基于荷載試驗(yàn)的空心板橋加固效率分析

張薇 李睿 李定美

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南省曲靖公路局 云南曲靖 655000)

0 引言

近年來(lái)，空心板橋加固方法層出不窮?？招陌鍢虺Ｓ眉庸谭椒ㄓ性龃蠼孛娣?、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、粘貼鋼板法、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋加固法、粘貼碳纖維材料加固法、改變結(jié)構(gòu)受力體系等，這些方法在過(guò)去的橋梁加固中均取得了一定的成效[2-4]。但是在之前的研究與工程實(shí)踐中只針對(duì)單一一種加固方法的加固效率進(jìn)行闡述，并未對(duì)兩種或多種加固方法的加固效果進(jìn)行對(duì)比。本文基于云南省玉溪市3座預(yù)應(yīng)力空心板橋加固前后理論分析及荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比粘貼碳纖維筋、簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)和粘貼鋼板3種加固方法的加固效率及經(jīng)濟(jì)效益研究。為今后不同加固目標(biāo)的橋梁提供加固方案參考，同時(shí)經(jīng)過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)的積累，為今后空心板橋同類(lèi)病害加固提供標(biāo)準(zhǔn)化加固方案，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化加固方案的實(shí)施，可以有效推動(dòng)我國(guó)橋梁養(yǎng)護(hù)加固市場(chǎng)的規(guī)范化，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)周期、節(jié)約工程造價(jià)、提高加固質(zhì)量[5]。

1 空心板橋的加固方法

目前空心板橋加固方法有很多，對(duì)于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)型加固主要分為主動(dòng)加固和被動(dòng)加固。其中主動(dòng)加固有體外預(yù)應(yīng)力加固法、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力加固法、簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固法等，被動(dòng)加固方法有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維片材加固法等。本文主要對(duì)比粘貼碳纖維筋加固、簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固、粘貼鋼板加固3種加固方法的加固效率分析。

1.1 粘貼碳纖維材料加固法

空心板橋板底粘貼碳纖維筋加固法，是一種新型的加固方法，該方法利用碳纖維材料優(yōu)于其他材料的抗拉性能，粘貼于結(jié)構(gòu)受彎部位，使碳纖維材料與結(jié)構(gòu)共同受力達(dá)到加固目的,實(shí)質(zhì)是體外配筋。采用植筋膠錨固方式將結(jié)構(gòu)連接并噴涂高聚合物砂漿，用高強(qiáng)碳纖維筋作為受力配筋，提高原構(gòu)件的配筋量與橋梁的整體性，從而提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度和承載力。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①碳纖維筋自重輕，對(duì)整體的結(jié)構(gòu)重量影響??；②采用錨固和開(kāi)槽方式施工、施工簡(jiǎn)便、無(wú)需支模板；③施工方法簡(jiǎn)單，工期短，不需要大型設(shè)備，不受空間限制；④粘結(jié)力強(qiáng)，與原結(jié)構(gòu)易形成一體；⑤與混凝土性能一致，抗凍融性、耐久性、耐化學(xué)腐蝕性良好，對(duì)空心板橋梁的耐久性也起到很好的作用；⑥對(duì)交通的影響較小，施工后可快速恢復(fù)通車(chē)[5]。本文中回水頭橋在原橋板底采用粘貼碳纖維筋加固方法進(jìn)行加固，該橋共加固空心板51片，每片板在跨徑的1/4～3/4之間板底布設(shè)縱向長(zhǎng)度10 m，橫橋向間距9 cm的φ6碳纖維筋，并噴射2 cm厚高強(qiáng)聚合物砂漿。

粘貼碳纖維筋加固方法施工步驟：原結(jié)構(gòu)表面處理(清除表面風(fēng)化層，突出及松散砌縫砂漿)—涂抹表面強(qiáng)化劑—表面找平—安裝錨具—安裝碳纖維筋—噴涂高強(qiáng)度聚合物砂漿—涂刷表面防腐材料。

