粘鋼加固法的計(jì)算

袁金容　王俊坪

摘要 文章主要研究粘鋼加固法應(yīng)用于T梁加固時(shí)的計(jì)算。針對(duì)一座既有橋梁的加固設(shè)計(jì)，采用橋梁博士和Midas進(jìn)行輔助計(jì)算，詳細(xì)闡述了粘鋼加固法的計(jì)算過程，并分別計(jì)算出結(jié)構(gòu)加固前后的承載能力，通過對(duì)加固前后承載力的對(duì)比分析可知，采用粘鋼加固法提高抗彎承載能力時(shí)，抗彎承載能力的提高幅度受截面尺寸影響較大。

關(guān)鍵詞 T梁;粘鋼加固法;橋梁博士;Midas

中圖分類號(hào) TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0184-03

引言

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、節(jié)省材料、架設(shè)安裝方便、跨越能力較大的特點(diǎn)，在我國(guó)公路上修建最多。20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)修建了一批無馬蹄的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋。隨著公路技術(shù)等級(jí)的不斷提高，無馬蹄預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋大多不能滿足現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件受限，橋梁施工質(zhì)量普遍存在一定的缺陷。為滿足現(xiàn)在的通行要求，一般選擇拆除重建或原橋加固利用。考慮到拆除重建造價(jià)較高，資金受限時(shí)，大多選擇原橋加固利用。

1 工程概況

該橋位于西藏自治區(qū)某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，橋梁上部結(jié)構(gòu)為4×20 m簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁，橋?qū)?.0 m。

T梁梁高150 cm，翼緣厚15 cm，腹板厚15 cm，每片梁設(shè)2道端橫隔梁和3道中橫隔梁，橫隔梁厚18 cm，中梁寬160 cm，邊梁寬189 cm。橋梁橫橋向布置4片T梁，T梁中距220 cm，梁間設(shè)60 cm的現(xiàn)澆濕接縫。該橋T梁腹板等厚無變寬（如圖1）。經(jīng)檢測(cè)，該橋?qū)儆谒念悩蛄?，承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，考慮到拆除重建造價(jià)較高，資金受限，該橋進(jìn)行加固利用。

2 加固方法的選用

橋梁常用的加固方法有增大截面法、粘貼鋼板加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法等?？紤]到該橋的結(jié)構(gòu)形式以及受力特點(diǎn)，初步確定在增大截面法和粘貼鋼板法中進(jìn)行方案比選。

2.1 增大截面法

增大截面法主要加固思路是在原有構(gòu)件表面外包鋼筋混凝土，從而增加結(jié)構(gòu)的截面積，在增加截面的各項(xiàng)受力性能的同時(shí)，可在新增截面中根據(jù)受力需要，配置必要的受力鋼筋，提高截面的承載力，是一種十分有效的加固方式。此方法的主要特點(diǎn)如下：

（1）結(jié)構(gòu)受力明確，加固計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)承載力、剛度提高明顯。

（2）施工技術(shù)成熟，施工工藝較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多，周期長(zhǎng)，對(duì)生活和環(huán)境有影響。

（3）增大截面法存在二次受力的情況，外包混凝土對(duì)原有結(jié)構(gòu)來說是外荷載，對(duì)于既有結(jié)構(gòu)有一定影響。

（4）增大截面法會(huì)增大結(jié)構(gòu)的自重，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的重力效應(yīng)，且應(yīng)力滯后的存在導(dǎo)致新加部分的承載力折減，降低結(jié)構(gòu)耐久性。

（5）對(duì)橋上交通干擾較大。

2.2 粘貼鋼板法

粘貼鋼板加固法亦稱粘鋼加固法，其主要加固思路是采用環(huán)氧樹脂系列類膠粘劑將鋼板粘貼于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉區(qū)或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成共同受力的整體，以提高其抗彎、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)，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而提高橋梁的承載能力與耐久性[1]。粘鋼加固法是我國(guó)常用的橋梁加固方法之一，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，通常適用于鋼筋混凝土橋梁的加固。此方法主要特點(diǎn)如下：

（1）粘貼鋼板法僅需將混凝土表面碳化部分鑿除后粘貼鋼板，而粘貼的鋼板一般尺寸小、重量輕，對(duì)原有結(jié)構(gòu)影響較小。

（2）粘貼鋼板法相對(duì)于增加截面法，所需施工空間較小，施工周期短，對(duì)橋上交通影響較小。

（3）由于截面尺寸的限制，粘貼鋼板法對(duì)結(jié)構(gòu)承載力提高幅度有限。

2.3 方案比選

針對(duì)該橋的特點(diǎn)，由于受標(biāo)高的限制，在橋面加固方案基本不可行，只能在橋下采取加固措施。

增大截面法需要在梁底外包混凝土，由于混凝土受拉性能差，只有在混凝土內(nèi)增加的鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有較大的貢獻(xiàn)，混凝土反而增加了自重，同時(shí)，在主梁底緣澆筑混凝土，混凝土振搗困難，澆筑質(zhì)量難以保證，且需要中斷橋上交通。而粘貼鋼板法直接將受拉性能好的鋼板與梁底受拉區(qū)黏結(jié)，可以提高結(jié)構(gòu)的承載力，同時(shí)，粘貼鋼板所需操作空間小，施工簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量較易保證。

綜合對(duì)比兩種加固方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合該項(xiàng)目地域特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性，選取粘貼鋼板法作為該橋加固的推薦方案。

