粘貼鋼板加固技術(shù)中鋼板厚度對(duì)橋梁加固效果的影響

張躍峰

（滄州市高速公路建設(shè)管理局，河北 滄州 061000）

0 引言

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁因其受力特性良好、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境等方面因素影響，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同種類與程度的病害，諸如裂縫、保護(hù)層剝落、結(jié)構(gòu)混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞等。這些病害不僅破壞了橋梁的美觀，而且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載安全性和使用耐久性造成了不同程度的影響。

因此，為遏制橋梁已有病害的發(fā)展，提高原有橋梁的承載能力，對(duì)存在病害的橋梁進(jìn)行加固處治十分必要。目前，橋梁的加固技術(shù)主要有：粘貼鋼板、粘貼碳纖維（布）、施加體外預(yù)應(yīng)力、增大梁截面等。其中，粘貼鋼板加固技術(shù)因其施工工期短、工藝簡(jiǎn)單、施工方便、加固效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土橋梁加固中得到了廣泛應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)粘貼鋼板加固技術(shù)的受力機(jī)理以及受力特性進(jìn)行了大量研究。在黃勤、朱茂法等人對(duì)粘鋼加固鋼筋混凝土梁的受力機(jī)理研究中，通過(guò)對(duì)四根粘鋼加固鋼筋混凝土梁的單調(diào)加載靜力試驗(yàn)，測(cè)得了粘鋼加固梁的縱向受力鋼筋、粘鋼側(cè)板及受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變與梁的撓度[1]；王天穩(wěn)在不同卸載狀態(tài)下對(duì)混凝土粘鋼加固梁的正截面承載力計(jì)算進(jìn)行了研究，認(rèn)為對(duì)于完全卸荷后粘鋼加固梁，可按一般混凝土梁近似計(jì)算。不同卸荷粘鋼加固梁的截面抗彎剛度應(yīng)分為粘鋼前、粘鋼后兩部分，其撓度為兩部分之和[2]；蔡光汀等人對(duì)粘鋼補(bǔ)強(qiáng)用結(jié)構(gòu)膠的耐久性進(jìn)行了研究，認(rèn)為長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境，尤其是水中的鋼筋混凝土構(gòu)件不宜使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行外部粘鋼法加固補(bǔ)強(qiáng)[3]。但是，對(duì)于粘鋼加固技術(shù)中鋼板厚度對(duì)加固效果影響的研究還比較少。因而，研究鋼板厚度對(duì)粘貼鋼板加固技術(shù)效果的影響，對(duì)指導(dǎo)類似橋梁后續(xù)加固具有十分重要的意義。

本文以河北省交通運(yùn)輸廳科研課題《預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋耐久性病害診斷和加固關(guān)鍵技術(shù)研究》為依托，以子牙新河特大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)鋼板厚度對(duì)橋梁加固效果的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 工程概況

子牙新河特大橋是京滬高速公路青縣至吳橋段上的一座重要構(gòu)筑物，于2000年12月11日建成通車，橋梁全長(zhǎng)2868.98m。主橋上部結(jié)構(gòu)為31m+38m+31m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，下部邊墩采用獨(dú)柱圓端形板式橋墩，懸臂蓋梁?；A(chǔ)采用直徑為1.2m的鉆孔灌注樁。引橋上部為30m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，分七孔一聯(lián)和十三孔一聯(lián)兩種形式，橋墩采用單幅獨(dú)柱圓端形板式墩，懸臂蓋梁，基礎(chǔ)采用直徑為1.2m的鉆孔灌注樁。

引橋單幅橋面由四片預(yù)制小箱梁組成，梁高1.5m，中梁寬2.4m，邊梁寬3.3m，中梁與邊梁采用后澆濕接縫連接，其橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 小箱梁橫截面布置（單位：cm）

1.2 試驗(yàn)方法

因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)橋梁加固工程中，研究不同厚度的粘貼鋼板對(duì)橋梁加固效果影響的實(shí)際可操作性較低，所以為了模擬不同厚度的鋼板對(duì)橋梁加固技術(shù)的影響，擬采用橋梁計(jì)算軟件Midas對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。

