施工順序?qū)φ迟N鋼板加固效果的影響研究

張弋強(qiáng), 施 智, 張紅日

(1.廣西交通科學(xué)研究院, 廣西 南寧 530007; 2.華東交通大學(xué), 江西 南昌 330013 3.廣西舊橋檢測(cè)加固技術(shù)中心，廣西 南寧 530007; 4.長(zhǎng)沙理工大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

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施工順序?qū)φ迟N鋼板加固效果的影響研究

張弋強(qiáng)1,2, 施 智1,3, 張紅日1,4

(1.廣西交通科學(xué)研究院, 廣西 南寧 530007; 2.華東交通大學(xué), 江西 南昌 330013 3.廣西舊橋檢測(cè)加固技術(shù)中心，廣西 南寧 530007; 4.長(zhǎng)沙理工大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

僚田小橋?yàn)檎w現(xiàn)澆空心板梁橋，為研究該橋在不同的施工順序下的粘貼鋼板的加固效果，采用Midas Civil建立全橋計(jì)算模型，分析該橋的靜力性能及鋼板對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎能力的提高。結(jié)果表明：在外界條件不改變的情況下，粘貼鋼板的加固效果關(guān)鍵在于粘貼鋼板前對(duì)原構(gòu)件荷載的卸載順序及卸載大小，卸載越多，加固效果越好。

有限元；施工順序；粘貼鋼板；加固

粘貼鋼板是針對(duì)在使用荷載下受拉鋼筋配置偏少時(shí)較適合的加固方法，作用機(jī)理是采用黏結(jié)劑將鋼板粘貼在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉部位或薄弱區(qū)，形成整體共同承受荷載，因其不增加恒載、施工方便快捷、便于安裝、能較為充分的發(fā)揮鋼板強(qiáng)度高、塑性好等特點(diǎn)而被設(shè)計(jì)者所重視。利用這些特點(diǎn)使之與原結(jié)構(gòu)形成共同受力的整體，提高其抗彎、抗剪能力及剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫及病害的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而提高橋梁的承載能力與耐久性。

基于鋼板加固屬于被動(dòng)加固，其只承受粘貼加固后的荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，只有在原受拉鋼筋屈服后，新增鋼板的應(yīng)力、應(yīng)變才會(huì)迅速增加。因而，粘貼鋼板前后荷載的變化情況對(duì)加固效應(yīng)的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用。該文結(jié)合桂林至柳州高速公路僚田小橋加固設(shè)計(jì)方案，對(duì)整體空心板受力進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)加固的有效性、合理性進(jìn)行評(píng)估分析。

1 工程概況

僚田小橋位于桂林-柳州高速公路K2485+276處。橋幅為分離式，左右幅橋面寬均為11.95 m，橋梁全長(zhǎng)28.30 m(見圖1)。上構(gòu)為1×16.00 m簡(jiǎn)支普通鋼筋混凝土整體空心板。橋臺(tái)均為重力式U型橋臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面鋪裝層為18 cm混凝土橋面鋪裝層，護(hù)欄為鋼筋混凝土防撞墻，伸縮縫為異型鋼伸縮縫。

隨著運(yùn)輸量的不斷增大，尤其是超載超限車輛的增加，導(dǎo)致該橋老化破損，處于“帶病”工作狀態(tài)，對(duì)行車安全造成極大威脅，因而對(duì)其進(jìn)行加固改造就顯得尤為緊迫。

圖1 僚田小橋概貌

2 橋梁病害說明

僚田小橋運(yùn)營(yíng)多年,超載車輛通行頻繁,對(duì)橋梁造成極大的損害。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)僚田小橋上部承重構(gòu)件主要存在以下幾點(diǎn)病害:

整體空心板板底有28道橫向裂縫、6道縱向裂縫，部分裂縫泛堿，但裂縫均未超過規(guī)范限寬，有3處混凝土蜂窩，6處混凝土剝落、露筋，4處混凝土空洞、露筋，1處滲水、泛堿。

可以看出，在板底均有縱向、橫向裂縫存在，但橫向裂縫數(shù)量遠(yuǎn)多于縱向裂縫，說明其裂縫的出現(xiàn)并不是偶然的，而是具有很強(qiáng)的規(guī)律性。同時(shí)橫向裂縫的大量出現(xiàn)表明整體空心板橋的承載能力不足、老化、破損嚴(yán)重，很有必要對(duì)其進(jìn)行加固。

3 有限元分析模型

圖2 主拱圈橫截面示意圖

本文采用空間有限元軟件Midas Civil 2010進(jìn)行研究。模型采用等效梁格單元，共計(jì)209個(gè)節(jié)點(diǎn)，346個(gè)單元(見圖2)。材料特性：全橋均為C25混凝土，橫向聯(lián)系梁?jiǎn)卧挥?jì)容重。恒載考慮自重及一期恒載和二期恒載，一期恒載以原橋的18 cm厚橋面鋪裝進(jìn)行加載，二期恒載以橋面鋪裝改造后加鋪的5 cm瀝青混凝土進(jìn)行加載?；钶d采用車道荷載，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，按雙車道加載，不考慮人行荷載。共設(shè)置22個(gè)彈性支座。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 整體空心板活載-彎矩分析