1.2 簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固法

簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)是多跨簡(jiǎn)支梁(板)橋加固的一種選擇[6]。簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固舊橋與其他加固方式不同的一點(diǎn)在于，該加固方法改變了結(jié)構(gòu)體系受力方式，使橋梁在恒載的作用下發(fā)生內(nèi)力重分布。顯著改善橋梁整體的承載能力、結(jié)構(gòu)剛度和動(dòng)力特性。其中簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)根據(jù)連續(xù)處處理方式不同分為普通鋼筋連續(xù)、預(yù)應(yīng)力鋼束連續(xù)、局部預(yù)應(yīng)力鋼束連續(xù)等；依據(jù)所使用的混凝土材料不同可分為普通混凝土連續(xù)和自應(yīng)力混凝土連續(xù)等；根據(jù)支座類(lèi)型又可分為單支座連續(xù)和雙支座連續(xù)兩種。該方法在提載的同時(shí)，還可以有效避免橋梁由于伸縮縫失效維修給交通帶來(lái)的影響，同時(shí)由于橋面的連續(xù)性，可以有效改善行車(chē)舒適性和安全性[7]。本文黑箐橋采用該方法進(jìn)行加固，鑿除墩頂7 m范圍內(nèi)空心板頂板混凝土，布設(shè)負(fù)彎矩鋼筋，澆筑C50混凝土填實(shí)該范圍空心板內(nèi)腔。

簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法施工步驟：橋梁進(jìn)行卸載—將簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)處的原構(gòu)件外包部分外表面打毛及清潔處理—對(duì)支座轉(zhuǎn)換與墩頂段的連續(xù)化處理—鄰跨間接縫處的混凝土澆筑—臨時(shí)支座的拆除。

1.3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固也是目前針對(duì)混凝土構(gòu)件承載力不足的一種加固方法，該方法可以增加混凝土構(gòu)件抗彎剛度，改善其彎曲、剪切、拉伸性能，減小撓度，并抑制裂縫發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于橋梁加固工程中[8]。該方法施工方便，加固效果較好，但是由于所粘貼的鋼板直接暴露于環(huán)境中，因而在設(shè)計(jì)和使用時(shí)需要將鋼板的耐火性和耐腐蝕性考慮在內(nèi)，粘貼膠的性能好壞也是加固效果好壞的直接影響因素[9]。本文中七公里橋空心板采用該方法進(jìn)行加固，粘貼的鋼板為5 mm厚的鋼板，在空心板板底全長(zhǎng)范圍內(nèi)粘貼，以增強(qiáng)空心板的縱向抗彎能力。

經(jīng)改進(jìn)的流量計(jì)，在山東新和成藥業(yè)有限公司、營(yíng)口三征精細(xì)化工有限公司等單位批量使用，效果較好，未發(fā)生過(guò)冷凝液聚積引起的失準(zhǔn)。該型流量計(jì)符合ISO 5167.2—2003及GB/T 2624—2006，節(jié)流件經(jīng)幾何檢驗(yàn)法檢驗(yàn)合格，無(wú)需實(shí)流標(biāo)定，在10∶1量程比范圍內(nèi)，系統(tǒng)不確定度能達(dá)到1.0%。(上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司)

粘貼鋼板加固方法的主要施工步驟：施工放樣—鑿毛粘貼鋼板位置處混凝土保護(hù)層，鑿灌漿料槽道—鑿除粘貼鋼板位置處松動(dòng)混凝土—混凝土鉆孔—鋼板鉆孔—安裝鋼板，并臨時(shí)錨固—鋼板周?chē)芊狻{—待漿體開(kāi)始初凝時(shí)緊固螺桿[10]。

2 工程概況及荷載試驗(yàn)

2.1 工程概況

本文所選擇3座橋分別為回水頭橋、黑箐橋和七公里橋，均為預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支空心板橋，均處于景大線，通車(chē)時(shí)間一致，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)一致，橋梁病害主要為空心板板底出現(xiàn)縱橫向裂縫，裂縫均未超限，承載力下降。各橋采用加固方法見(jiàn)表1，原橋立面如圖1～圖3所示。

表1 各橋梁加固方法

圖1 回水頭橋原橋立面圖(單位：cm)

圖2 黑箐橋原橋立面圖(單位：cm)