由于該橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故只進(jìn)行1/2模型計(jì)算分析。采用Midas FEA中Newton-Raphson方法進(jìn)行非線性迭代計(jì)算分析，分析中所采用的荷載為荷載系數(shù)乘以初始荷載750kN的結(jié)果值。

其他計(jì)算技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

表1 混凝土計(jì)算參數(shù)

表2 鋼筋計(jì)算參數(shù)

表3 鋼板計(jì)算參數(shù)

箱梁底部鋼板粘貼位置如圖2所示。

圖2 箱梁底板粘貼鋼板斷面圖（單位：cm）

2 試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方法，對(duì)混凝土、鋼筋、鋼板相關(guān)系數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，使用Midas軟件對(duì)厚度分別為4mm、6mm、8mm、10mm的鋼板加固后的荷載位移進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。模擬過(guò)程如圖3、圖4所示。

對(duì)底板分別粘貼4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板后的承載力進(jìn)行了分析，結(jié)果如表4所示。

圖3 橋梁1/2模型圖

圖4 底板鋼板模擬圖

表4 不同厚度鋼板承載力模擬分析結(jié)果

由表4中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ鹊装逭迟N不同厚度鋼板后的跨中豎向位移可知，在荷載步小于0.20時(shí)，4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板的跨中位移差別不大，但是當(dāng)荷載步大于0.20后，可以看出厚度為10mm的鋼板其跨中位移要明顯小于厚度為4mm的鋼板，這說(shuō)明粘貼10mm厚度的鋼板后橋梁的剛度要大于粘貼4mm厚度鋼板后橋梁的剛度。并且隨著鋼板厚度的增加，主梁的剛度逐漸加強(qiáng)。

對(duì)未加固的橋梁及粘貼了4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板后的橋梁的極限承載力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 極限承載力結(jié)果對(duì)比

由表5可知，未加固的橋梁以及粘貼了4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板的橋梁，其極限承載力分別為：892.1kN·m、1029.3kN·m、1097.9kN·m、1166.5kN·m、1235.2kN·m。粘貼了4mm、6mm、8mm以及10mm厚度鋼板的橋梁與比未經(jīng)加固的橋梁相比，主梁承載力分別提高了15.4%、23.1%、30.8%、38.5%。從使用性能方面來(lái)看，粘貼鋼板加固后，主梁的極限承載力得到明顯提高，并且主梁的極限承載能力隨著鋼板厚度的增加而逐漸增大。

對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到鋼板厚度與主梁極限承載力的相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 鋼板厚度與主梁極限承載力相關(guān)關(guān)系

由圖5可以看出，鋼板厚度與主梁極限承載能力之間存在良好的相關(guān)關(guān)系，成線性相關(guān)。某種程度上，粘貼鋼板厚度的增加可以提高主梁的極限承載能力。

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)Midas軟件對(duì)主梁粘貼不同厚度鋼板的數(shù)值計(jì)算與其剛度、極限承載力結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論：

（1）主梁在粘貼鋼板后，剛度明顯提高，并且隨著鋼板厚度的增加，主梁的整體剛度逐漸增強(qiáng)；

（2）主梁在粘貼鋼板后，極限承載力明顯提高，10mm厚的鋼板能使主梁的極限承載力提高約30%。并且鋼板厚度與主梁的極限承載能力線性相關(guān)，相關(guān)關(guān)系式為y=34.30x+892.0。

[1]黃勤，朱茂法，張建榮，等.粘鋼加固鋼筋混凝土梁的受力機(jī)理[J].結(jié)構(gòu)工程師，1996（4）：24-29.

[2]王天穩(wěn).混凝土梁在不同卸載時(shí)粘鋼加固正截面承載力計(jì)算[J].建筑技術(shù)，1995（23）：390-392.

[3]蔡光汀，陳君球，鄒越，等.混凝土粘鋼補(bǔ)強(qiáng)用結(jié)構(gòu)膠的耐久性研究[J].混凝土，2000（8）：37-40.