先简支后连续混凝土T梁裂缝分析与加固设计

李建鑫

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

1 工程概况

密灌3号大桥位于云南省红河哈尼族彝族自治州地区，于2012年04月建成通车。桥梁全长106.8 m，桥面总宽10 m，车行道宽9 m，设计速度为40 km/h，上部结构为5×20 m预应力混凝土先简支后连续T梁；下部结构为圆形双柱墩，重力式桥台。设计荷载等级为：公路-Ⅱ级。预制T梁、横隔板、翼缘湿接缝采用C45混凝土，普通钢筋为HPB235，钢绞线采用桥梁所处碳化环境作用等级为1类。2017年9月至10月对该桥进行了检测，发现12片主梁有竖向裂缝、斜向裂缝，以及修补后反射裂缝发生了延伸。

有关规范规定，混凝土梁体裂缝出现后，要及时对裂缝进行检测，分析裂缝产生的原因，评估裂缝对梁体质量、耐久性等指标的影响。结合有关资料及T梁的构造特点和裂缝状况，分析记录裂缝的分布情况，如表1。

表1 梁体裂缝记录

其中裂缝合计数量103条，其中贯通裂缝占比2.56%，斜向裂缝占比2.56%，网状裂缝占比2.56%，反射裂缝占比10.26%，对称竖向裂缝占比12.83%，竖向裂缝占比69.23%。裂缝最大长度为1 130 mm，出现在2#和3#梁腹板和马蹄，最大长度及宽度出现于跨中附近。

2 有限元模型建立

运用Midas civil建立T梁的计算模型，建立边梁与中梁的模型，忽略横向联系。根据相关规定对本桥承载能力进行评定，在原结构基础上做如下修正，T梁腹板抗剪箍筋和梁底纵筋截面折减系数ξs=0.98，混凝土截面折减系数ξc=0.95，承载能力恶化系数ξe=0.042，承载能力检算系数Z1=1.08，综合修正系数=ξsξcZ1(1-ξe)=0.963。

图1 边梁与中梁有限元计算模型

原桥设计采用的荷载为《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)的公路-Ⅱ级，小于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)的公路-Ⅱ级荷载，故需要采用现行规范的荷载对原桥进行验算，承载能力验算结果如图2～图3、表2所示。

表2 15规范公路-Ⅱ级荷载作用下的应力验算

图2 抗弯验算

图3 抗剪验算

从图2可知，各边梁、中跨跨中的抗弯最不利组合大于各跨的承载能力组合，边梁最大差限20.1%；边梁和中梁墩顶处负弯矩区不超限，但安全系数不大，安全储备不足。

由图3可知，各边梁、中梁的抗剪承载力均大于各最不利组合，安全系数均为1.2左右，有一定的安全储备。

3 加固处理

3.1 病害成因分析

大部分T梁腹板竖向裂缝起于腹板与翼板结合处，止于马蹄侧面与腹板结合处，少数会延伸至马蹄底部。根据腹板先裂向梁底发展的病害特征，结合结构计算，推断裂缝成因如下。

(1)施工期间没能及时养护刚浇筑完成的混凝土。混凝土快速的失水，腹板的配筋较翼板和马蹄而言相对较少，而腹板面积较大较薄，对混凝土的约束较弱，翼板和马蹄之间的相互约束导致腹板收缩而受拉，拉应力超过混凝土抗拉强度而出现裂缝。不合理的添加剂和配合比的使用可能会导致混凝土梁体表面出现不均匀的收缩裂缝。腹板表面收缩裂缝受荷载作用，下端受拉，裂缝发展；部分T梁的有效预应力不足，也促使裂缝向下发展。

(2)根据结构复算结果，按15规范计算，边梁抗弯承载力不足，梁板跨中在短期效应组合下梁底产生拉应力，但理论上未超限。

(3)原桥设计荷载等级为《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)中的公路-Ⅱ级荷载，比15规范中的公路-Ⅱ级设计荷载较小，实际运营中，最主要的是超载车辆较多，交通流量大，运营荷载比设计荷载考虑的较严峻。

综上所述T梁的腹板裂缝主要为表面收缩裂缝，T梁预制时龄期短、结构连续后由于收缩应变过大而导致梁体开裂；在预应力损失和超载的共同作用之下，裂缝下端开始向下发展。少数有效预应力较低的梁下缘可能会出现横向裂缝。

3.2 处理措施

加固后T梁与原T梁间存在材料的不协调，使得原材料与新增材料间之间存在应力、应变滞后现象。根据原设计图纸和现场检测得出的尺寸及配筋数据，采用Midas Civil软件进行计算。计算中考虑的荷载有:梁的自重;桥面的二期恒载;公路-Ⅱ级汽车活载;梁截面竖向非线性温度分布效应;原预应力及相应的二次内力效应;混凝土收缩徐变及其相应的二次内力效应。不考虑支座位移，只涉及纵向受力及配筋计算。

采取体外预应力对T梁进行加固，在马蹄两侧各布置一束钢绞线，外套HDPE管，为增强梁端抗剪能力，考虑钢束在端部增加竖弯。钢绞线规格为φs15.2(7φ5)，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105 MPa。边梁束为4φs15.2，中梁束为3φs15.2。锚具的回缩值取6 mm，摩擦系数为μ=0.13。张拉控制应力为50%抗拉强度。

3.3 加固结果

对连续梁施加体外预应力后会产生次内力，导致梁的荷载效应发生变化，跨中正弯矩增大，支座负弯矩减小，加固之后梁的承载能力验算结果如图4～图5、表3所示。

图4 抗弯验算

图5 抗剪验算

表3 加固之后应力验算

验算结果表明：加固后T梁在截面抗弯、抗剪性能方面均有所提高， 受体外预应力钢丝的影响，形成相对较大的差异变化，且随着后期的运营使用将形成较好的吻合；抗剪承载力、抗弯承载力均满足公路-Ⅱ级荷载承载要求规范要求。

4 结 语

本文对预应力混凝土先简支后连续T梁桥的受力特点进行分析并建立了混凝土桥梁的加固模型，并对其承载力与使用性能展开研究。可采用体外预应力的方式提升承载能力，来弥补荷载效应较之前的不足。加固结果表明采用预应力高强钢丝的方法能提高梁体自身的有效承载能力并有一定的安全储备，满足桥梁的设计荷载等级(公路-Ⅱ级)的荷载承载能力的要求，可以推广应用于在役桥梁的耐久性不足的修复工程。从效果可靠性、经济合理性、技术可行性及施工方便性出发，选择体外预应力加固方案进行先简支后连续T型梁桥的加固设计的方案是切实可行的。