空心板在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)的問(wèn)題具有普遍性，主要為鉸縫破損導(dǎo)致橋梁的整體性不足，板底出現(xiàn)縱向裂縫甚至貫通，單板承受車(chē)輪荷載導(dǎo)致跨中板底出現(xiàn)橫向裂縫等?？v向裂縫對(duì)空心板的承載力并不產(chǎn)生影響，但是對(duì)橋梁的耐久性產(chǎn)生影響，所以在加固過(guò)程中，需要對(duì)縱向裂縫進(jìn)行灌膠封閉處理，板底橫向裂縫是由于承載力不足引起，需要進(jìn)行加固處理。

2.2 理論計(jì)算及荷載試驗(yàn)

本文所依托的工程實(shí)例，加固前后所做荷載試驗(yàn)前均采用有限元軟件建立空間模型進(jìn)行計(jì)算，得出理論值，測(cè)試橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)效力，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過(guò)靜載試驗(yàn)，了解測(cè)試橋跨上部主體結(jié)構(gòu)不同加固方法加固前后在試驗(yàn)荷載情況下的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)加固后的強(qiáng)度、剛度和承載力等的變化，評(píng)價(jià)橋梁不同加固方法的加固效果[11-12]，為今后同類(lèi)橋梁加固工作提供參考。

橋梁加固前后的荷載試驗(yàn)分為2個(gè)工況加載，工況一為中載，工況二為偏載。采用重載汽車(chē)等效設(shè)計(jì)荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)和滿(mǎn)足加載要求，在結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力影響線最不利位置布載，使其試驗(yàn)荷載效率滿(mǎn)足《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)要求。

所選加固的3座橋單跨跨徑和橋?qū)捪嗖畈淮螅视糜诤奢d試驗(yàn)的試驗(yàn)車(chē)輛和布載方式一致。按照應(yīng)力等效的原則，確定試驗(yàn)荷載的大小。根據(jù)有限元空間模型計(jì)算，靜載試驗(yàn)采用4輛30 t(車(chē)重+荷重)雙后軸汽車(chē)加載。為了對(duì)比出加固前后2次荷載試驗(yàn)結(jié)果，加固前后加載車(chē)輛及加載位置一致。試驗(yàn)荷載(試驗(yàn)用車(chē))見(jiàn)圖4所示。試驗(yàn)用車(chē)的前后軸質(zhì)量分配為前軸6.0 t，雙后軸均為12.0 t。

圖4 試驗(yàn)荷載試驗(yàn)用車(chē)

各工況下加載車(chē)輛橫向布置位置如圖5和圖6所示。

圖5 工況一下加載車(chē)輛橫向布置位置(單位：m)

圖6 工況二下加載車(chē)輛橫向布置位置(單位：m)

L/2截面測(cè)試應(yīng)變測(cè)試布置點(diǎn)為每片空心板在板底粘貼一個(gè)應(yīng)變片，如圖7所示。由于加固前后對(duì)實(shí)橋荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，所以測(cè)點(diǎn)布置位置加固前后以及在有限元空間模型中保持一致。

圖7 L/2截面測(cè)試應(yīng)變測(cè)試布置點(diǎn)

3 加固前后荷載試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)荷載試驗(yàn)得出粘貼碳纖維筋加固方法、簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法和粘貼鋼板加固方法在工況一(中載)、工況二(偏載)下橋跨L/2處加固前后理論應(yīng)力、實(shí)測(cè)應(yīng)力和理論撓度、實(shí)測(cè)撓度的對(duì)比分析，見(jiàn)表2和表3所示。為了更清晰地對(duì)比加固效率，表中的應(yīng)力及撓度均采用平均值。

表2 L/2截面處加固前后平均應(yīng)力對(duì)比 MPa(變化率除外)

表3 L/2截面處加固前后平均撓度對(duì)比 mm(變化率除外)

續(xù)表3

4 加固效率對(duì)比分析

4.1 應(yīng)力對(duì)比分析

3座空心板橋加固前后平均應(yīng)力及加固效率對(duì)比分析見(jiàn)圖8所示。

(a)加固前后平均應(yīng)力對(duì)比

對(duì)比粘貼碳纖維筋加固、簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固、粘貼鋼板加固方法理論計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果可知，對(duì)空心板橋加固用簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法的板底平均應(yīng)力減小最大，應(yīng)力減小幅度為在工況一下59%，在工況二下71%；粘貼鋼板加固方法的板底平均應(yīng)力減小幅度在工況一下為49%，在工況二下為44%；粘貼碳纖維筋加固方法的加固效率較差，板底平均應(yīng)力減小幅度在工況一下為20%，在工況二下為17%。

