梁预应力效应研究［J］.佳木斯大学学报，2015（3）:236-239．

［8］ 路飞，彭程．碳纤维桥梁加固的试验与研究［J］.公路，2013（8）:51-55．

（责任编辑：朱联九）

Reinforcement Design and Analysis of a Prestressed T Beam Bridge

ZHANG Hong-zhang
（Traffic Planning and Design Institute of Sanming City,Sanming365000,China）

Based on the visual inspection,quality test and static and dynamic load test of a prestressed T beam bridge,the actual stress state of the bridge is analyzed.The reinforcement of the bridge is strengthened by the method of strengthening the concrete beam with the bottom plate,the side plate and the transverse external prestressing tendons.The theoretical calculation was carried out by using the mechanics knowledge,and the stress analysis was carried out by using numerical simulation method.Results show that the strengthening method of sticking steel plate can effectively improve the flexural tensile performance of the main beam and transverse prestress can improve the overall rigidity of bridge,reduce and inhibit the development of beam cracks,which make the structure more reasonable and safe.

T beam reinforcement；numerical analysis；paste steel plate；external prestressing

U445.72

A

1673-4343（2017）04-0075-08

10．14098 ／j．cn35－1288 ／z．2017．04．013

2017-04-08

张红章，男，湖北武汉人，工程师。主要研究方向：道路与桥梁加固。