装配式T梁负弯矩索加固方法及锚梁优化研究

刘汉彪,胡建华,刘海波

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410219；2.湖南省交通水利建设集团有限公司，湖南 长沙 410008)

1 概述

位于路线的平、竖曲线上的装配式连续T梁结构，当线形指标较低时，施工中容易发生相互对接的梁端预埋负弯矩波纹管在水平和竖直方向上线形不连续，甚至产生弯折或错开较大，影响负弯矩钢绞线的穿束施工和预应力张拉效果；在施工过程中由于波纹管的开裂破损和波纹管定位预埋时被电焊灼伤造成波纹管和锚头堵塞、振捣混凝土时将波纹管轴线振偏、混凝土养生过程中导致的锚头锈蚀等都会造成钢绞线不能正常穿孔；同时在张拉位于T梁翼缘下方的负弯矩钢束，施工作业条件较差，也可能造成预应力张拉达不到设计要求[1-8]。以上任何一项均可造成装配式T梁负弯矩预应力效果失效。为确保桥梁结构的安全性和耐久性，本文以碾子冲大桥为工程背景，对装配式T梁负弯矩索进行加固方法研究及锚梁优化研究。

溆怀高速公路碾子冲大桥全长186.16 m，桥跨布置为：6×30 m预应力先简支后连续T梁，单幅桥宽12.75 m，下部结构采用柱式墩台配桩基础。桥梁平面位于R=2 400 m的左偏圆曲线上，纵断面位于R=8 000 m的竖曲线上。该桥在施工过程中由于上述各种原因存在负弯矩索部分失效的情况，如表1所示。

表1 碾子冲大桥负弯矩索张拉记录表Table1 Recordofthetensionofnegativemomentcables墩号位置设计股数无钢绞线股数无夹片或松动股数有效体内束有效率/%1#边梁2038945中梁200911552#边梁2047945中梁201910503#边梁2038945中梁202612604#边梁20341365中梁202513655#边梁20351260中梁20271155

2 加固方案

2.1 方案总体设计

碾子冲大桥负弯矩索张拉记录表显示，负弯矩索有效率为45%～60%，如果继续进行桥面现浇层以及附属施工，桥梁的耐久性与安全性将存在严重风险，为此需要对桥梁负弯矩区域进行补强设计。

本文提出了一种采用钢锚梁对拉体外索加固施工方法，该方法通过在T梁负弯矩齿块位置浇筑HPG-A无收缩自流密实水泥基高强浇筑料锚块，在相邻T梁封锚块上架设一片钢锚梁，最后通过墩顶对称钢梁锚固张拉体外索进行补强，钢锚梁与封锚块之间设置锚梁支座，见图1～图3。

图1 钢锚梁安装位置图(单位：cm)

图2 钢锚梁结构设计图(单位：mm)

图3 钢锚梁体外索对拉加固总体布置图(单位：cm)

锚块厚30 cm，与齿块同宽。受施工空间及新老混凝土截面影响，封锚块采用专业补强修复、免振捣、强度高的HPG-A无收缩自流密实水泥基高强浇筑料灌浆施工。

钢锚梁采用Ⅱ型截面，锚梁长1 500 mm。翼缘板290 mm×25 mm，腹板270 mm×25 mm。钢梁采用镀锌防护。在翼缘板上设置两个体外索锚固孔，并在孔两侧设置加劲肋。

体外预应力束穿过连续墩顶处T梁横隔板，束孔中心距T梁顶板底面19 cm，钢束采用直束，锚在钢锚梁上。

体外预应力束钢铰线采用单丝环氧涂层防护，其它性能同体内束，股数根据表1与设计值的对比，实行缺多少补多少的缺补相等原则。张拉控制应力1 116 MPa。

锚梁支座采用20 mm厚软铝块或者铜块。

2.2 方案验算

a.有限元模型。

钢锚梁对拉体外索加固方案采用缺补相等的原则进行加固补强。为验证钢锚梁对拉体外索加固方法对大桥负弯矩区域的补强效果，利用桥梁博士V3.5有限元软件，采用平面杆系单元进行T梁结构模拟，建立碾子冲大桥有限元离散模型，进行T梁结构力学性能的验算，见图4。

图4 有限元离散模型

模型边界：约束正中间桥墩的竖向和水平位移，UZ=UX=0；约束其余6个桥墩的竖向位移，UZ=0。

主梁及其湿接缝采用C50混凝土，弹性模量为3.45×104MPa，混凝土轴心抗压标准值fck=32.4 MPa，混凝土轴心抗拉标准值ftk=2.65 MPa，容重r=26.0 kN/m3。主梁及负弯矩钢束采用低松弛高强度钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，张拉控制应力为0.75fpk，弹性模量Ep=1.95×105MPa，松驰系数为0.3[9]。

荷载考虑结构恒载、预应力荷载、混凝土收缩徐变、支座沉降、汽车荷载、温度荷载，按照边梁成桥最不利和中梁成桥最不利两种计算工况，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[10]，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态下的荷载组合。

b.结构验算。

根据有限元计算分析，补强加固后的装配式连续T梁结构验算结果见图5～图8，及表2、表3。

图5 加固后中梁抗力及最值内力图(单位：kN·m)

图6 加固后边梁抗力及最值内力图(单位：kN·m)

图7 加固后边梁上下缘应力包络图(单位：MPa)

图8 加固后中梁上下缘应力包络图(单位：MPa)

表2 加固后抗剪承载力验算汇总表Table2 ShearbearingcapacityafterreinforcementkN截面截面斜截面抗剪承载力设计值抗剪截面要求边梁截面最大剪力组合设计值Vd中梁截面最大剪力组合设计值Vd支点截面2434258815821334跨中截面15311305879722

