组合加固法在钢筋混凝土T型梁桥中的应用

肖勇刚，熊晨

组合加固法在钢筋混凝土T型梁桥中的应用

肖勇刚，熊晨

(长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114)

针对服役期T型梁桥的T梁抗弯承载能力的不足，提出了采用增大截面和体外预应力相结合的一种新的组合加固方法。应用有限元方法进行仿真分析，该组合加固方法与传统方法相比，安全系数更高，增强了桥梁横向联系，解决了早期T型梁桥采用体外预应力加固时在承载能力极限状态下可能出现受压区高度偏大的问题。

桥梁加固；粘贴钢板加固法；体外预应力加固法；组合梁加固

在中国早期修建的钢筋混凝土桥梁中，许多桥梁由于服役时间较长，出现严重病害，需要进行加固。桥梁加固一直被国内外众多学者所关注。王晓东[1]等人研究了预应力混凝土T形钢构桥加固。牛斌[2]等人通过体外预应力混凝土梁的弯曲试验，研究分析了体外预应力梁的弯曲性能。柯敏勇[3]等人基于粘贴钢板加固混凝土梁的试验，研究了粘贴钢板对混凝土梁的加固效应。张宇[4]等人研究分析了粘贴钢板加固钢筋混凝土T梁的可靠性。Yu[5]等人通过对预应力碳纤维布加固的混凝土T梁进行抗弯试验研究，得出了加固梁弯曲性能。李源[6]等人提出了碳纤维布加固混凝土梁的受弯承载力的计算方法。李传习[7]等人研究了高温对CFRP板/钢界面力学性能的影响。聂建国[8]等人提出了一种新的钢板−凝土组合加固桥梁的方法。危春根[9]等人研究了不同配筋形式对混凝土梁受弯性能的影响。作者依托实际工程对比早期桥梁加固，拟提出一种新的组合加固方法，并通过有限元方法进行仿真计算，验证该方法的可行性。

1 组合加固原理

早期钢筋混凝土T型梁桥因翼缘板比较薄，所以会出现桥梁承载能力储备不足的问题。出现该问题若没有较好方法进行及时加固，若拆掉重建，会消耗大量的资源，施工期间会影响通行。因此，作者提出在梁底施加预应力碳纤维板(carbon fibre reinforced plastics，简称为CFRP)进行加固，梁顶浇筑一层混凝土，增加原T梁翼板厚度，使新浇筑的混凝土层与原桥混凝土紧密结合，增强桥梁横向联系，并且在极限承载力状态下原梁仍为第一类截面，提高加固效率和原梁承载力。组合梁正截面抗弯承载力计算的基本假定：①加固梁极限状态下，变形符合平截面假定；②新旧混凝土结合面粘接牢靠，无相对滑移；③体外预应力与T梁粘接牢靠，无相对滑移。

2 组合加固法在T梁桥中的应用

2.1 有限元模型建立

K99+850平改立公跨铁立交桥于1997年9月20日开工，于1998年12月23日竣工投入使用。该桥上部结构为1×20 m钢筋混凝土现浇T梁。T梁梁高1.5 m，宽1.6 m，桥下界限按预留京九复线一股道，电力牵引区段的桥梁建筑设计界限。全桥宽6.4 m，桥面横向布置0.25 m(护栏)+0.7 m(人行道)+4.5 m(行车道)+0.7 m(人行道)+0.25 m(护栏)。桥梁下部结构采用浆砌片石重力式桥台，该桥结构简图如图1所示，桥梁横断面如图2所示。

经检测，该桥跨中处腹板存在多处竖裂、斜裂，缝长0.9～1.2 m，缝宽0.16～0.22 mm，最大缝宽已经超过规范限值0.20 mm。本次检算桥梁结构的跨径、主梁混凝土强度、钢筋直径与间距、主梁横截面结构尺寸等计算参数，主要依据《公路桥梁承载能力检测评定规程(JTC T21—2011)》，并结合现场检测结果进行取值，即计算跨径取=19.5 m，主梁混凝土强度等级为250号(偏安全考虑)，主筋直径为32 mm。利用Midas有限元软件和梁格法，建立该桥单梁计算模型，单梁纵向划分20个单元，其计算模型如图3所示。

