王 技，鐘海輝

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁具有抗扭能力強(qiáng)、橫向分布好、承載能力高等特點(diǎn)，在各等級公路中都得到了普遍應(yīng)用[1-4]。但在早期受工程造價等因素制約，設(shè)計工作者不斷對該類型橋梁各構(gòu)件開展優(yōu)化設(shè)計，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸偏小，安全系數(shù)偏低，無論是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是剛度方面都難以滿足日益增長的交通需求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受力裂縫，造成較大的安全隱患。

對于發(fā)生此類病害的橋梁，最適宜的加固方法是主動加固法，即通過施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生反向彎矩，從而抵消一部分初始荷載的影響，提高使用階段的承載力，使構(gòu)件的裂縫寬度減小甚至閉合，并限制新裂縫的出現(xiàn)，從而提高構(gòu)件的剛度，減小原構(gòu)件的撓度，改善使用階段的性能[5-7]。但常規(guī)的新增體外預(yù)應(yīng)力體系的加固方法存在施工工期長、濕作業(yè)多、結(jié)構(gòu)擾動大等缺點(diǎn)，特別是中斷交通時間較長，因此找到一種更適應(yīng)于交通運(yùn)行條件的加固方式勢在必行。

基于以上背景，本文開展了梁底張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法的研究。從結(jié)構(gòu)受力角度分析后認(rèn)為，該方法能改善主梁梁底預(yù)應(yīng)力水平，增加結(jié)構(gòu)安全儲備，彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失；從施工角度分析認(rèn)為，張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板彌補(bǔ)了新增體外預(yù)應(yīng)力體系的各種缺陷，且經(jīng)濟(jì)性良好。通過加固實例證明，該方法科學(xué)合理、安全可行，可為同類型橋梁加固提供參考。

1 工程概況

某橋為跨越鐵路的大型橋梁，于20世紀(jì)90年代建成，上部結(jié)構(gòu)采用30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁設(shè)計荷載等級為汽-超20、掛-120。該橋橫斷面由4片箱梁組成，梁高1.5 m，間距3 m，各箱翼緣板間設(shè)70 cm寬現(xiàn)澆混凝土濕接縫。經(jīng)對比分析，該橋梁高、腹板厚度等技術(shù)指標(biāo)比當(dāng)前同種類型跨徑橋梁小，箱梁跨中斷面構(gòu)造如圖1所示。通行車輛以掛車、集裝箱車等重載車為主，車輛荷載大，超載較為嚴(yán)重，橋梁負(fù)荷大。

圖1 30 m跨箱梁跨中斷面構(gòu)造

近期檢測發(fā)現(xiàn)，該橋部分邊梁在跨中出現(xiàn)底板橫向裂縫，最大裂縫寬0.20 mm，個別裂縫延伸至腹板，且箱梁跨中腹板存在豎向、斜向裂縫，橫隔板存在豎向裂縫。為確保橋梁的運(yùn)營安全，延長橋梁使用壽命，必須查出病害成因，并采取有效的加固措施對病害進(jìn)行整治。

2 主要病害及原因分析

結(jié)構(gòu)性裂縫均出現(xiàn)在邊梁，結(jié)合計算分析認(rèn)為，超重、超載車輛低速、近車距行駛以及從緊急停車帶繞行等原因，會造成邊梁實際承受的荷載大大超過原結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載，導(dǎo)致跨中底板縱向應(yīng)力過大，從而產(chǎn)生跨中底板開裂并延伸至腹板，這是本橋腹板及底板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的外在因素[8]。

病害出現(xiàn)具有一定的偶然性，通過結(jié)構(gòu)計算進(jìn)一步分析，對本橋主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力按照不同程度的損失進(jìn)行試算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束損失達(dá)到10%時，跨中梁底應(yīng)力超出規(guī)范限值，說明結(jié)構(gòu)在該工況下可能出現(xiàn)開裂。因此，在箱梁采用后張法張拉時，由于預(yù)應(yīng)力張拉施工控制不當(dāng)?shù)仍?，部分邊梁管壁摩擦、錨具變形、鋼筋回縮、預(yù)應(yīng)力松弛等因素的影響，預(yù)應(yīng)力損失過大，在活載作用下正應(yīng)力超限，從而出現(xiàn)此類病害，如圖2、3所示。

