预应力碳板在T 梁负弯矩补强的应用

■卓仕敏

（福建三明莆炎高速公路有限责任公司， 三明 365000）

福建闽西北多为山区， 高速公路选线不可避免需要穿山跨谷，面对高差大等问题，高桥隧比成为“标配”，桥梁中预应力简支-连续（刚构）T 梁因其施工方便、标准化程度高、力学性能良好，伸缩缝构造少等优点，使车辆行驶平顺舒适而得到广泛应用。 简支转连续预应力T 梁结构中负弯矩作为桥梁整体形成体系受力的重要结构， 其设计过程需经过详细的计算分析， 施工与运行中一旦出现问题， 对其的修复和加固工作就变成特别需要重视的精细活。

1 工程概况

项目应用的大桥设计为左右分幅桥面。 上部结构采用左幅16×40 m、右幅11×40 m 装配式预应力砼连续T 梁；下部结构采用柱式墩、薄壁墩、桩基础，桥台采用柱式台、板凳台、桩基础。 桥梁全长为547 m。 桥面宽度：分离式0.50 m（防撞栏）+12.00 m（行车道）+0.50 m（防撞栏）=13 m，单幅为5 片T梁。本次缺陷位于右幅2#墩墩顶1# 边梁位置，2# 墩为固结墩， 设计1# 边梁负弯矩钢束为对称布置N1、N2、N3 钢束，其钢束布置如图1 所示。 在桥面系实施过程中发现部分T 梁预埋泄水孔不规范，作业队伍简单采取补钻泄水孔进行整改，在右幅进行到2# 墩时，误将设横向泄水孔处进行竖向钻孔，发现钢绞线有钻断现象（图2）。经过事故排查发现，第二孔边梁靠2# 墩处的N2 钢束全束钻断，N3 钢束中的3 根钢绞线钻断。

图1 T 梁负弯矩钢束布置

图2 T 梁负弯矩钢束钻断位置

2 结构建模计算分析

原设计桥梁结构体系为先简支后结构连续（或刚构），预应力混凝土连续（刚构）T 梁预制主梁的正弯矩预应力钢束按全预应力混凝土设计，连续接头负弯矩预应力钢束支点下缘按部分预应力A 类构件设计，刚构接头负弯矩预应力钢束支点下缘按部分预应力B 类构件设计。 结构设计计算符合JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[1]要求。 结合原设计桥梁情况，本次采用桥梁博士4.2，按大桥右幅第一联3×40 m 建立有限元模型计算，如图3 所示。

图3 大桥右幅第一联有限元计算模型

T 梁单元：1～100# 单元， 其中节点2、100 为梁体支座位置，节点34、68 为墩梁固结位置。 本桥上部T 梁刚构现浇段为B 类构件，其余均为全预应力构件，考虑中支点处弯矩折减。

以原设计正常承载能力极限状态下根据计算结果，上缘最大正应力为15.80 MPa，下缘最大正应力为15.25 MPa， 均小于规范限16.20 MPa， 满足要求。 最大正弯矩与最小正弯矩均符合技术规范要求，最大弯矩值为17611.5 kN·m，小于抗力值19502.7 kN·m；最小弯矩值－11238.4 kN·m，小于抗力值－12841.8 kN·m。 以截断钢束模型计算正常使用极限状态下， 计算得出下缘最大正应力为16.48 MPa，大于规范限值16.20 MPa，不满足要求。计算结果如图4、 表1 所示。 以负弯矩钢束切断后最小弯矩值为－11138.2 kN·m， 大于抗力值－10984.5 kN·m，最小正弯矩不满足要求。计算结果如图5～6、表2～3所示。

图4 截断钢束后上下缘最大、最小正应力计算结果

表1 正应力计算值对比

图5 截断钢束后最大弯矩计算结果

图6 截断钢束后最小弯矩计算结果

表2 弯矩计算结果

表3 连续段（刚构）裂缝计算结果

综上计算结果分析：（1）断束后，正常使用极限状态下，下缘最大正应力不满足要求；（2）2# 墩顶刚构处，断束模型最大弯矩安全系数为1.09，原设计最大弯矩安全系数为1.11，断束后最大弯矩安全系数影响小；（3）2#墩顶刚构处，断束模型最小弯矩安全系数为0.98， 原设计最小弯矩安全系数1.14，计算显示断束后最小弯矩安全系数小于原设计且不满足规范要求。 （4）原设计模型和断束模型连续段裂缝计算值均满足规范0.1 mm 要求。