图1 平改立公跨铁立交桥结构简图(单位：m)

图2 平改立公跨铁立交桥横断面(单位：m)

图3 有限元计算模型

2.2 加固方法分析

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程(JTG/T J21—2011)》的规定，在汽车−15级车道荷载作用下，考虑检算系数及承载力恶化系数，经过计算得到抗力值为2 201.6 kN·m，而中梁的跨中极限弯矩效应组合值ou=2 204.4 kN·m。表明：跨中抗弯极限承载力不满足要求，而主梁斜截面抗剪承载能力符合要求，满足安全储备。

由计算结果可知，该桥的抗弯承载力不满足使用要求，需对该桥进行加固设计。对于简支梁桥抗弯能力不足的问题，宜优先采用体外预应力加固和增大截面加固桥梁。本试验分别采用粘贴钢板加固、体外预应力加固的2种早期加固方法和新的组合加固方法进行加固。

2.2.1 粘贴钢板加固法

拉应变sp的计算式为：

式中：cu为混凝土极限压应变；为截面受压区矩形应力图高度与实际受压区高度的比值；为原构件截面高度；为混凝土受压区高度。

混凝土受压区高度的计算式为：

加固构件正截面承载力的计算式为：

式中：为截面宽度；0为截面有效高度；s为受拉区普通钢筋至受拉区边缘的距离；s为受压区普通钢筋至受压区边缘的距离。

从该桥梁荷载试验结果可知，检算系数评定标度为2.7，桥梁检算系数1取1.03，偏安全考虑1取为1.0。再由计算可得到粘贴钢板后梁的正截面承载力2 937.9 kN·m>ou1。表明：该方法加固桥梁后，主梁的抗弯承载力满足检算要求。

2.2.2 体外预应力加固法

体外预应力加固T梁，采用2束2φ15.2钢绞线对20 m长度的简支T梁进行加固。截面面积p为556 mm2，抗拉强度标准值为1 860 MPa，抗拉强度设计值为1 260 MPa，弹性模量为1.95×105MPa，体外索永存预应力pe为1 089 MPa。

使用体外预应力索加固梁桥时，加固梁的设计弯矩按原梁设计弯矩考虑。体外索的极限应力为：

式中：e为体外索的有效长度；p为体外预应力钢材的安全系数；p为体外预应力筋合力点到截面顶点的距离；为截面中性轴到混凝土受压区顶面的距离；p为体外预应力筋的弹性模量。

经计算pu=1 208.4 MPa≤ƒpd=1 260 MPa。根据公式，判断加固后T梁的截面类型：

式中：p为体外预应力筋的截面面积；为受拉区体外预应力筋和普通钢筋的合力作用点到受拉区边缘的距离；s为原梁中普通钢筋合力作用点至梁顶面的距离；0为体外预应力筋和原梁普通钢筋的合力作用点至梁顶面的距离。

计算得到加固后梁的受压区高度=534.38 mm，小于相对受压高度b0=746.48 mm，大于翼板厚度175 mm。表明：该截面为第二类T型截面。

加固后梁的抗弯承载力为：

由式(10)计算得，u2为3 152.8 kN·m＞2 304.4 kN·m。表明：使用体外预应力加固后，承载力满足检算要求。

2.2.3 组合加固法

本桥使用体外预应力加固方案中，存在使原T梁变为第二类截面的问题。当体外预应力筋加固效果增大时，可能会出现受压区高度偏大的问题。为解决该问题，提出在梁底施加CFRP加固，梁顶新浇筑一层混凝土，使新浇筑的混凝土层与原桥混凝土紧密结合，提高原桥承载力，同时增强桥梁横向联系。凿除表面旧混凝土层，浇筑5 cm厚的C50混凝土，在距离梁端各0.5 m处的梁底，布置3条18 000 mm×50 mm×2 mm的碳纤维板，施加有效预应力1 200 MPa，加固后梁的截面特性发生了变化。加固梁的横截面如图4所示。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362—2018)》的规定，组合梁的弯矩设计值按式(11)进行计算：