圖2 底板橫向裂縫

圖3 底板裂縫延伸至腹板

3 加固方案的選取

大橋部分橋跨外側(cè)邊梁底板出現(xiàn)橫向裂縫及腹板豎向裂縫，說明該箱梁應(yīng)力水平偏高，同時裂縫造成箱梁截面削弱，整體剛度降低，需采取主動加固措施提升箱梁承載能力，改善應(yīng)力狀況。

目前，針對預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性開裂病害，常采用的加固處治方法有體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼鋼板加固以及粘貼碳纖維板加固等方法。根據(jù)本項目的病害特點(diǎn)，常規(guī)粘貼碳纖維板和粘貼鋼板法作為被動加固方式并不適用。從受力角度分析，上述2種方法不能改善梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力狀況，且粘貼鋼板法需要在梁體內(nèi)植入錨栓，對結(jié)構(gòu)擾動較大。體外預(yù)應(yīng)力法需要在主梁安裝轉(zhuǎn)向裝置，施工工法較為復(fù)雜，工期較長，造價較高，后期維護(hù)費(fèi)用也相對較高[9-12]。

經(jīng)過綜合比選，最終確定采用在箱梁底板張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的方式進(jìn)行處治，該處治方法的優(yōu)勢如下。

(1)可變被動加固為主動加固，使CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)高強(qiáng)特性得到提前發(fā)揮，在二次受力之前就有較大的應(yīng)變，從而有效減小甚至消除CFRP片材應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，達(dá)到更好的加固效果。

(2)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反向彎矩可抵消一部分初始荷載的影響，提高使用階段的承載力，使構(gòu)件中原有裂縫寬度減小甚至閉合，并限制新裂縫的出現(xiàn)，從而提高構(gòu)件的剛度，減小原構(gòu)件的撓度，改善使用階段的性能。

(3)碳纖維的變形分別由初始變形和荷載引起的變形組成，而對應(yīng)這兩部分變形的膠粘劑剪切變形又分別分布于構(gòu)件的兩端和跨中區(qū)域，使得膠黏劑的剪切變形分布更為均勻，可有效避免粘結(jié)破壞。

(4)碳纖維板復(fù)合材料具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、抗腐蝕等顯著特點(diǎn)，基本不增加原結(jié)構(gòu)自重，不影響原結(jié)構(gòu)使用空間，加固后不影響美觀。

(5)施工快捷，無濕作業(yè)，不需大型施工機(jī)具，施工占用場地少。

4 加固設(shè)計要點(diǎn)及相關(guān)試驗分析

4.1 加固設(shè)計要點(diǎn)

結(jié)合橋梁病害情況及計算數(shù)據(jù)，對存在病害的5片外側(cè)邊梁采用梁底張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行處治。每片箱梁底張拉3條預(yù)應(yīng)力碳纖維板，碳板采用I級高強(qiáng)度條形板，設(shè)計厚度為2.0 mm，寬100 mm，采用一端張拉，雙向控制，張拉應(yīng)力為1 200 MPa。張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板示意見圖4。

圖4 張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板示意

為了減小錨固端應(yīng)力集中，相鄰碳纖維板采用不等長、交錯布置，以避開同一斷面集中錨固，每片板之間凈距為13 cm，外側(cè)碳板距板底外邊緣最小距離控制在22 cm。壓條采用通用的鋼板材料，錨固采用M12錨栓進(jìn)行。壓條間距為3.0～3.25 m。

4.2 相關(guān)試驗分析

圖5 預(yù)應(yīng)力碳纖維板靜載試驗

(1)靜載試驗(圖5)。碳板強(qiáng)度不小于2 400 MPa，錨固效率系數(shù)穩(wěn)定在0.95以上。碳板受力均勻，破壞形態(tài)完美。

(2)疲勞試驗。以碳纖維板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的66%為應(yīng)力上限，應(yīng)力幅為200 MPa，經(jīng)過400萬次循環(huán)后，錨固效率系數(shù)仍保持在0.88。