由图5、图6和表2可知，通过体外索补强到有效率为100%，碾子冲大桥连续T梁的承载能力满足设计要求，补强效果明显。

表3 加固后持久状态正常使用应力验算表Table3 Normalservicestresscheckofdurablestateafterre-inforcementMPa截面斜截面混凝土主拉应力混凝土的最大压应力混凝土主压应力支点截面1.1412.910.4跨中截面1.1711.99.8限值应力1.85516.219.44

根据图7、图8可知，按照A类预应力控制，持久状态正截面抗裂验算边、中梁上下缘最大拉应力为-0.38 MPa,小于1.855 MPa，满足设计要求。根据表3可知，持久状态下，斜截面混凝土主拉应力、混凝土的最大压应力、混凝土主压应力均小于限值应力，且有较大富余，满足设计要求。计算表明采用钢锚梁对拉体外索加固方法结构总体受力满足设计要求，方案可行。

3 体外索锚固区域空间应力分析

a.有限元模型。

体外索锚固区域结构构造以及受力复杂，特别是该区域桥面板横桥向的应力状态，需要建立该区域的实体有限元模型进行锚固区域的局部应力分析，为此采用Midas/Fea有限元软件进行分析，建立1/4跨桥梁结构，T梁采用实体单元模拟，共划分单元492 003个，节点96 117个。有限元离散模型如图9所示。

图9 体外索锚固区域有限元离散模型

b.边界和荷载。

1/4跨模型根据实际边界进行约束，在支座位置采取竖向约束，端部采用对称约束，跨中采用对称约束但释放纵向约束，横桥向对称约束。

体外索荷载以等效均布荷载的形式施加在齿块端面(与钢锚梁接触区域)上，见图10、图11。

图10 体外索锚固区域局部模型边界条件

图11 体外索锚固区域均布荷载施加图

c.锚固区域应力分析。

根据图12、图13可知，体外索锚固区域桥面板横桥向由体外索产生的板顶最大拉应力为1.14 MPa，板底最大拉应力为0.83 MPa。

图12 锚固区域顶板上缘横向应力(单位：MPa)

图13 锚固区域顶板下缘横向应力(单位：MPa)

横向配筋根据横向应力积分反算桥面板内弯矩值，进而进行配筋计算。同时应力图显示产生横向拉应力的区域主要集中在1 m宽桥面板内，故通过计算1 m内的弯矩进行配筋。计算宽度截面惯性矩I=0.001 152 m4；等效跨中弯矩M=18 912 N·m；计算得受压区高度x=0.009 m；计算所需钢筋面积As=720 mm2；故只需在该位置配置3根直径18 mm的钢筋，即可抵消由体外索额外产的横向应力。

4 钢锚梁优化设计

a.优化方案。

钢锚梁采用Ⅱ型截面，主要由上下翼缘板、腹板组成[11]。为轻便施工和合理使用材料，对钢锚梁进行优化设计，见表4。

表4 钢锚梁优化设计方案Table4 Optimizationdesignschemeofsteelanchorbeam方案优化措施方案1翼缘25mm;腹板25mm方案2翼缘25mm;腹板20mm方案3上翼缘20mm、下翼缘25mm;腹板20mm

b.有限元模型。

采用Midas/Fea软件分别建立3种方案钢锚梁有限元离散模型,见图14。边界偏安全采用线约束支座线三向位移，释放绕约束线的转动位移。荷载索力通过等效均布荷载形式施加在锚固区域。

图14 钢锚梁有限元离散模型

c.优化分析结果。

根据有限元分析计算，3种方案的计算结果见图15、图16、表5、表6。

图15 下翼缘应力标记关键点示意图

图16 上翼缘应力标记关键点示意图

表5 主压应力汇总表Table5 Summaryofmaincompressivestress项目不同关键点主压应力/MPaABCDEFG方案1218.0176.5160.6227.2149.7158.9427.6方案2242.0196.4173.3302.8159.6170.9503.8方案3224.0188.7168.5286.9155.8165.3442.1

表6 主拉应力汇总表Table6 Summaryofmaintensilestress项目不同关键点主拉应力/MPaABCDEF方案1147.282.161.8156.785.884.3方案2162.288.062.7163.687.491.1方案3174.889.365.3178.893.292.1

由表5、表6可知，上翼缘主拉应力不是主控因素；下翼缘主拉应力为主控因素，加载区域附近存在局部应力集中现象，但是在实际的施工加载过程中，锚固区域上面会垫放钢板，会缓和一部分的应力集中。考虑到在板厚优化不多的情况下方案1加工最为简单且受力明显优于方案2、方案3，同时应力集中区域最大应力也明显小于其余两个方案，钢锚梁选择方案1尺寸进行加工设计，应力云图见图17、图18。

图17 钢锚梁主压应力应力云图(单位：MPa)

图18 钢锚梁主拉应力应力云图(单位：MPa)

5 总结

a.针对装配式T梁负弯矩区域失效的问题，本文依托碾子冲大桥，创新采用钢锚梁对拉体外索的加固方法，有效地解决了装配式连续T梁负弯矩索失效的问题。

b.钢锚梁对拉体外预应力钢束采用缺多少补多少的原则进行，计算表明T梁整体纵向承载能力及正常使用均满足设计要求。

c.体外索锚固区域局部应力分析表明桥面板横桥向板顶最大拉应力为1.14 MPa，板底最大拉应力为0.83 MPa，该局部位置横向配置3根直径18 mm的钢筋，即可抵消由体外索额外产的横向应力。

d.分析表明下翼缘主拉应力是钢锚梁结构设计的主控因素。方案1加工最为简单且受力和应力集中现象也小于其余方案。