由式(11)的计算结果可知，边梁跨中截面为荷载效应的最大组合值，d=25 09.2 kN·m。加固梁的承载力按式(12)进行计算：

经计算，0=1 163 mm，=80.3 mm＜b0，梁的正截面承载力为3 824.5 kN·m＞d。表明：梁的正截面承载力大幅度提高，受压区高度减小，梁仍为第一类截面，安全储备提高。为验证加固效果，采用通用有限元软件Midas/CIVIL进行加固梁模拟，将预应力碳纤维板等效换算成体外预应力钢束，再建立单梁模型。加固梁在组合荷载下的内力如图5所示。

图5 加固梁在组合荷载作用下的内力(单位：kN·m)

从图5中可以看出，在组合荷载作用下，加固梁跨中处的最大内力为2 511.4 kN·m，与计算值接近。经预力混凝土(prestressed concrete, 简称为PSC)设计，加固梁在使用阶段正截面抗弯承载力为3 757.2 kN·m，与计算值3 824.5 kN·m接近，验证了该方法是有效的。

3 加固方案综合对比

3.1 施工工艺

3种加固方案的施工工艺见表3。由表1可知，前2种加固方法施工对桥上交通影响小，可以不中断交通或短时间限制交通。粘贴钢板加固法施工比较简单，体外预应力加固法组成系统复杂，与粘贴钢板法相比，虽然施工过程比较繁琐，但是后期维护修补方便，可以随时更换预应力筋。组合加固法施工虽然影响桥上交通，施工周期相对较长，但是预应力碳纤维板的安装与桥面混凝土的铺张可以同时进行，两者相互独立互不影响。

表1 施工工艺对比表

3.2 正截面承载力

3种加固方法的正截面承载力值见表2。

表2 正截面承载力对比

由表2可知，3种加固方法的正截面承载力均满足要求，但组合加固法安全系数更高。

3.3 材料利用率

材料利用率是指加固前、后梁承载力的差值与所用材料质量的比值，见表3。

由表3可知，体外预应力加固法的材料利用率最高，达到了13.33 kN·m。而组合加固法中使用了较多的混凝土，导致材料利用率偏低。

表3 材料利用率对比表

4 结论

通过对单跨简支T梁桥组合加固与传统2种桥梁加固方法进行对比分析，得到结论：

1) 粘贴钢板加固法是一种被动加固方法，在结构正常使用阶段作用小，粘贴钢板被动参与工作，虽然在一定程度上提高了梁的承载力，同时也增加了自重，材料利用率不高，承载力储备较低，但是其施工工艺简单，工期短。

2) 体外预应力加固法是一种主动加固方法，对原梁承载力提升比较明显，而且自重较小，材料利用率高，但会使原梁出现受压区偏大问题，使T梁处于第二类截面。

3) 组合加固法解决了体外预应力加固在承载能力极限状态下受压区高度偏大的问题，同时也增强了T梁间的横向联系，安全储备也相对更高。

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Application of combination reinforcement method in reinforced concrete T-beam bridge

XIAO Yong-gang, XIONG Chen

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

To solve the problem of insufficient flexural bearing capacity of T-beam of T-beam bridge in service, a new combined reinforcement method combining enlarging section with external prestressing was proposed. The finite element method was used for simulation analysis. Compared with the traditional method, the composite reinforcement method has satisfactory safety reserve coefficient, and the transverse connection of bridges is strengthened. It solves the problem that the high-pressure area may be too large when the T-beam bridge is strengthened by external prestressing.

bridge reinforcement; sticking steel plate reinforcement; external prestressing reinforcement; composite beam reinforcement

U448.25

A

1674 − 599X(2021)02 − 0036 − 05

2019−12−25

肖勇刚(1964−)，男，长沙理工大学教授。