(3)進(jìn)行松弛試驗，1 000 h松弛率為3.8%。

(4)進(jìn)行實梁試驗，經(jīng)12 m梁加固測試，加固后與加固前對比，承載力提高幅度大于60%，試驗效果較好，符合預(yù)期。

(5)碳板錨具組裝件耐高溫試驗表明，碳板錨具組裝件的安全使用溫度為90 ℃，在此溫度下可滿足長期使用要求。

5 加固計算分析

5.1 加固后整體結(jié)構(gòu)計算

對存在典型病害的箱梁梁底采用張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，加固后效果采用梁格法建模分析，有限元模型見圖6。

圖6 整體有限元梁格法模型

加固后承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果見表1。

表1 加固后主梁控制截面抗彎承載力

注：L為跨徑。

在考慮預(yù)應(yīng)力損失等因素的情況下，對主梁加固前后的跨中和支點(diǎn)截面應(yīng)力進(jìn)行計算分析，加固前后主梁控制截面正應(yīng)力見表2。

表2 加固后主梁控制截面正應(yīng)力

注：拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)

由計算結(jié)果可以看出，通過采用上述專項處治措施，主梁即使在最不利工況下，也能夠滿足設(shè)計荷載要求，并具有一定的安全儲備。同時，通過對病害箱梁張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板，在正常使用極限狀態(tài)下，底板的應(yīng)力狀態(tài)有較為明顯的改善。

5.2 橫隔板受力影響分析

為充分了解本橋跨中橫隔板與箱梁腹板連接處的受力狀況，采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真計算。在建模過程中，考慮箱內(nèi)隔板和箱外隔板等細(xì)部構(gòu)造，為真實反映荷載的擴(kuò)散情況，采用Solid45三維8節(jié)點(diǎn)塊單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)，局部分析模型見圖7。

圖7 有限元建模局部分析

5.2.1 設(shè)置橫隔板工況

在模型設(shè)置橫隔板的工況下，各構(gòu)件主拉應(yīng)力見圖8。

圖8 橫隔板與連接的邊梁內(nèi)腹板應(yīng)力

不考慮計算模型中構(gòu)件連接失真區(qū)域，計算結(jié)果提取如下。

(1)最大主拉應(yīng)力為3.69 MPa，發(fā)生在橫隔板開孔的倒角位置，與病害發(fā)生實際位置基本對應(yīng)。

(2)橫隔板與連接的邊梁內(nèi)腹板最大主拉應(yīng)力為2.58 MPa，發(fā)生在橫隔板下緣與腹板連接轉(zhuǎn)折處。

(3)邊梁外側(cè)腹板距底板底面約30 cm處，最大主拉應(yīng)力為2.05 MPa。

5.2.2 不設(shè)置橫隔板工況

在模型不設(shè)置橫隔板的工況下，各構(gòu)件主拉應(yīng)力如圖9所示。

圖10 橫隔板與連接的邊梁內(nèi)腹板應(yīng)力

(1)最大主拉應(yīng)力為2.95 MPa，發(fā)生在梁端約束位置，該位置屬失真區(qū)域。

(2)在不設(shè)置橫隔板時，邊梁內(nèi)腹板下緣與腹板連接位置最大主拉應(yīng)力為2.38 MPa，較設(shè)置橫隔板工況小0.2 MPa。

(3)邊梁外側(cè)腹板距底板底面約30 cm處最大主拉應(yīng)力為2.2 MPa。

5.2.3 計算結(jié)論

(1)橫隔板開孔處應(yīng)力最大，符合檢測裂縫數(shù)量較多的實際情況，該裂縫的產(chǎn)生與應(yīng)力集中有關(guān)。

(2)設(shè)置的跨中橫隔板與邊梁內(nèi)側(cè)腹板相接的下緣轉(zhuǎn)折區(qū)域有一定的應(yīng)力集中，如不設(shè)橫隔板，該位置應(yīng)力約減少10%。

(3)設(shè)置跨中橫隔板與不設(shè)跨中橫隔板2種工況相比較，邊梁外側(cè)腹板在同一位置應(yīng)力水平差別不大，不設(shè)跨中橫隔板時應(yīng)力略大?？紤]設(shè)置跨中橫隔板對底板及腹板應(yīng)力橫向分配的有利作用，兩者應(yīng)力水平基本一致。

6 結(jié) 語

該橋采取梁底張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固施工完成后，經(jīng)試驗檢測，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。本次設(shè)計遵從結(jié)構(gòu)安全、耐久適用、經(jīng)濟(jì)合理的原則，為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋的加固提出了切實可行的加固設(shè)計措施。