3 处理方案比选

考虑到该大桥已完成桥面混凝土铺装，进入路基合同段施工尾期阶段，需面对工期紧和界面移交等客观问题，若进行返工整改，进行T 梁置换，将面临耗时长，成本高，造成不必要的浪费。 经设计论证，选取结构加强的处理方式是可行的，根据工程需求筛选后的处理方案对比分析如表4 所示。

表4 处理方案比选

经综合比较，在其他恢复断束钢绞线方案施工困难的情况下，最终确定选用预应力碳板方案进行处理，预应力碳板产生的预应力能够有效的抵消桥梁结构自重和运营车辆荷载产生的作用，提高结构刚度、减少结构挠度[2]。 能够发挥其施工工期可控、施工复杂程度低、施工安全性高、施工精细度好等特点，且尽可能地降低了处理工程的造价，避免了不必要的浪费。

4 预应力碳板方案设计

本次方案设计采用100×3 mm2预应力碳板进行加固处理，共布置7 条，与原设计方案等效趋近，张拉控制力[3]为690×300×7=1449000 N，布置间距为20 cm，预应力碳板位置尽量避开原有钢束进行布置，长度略长于原有断裂钢束长度，碳板锚固位置错开布置， 避免在梁体同一横截面上对横截面造成较大的削弱[4]，碳板布置及设计尺寸具体如图7、8 所示。

图7 预应力碳板方案设计平面图

5 预应力碳板加固后的计算

如上方案所述本次加固模型采用100×3 mm2预应力碳板，共布置7 条，张拉控制力为690×300×7=1449000 N。 加固模型仍采用桥梁博士4.2 建立。

图8 预应力碳板方案设计截面图

T 梁单元：1～100# 单元， 其中节点2、100 为梁体支座位置，节点34、68 为墩梁固结位置。 本桥上部T 梁刚构现浇段为B 类构件，其余均为全预应力构件。 模型构造与钢束切断模型相同，施工步骤在断束模型最后1 个施工阶段后添加1 个施工阶段：张拉预应力碳板。 预应力碳板为在按设计文件位置在钢束设计中增加，张拉力选用690 MPa，一端锚具回缩值按照GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》[5]中选取为1 mm。 预应力碳板技术参数如表5 所示。

表5 碳纤维复合材料安全性鉴定

加固计算结果如下：承载能力极限状态：最大弯矩值为17486.0 kN·m，小于抗力值19498.9 kN·m；最小弯矩出现在2# 墩顶处梁段，弯矩值为－11462.6 kN·m，小于抗力值－16213.7 kN·m，最大正弯矩与最小正弯矩均能满足要，计算结果如表6～8 所示。

表6 弯矩计算结果

表7 正应力计算值对比

表8 裂缝计算值对比

综上计算结果分析：（1）2#墩顶刚构处，最小弯矩安全系数为1.13， 原设计最小弯矩安全系数为1.14，加固后最小弯矩安全系数与原设计基本一致。最大弯矩安全系数为1.12，原设计最大弯矩安全系数为1.11，加固后最大弯矩安全系数与原设计基本一致。 计算结果显示墩顶负弯矩承载能力加固后能够满足相关要求；（2）加固后2# 墩顶附近出现上缘最大正应力值15.80 MPa,安全系数为1.03，相应位置下缘最大正应力值为15.26 MPa, 安全系数为16.2；加固后上缘最小正应力值－0.03 MPa,安全系数为61.7，下缘最小正应力值为－0.25 MPa,安全系数7.4；根据计算，与原设计模型进行对比2# 墩顶加固后，上下缘最小正应力与上下缘最大正应力安全储备基本与原设计一致，均能满足相关要求。

6 结论

（1） 预应力碳纤维板具备优良的定型特性，除传统的“表面粘贴法”使用，本次应用在结构层间，充分利用了预应力碳纤维板可选的扁平尺寸与桥面结构设计特点高度结合，做到了精度高，操作易，相对成本低、工期短的理想处理效果。 （2）预应力碳纤维板，在提高梁片抗弯承载能力，增加桥梁整体的承载力安全储备，有显著效果，在特定工程环境中，仍有很多可开发应用其材料特性的空间。