整體空心板的橫向彎矩主要是由活載扭矩所引起，因而其彎矩值相較于縱向彎矩較小。圖3、圖4分別為橫橋向及縱橋向在活載作用下各自的內(nèi)力分布模型圖。

圖3 板底橫橋向彎矩分布模型圖

圖4 板底縱橋向彎矩分布模型圖

由計(jì)算可知，在活載作用下，其橫向彎矩值只占縱向彎矩值的4.4%，其橫橋向結(jié)構(gòu)自身配筋能滿足荷載要求。因而本次主要分析縱橋向粘貼鋼板加固，取單寬1.05 m的空心板作為鋼板加固計(jì)算模型(見圖5、圖6)。

圖5 空心板尺寸及配筋示意圖

圖6 截面等效計(jì)算示意圖

4.2 粘貼鋼板計(jì)算

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件粘貼鋼板加固計(jì)算的前提條件是截面應(yīng)變分布仍符合平截面假定，保證鋼板與原構(gòu)件變形協(xié)調(diào)一致，不發(fā)生因粘貼面的剝離而出現(xiàn)破壞。既進(jìn)行各階段各材料的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算，也進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的承載能力計(jì)算。

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件粘貼鋼板加固計(jì)算分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是在粘貼鋼板前結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及應(yīng)力情況；第二階段是在粘貼鋼板后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及應(yīng)力情況。不同施工順序組合下其加固鋼板應(yīng)力不同。

受彎構(gòu)件正截面加固計(jì)算公式為

混凝土受壓區(qū)高度計(jì)算公式為

加固鋼板的拉應(yīng)變計(jì)算公式為

4.3 結(jié)構(gòu)荷載加載、卸載順序組合說明

按不同的施工順序得出不同的板單元內(nèi)力，采取三種施工順序組合形式(見圖7～圖10)。

組合一： 鑿除原橋18 cm厚的橋面鋪裝及附屬構(gòu)造圖，然后在板底粘貼鋼板，粘貼施工完畢后再重新澆筑橋面鋪裝，澆筑的橋面鋪裝厚度為18 cm+5 cm，最后通車檢驗(yàn)。

組合二： 不鑿除原橋18 cm厚的橋面鋪裝及附屬構(gòu)造，直接在板底粘貼鋼板，粘貼施工完畢后澆筑加鋪的5 cm厚橋面鋪裝，最后通車檢驗(yàn)。

組合三： 不鑿除原橋18 cm厚的橋面鋪裝及附屬構(gòu)造，先施工澆筑加鋪的5 cm厚橋面鋪裝，然后在板底粘貼鋼板，粘貼施工完畢后通車檢驗(yàn)。

圖7 組合一彎矩內(nèi)力模型圖

圖8 組合二彎矩內(nèi)力模型圖

圖9 組合三彎矩內(nèi)力模型圖

圖10 最后成橋恒載+活載彎矩內(nèi)力模型圖

根據(jù)受彎構(gòu)件正截面加固計(jì)算公式，分別計(jì)算出不同施工順序組合下鋼板的應(yīng)力及相應(yīng)的彎矩提高百分比。具體數(shù)值詳見表1。

表1 不同荷載組合下彎矩值

5 結(jié)語

(1) 通過Midas/Civil有限元軟件采用梁格法計(jì)算得出整體現(xiàn)澆空心板縱向彎矩遠(yuǎn)大于橫向彎矩，是加固設(shè)計(jì)的控制點(diǎn)。

(2) 在粘貼鋼板前對(duì)原構(gòu)件加載或卸載的順序和大小直接影響到粘貼鋼板的加固效果，前期卸載越多，粘貼鋼板的加固效果越好。

(3) 只有在原構(gòu)件內(nèi)力發(fā)展到一定階段后，所粘貼的鋼板才能發(fā)揮作用，屬于被動(dòng)加固，有一定的局限性。

(4)原截面所配的受拉鋼筋是粘貼鋼板加固設(shè)計(jì)的控制性因素。

[1]鄔曉光，白青俠，雷字學(xué).公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用計(jì)算示例[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 姜震，朱宜琛，吳永勝.整體式板橋靜力荷載試驗(yàn)及計(jì)算方法研究[J].森林工程，2012，28(4):47-50.

[3] JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JTG/TJ22-2008.公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 單成林.舊橋加固設(shè)計(jì)原理及計(jì)算示例[M].北京：人民交通出版社，2011.

Impact of construction sequence on bonding steel reinforcement effects

ZHANG Yi-qiang1,2, SHI Zhi1,3, ZHANG Hong-ri1,4

(1.GuangxiTransportResearchInstitute,Nanning530007,China;2.EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China;3.GuangxiExaminationandConsolidationofOldBridgeTechnicalCenter,Nanning530007,China;4.ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China)

The Liaotian Bridge is a integral cast in-situ hollow plate girder bridge. To study the strengthening effect of pasting steel plate under the differents influence of construction of the bridge, MIDAS Civil was used to build the calculation model and analyze the static behavior of the bridge and the improvement factor of structural bending by steel. The calculated results show that without changing the external conditions, the key to the reinforcing effect of plastering steel plate is sequence of unloading and the size of unloading on the original component before pasting steel plate, unloading more, batter reinforcement effect.

finite element; construction sequence; bonding steel plate; reinforcement

2015-02-09

張弋強(qiáng)(1983-)，男，江西上饒人，碩士，工程師。

1674-7046(2015)02-0036-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.008

TU746.3

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