4.2 撓度對(duì)比分析

3座空心板橋加固前后平均應(yīng)力及加固效率對(duì)比分析見(jiàn)圖9所示。

根據(jù)表3及圖9可知，3種加固方法對(duì)空心板在試驗(yàn)荷載作用下的撓度減小幅度相差不大，這是由于3種加固方法均不改變結(jié)構(gòu)在恒荷載作用下的撓度，簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法可減小荷載作用下的裂縫寬度，但粘貼鋼板加固方法及粘貼碳纖維筋加固方法在荷載下減小撓度的變化不明顯，但是3種加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)的延性均有所提高。

(a)加固前后平均撓度對(duì)比

4.3 剪力對(duì)比分析

簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法封閉連續(xù)端空心板，增大支點(diǎn)處抗剪截面。加固前平均剪應(yīng)力為2.51 MPa，加固后平均剪應(yīng)力為2.26 MPa，剪應(yīng)力減小11%，有效提升空心板的抗剪承載力。粘貼碳纖維筋加固和粘貼鋼板加固不改變空心板橋的截面面積，對(duì)空心板的抗剪承載力沒(méi)有提升效果。

3種加固方案均對(duì)梁體的受力有所改善，加固后跨中的應(yīng)力和撓度有不同程度的減小。粘貼鋼板加固和粘貼碳纖維筋加固均為在構(gòu)件受力薄弱的位置增設(shè)受拉材料，新增加的材料須在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受荷載變形之后才能發(fā)揮作用，屬于被動(dòng)加固，所以只能承受車(chē)輛等移動(dòng)荷載和后加的恒荷載所引起的構(gòu)件內(nèi)力，但對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的承載力都有所提高。簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法為主動(dòng)加固方法，由于改變?cè)Y(jié)構(gòu)的受力體系，使支點(diǎn)處產(chǎn)生負(fù)彎矩，抵消一部分跨中的正彎矩，增加構(gòu)件的抗彎能力，同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和承載力有明顯的提升，所以加固效果最好。

5 結(jié)論

(1)在本文論述分析的3種加固方法中，對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋梁的承載力提升幅度方面，簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法優(yōu)于粘貼鋼板加固方法，優(yōu)于粘貼碳纖維筋加固方法。

(2)在活荷載下，簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋的撓度降低最大，粘貼碳纖維筋加固及粘貼鋼板加固方法對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋的撓度降低幅度相似。3種加固方法對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋的延性均有所提升。

(3)3種加固方法對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋板底裂縫均有抑制作用，有效提升橋梁的耐久性。

(4)由于簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法在施工時(shí)將連續(xù)端預(yù)應(yīng)力空心板空心部分填實(shí)，增大連續(xù)端處的梁截面面積，對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋橋墩處截面的抗剪性能有一定程度的提升。

(5)橋梁加固前后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模型計(jì)算所得的理論數(shù)據(jù)存在偏差，出現(xiàn)偏差的原因有：該批橋梁均為預(yù)應(yīng)力空心板橋，所以在建立模型分析時(shí)未考慮普通鋼筋的受力，而進(jìn)行實(shí)橋荷載試驗(yàn)時(shí)，普通鋼筋實(shí)際上有參與受力；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在人為因素及環(huán)境因素帶來(lái)的誤差，可能與橋梁的真實(shí)受力狀態(tài)有些許偏差。

根據(jù)本文3種加固方法的加固效率研究，簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)加固方法的加固效率最高，對(duì)結(jié)構(gòu)延性提升最大，該方法可以應(yīng)用于提載為主要目標(biāo)的橋梁加固中；粘貼碳纖維筋和粘貼鋼板加固方法，對(duì)橋梁的承載力提高效果不大，可以主要用于以加固為目標(biāo)的空心板橋梁改造工程中。