3 加固驗(yàn)算

邊梁及中梁的構(gòu)造尺寸基本相同，故認(rèn)為每片T梁的截面特性相同，將現(xiàn)澆濕接縫作為截面的翼緣參與計(jì)算，采用截面特性計(jì)算軟件，獲得結(jié)構(gòu)的截面特性如表1。

結(jié)構(gòu)主要考慮荷載如下：

（1）恒載：1）結(jié)構(gòu)自重：考慮鋼筋混凝土容重為26 kN/m3。2）橫隔板重量：橫隔板重量作為集中荷載考慮，其大小為10.8 kN。3）橋面鋪裝：考慮后期維護(hù)，橋面鋪裝可能存在加厚的情況，橋面行車道鋪裝厚度取為20 cm，容重取為25 kN/m3。4）人行道恒載：人行道恒載主要有人行道蓋板、護(hù)欄立柱及鋼管，換算為單側(cè)面荷載為5.28 kN/m2。

（2）活載。1）車道荷載：車道荷載根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011），取為城—B級(jí)（考慮車道折減）。該橋加固后采取限高限載措施限制大型貨車通行，主要用于小型車輛通行，根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.0.3條規(guī)定，小城市中的支路上如重型車輛較少時(shí)，設(shè)計(jì)汽車荷載采用城—B級(jí)車道荷載的效應(yīng)乘以0.8的折減系數(shù)，車輛荷載效應(yīng)乘以0.7的折減系數(shù)。2）人群荷載：人群荷載根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011），取為5.0 kN/m2。按照偏心壓力法（跨中段）以及杠桿法（支點(diǎn)段）[2]計(jì)算每片T梁的橫向分布系數(shù)，利用橋梁博士的橫向分布系數(shù)模塊計(jì)算得結(jié)構(gòu)每片T梁的橫向分布系數(shù)如表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，邊梁為最不利主梁，因此利用 Midas Civil建立邊梁計(jì)算模型，對(duì)邊梁的荷載效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)T梁配筋圖，所有縱向筋布置在跨中1/2梁長(zhǎng)區(qū)段，在距離支座1/4梁長(zhǎng)位置（第一塊橫隔板位置）縱向主筋開始彎起，考慮結(jié)構(gòu)配筋特點(diǎn)，抗彎計(jì)算選取以下截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算（如圖2）。

對(duì)于抗剪承載力的計(jì)算，由于上部T梁腹板在全跨等厚，箍筋等間距布置，彎起鋼筋分布范圍較大，故抗剪計(jì)算僅考慮支座附近的斜截面。

結(jié)構(gòu)荷載主要考慮上述的恒載和活載，其中自重由程序自動(dòng)考慮，人行道恒載和橋面鋪裝恒載（統(tǒng)一記為二期恒載）按照梁?jiǎn)卧奢d計(jì)入，活載則采用影響線加載的方式進(jìn)行施加（其中車輛荷載考慮沖擊系數(shù)由程序根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻自動(dòng)計(jì)入），通過建模計(jì)算，結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)如表3～4。

3.1 抗彎驗(yàn)算

3.1.1 原結(jié)構(gòu)抗彎驗(yàn)算

原結(jié)構(gòu)配筋情況：翼板寬度為bf =2 200 mm，翼板厚度為hf =150 mm，腹板寬度b=180 mm，縱向受拉主筋配置為：HRB335，直徑32 mm，as=200 mm，fsd =280 MPa，h0=1 500?160=1 340 mm，fcd =18.4 MPa。

利用 Midas Civil對(duì)原有結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算并考慮0.8的折減系數(shù)后，結(jié)果如表5。

3.1.2 結(jié)構(gòu)抗彎加固驗(yàn)算

加固措施：原截面抗彎承載力不足，現(xiàn)采用粘貼鋼板法對(duì)截面進(jìn)行加固處理，鋼板采用Q345C級(jí)鋼，鋼板厚度采用6 mm，寬度與腹板等寬為180 mm。

混凝土彈性模量Ec=3.25×104 MPa，鋼筋的彈性模量Es=2.0×105 MPa，二者彈性模量比值為：。假設(shè)，則：

2 013.3

113 676 0

264.9 mm>150 mm

滿足假設(shè)條件，即加固前構(gòu)件開裂截面換算截面的混凝土受壓區(qū)高度為264.9 mm。

開裂截面的慣性矩為：

=8.13×1010 mm4

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22—2008）6.2.2條規(guī)定：

先假定受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，鋼板能夠達(dá)到屈服，用鋼板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值代替上式中的，可得截面受壓區(qū)高度為：

=74.9 mm

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22—2008）6.2.3條：

，

代入可求得鋼板應(yīng)力：

=0.015×2.06×1011=3 090 MPa>345 MPa

故在受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變之前，鋼板已經(jīng)屈服，截面受壓區(qū)高度x為74.9 mm。

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22—2008）6.2.2條：

=4001.7 kN·m>1.1×3 371.2 kN·m=3 708.3 kN·m

以上計(jì)算表明，經(jīng)加固后，上部結(jié)構(gòu)的抗彎承載力能夠滿足折減后的車道荷載的要求。

3.2 抗剪驗(yàn)算

3.2.1 原結(jié)構(gòu)抗剪驗(yàn)算

利用Midas Civil對(duì)原有結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行計(jì)算并考慮0.8的折減系數(shù)得到支座附近截面剪承設(shè)計(jì)值為692.1 kN。

根據(jù)截面配筋，在靠近支座位置，梁底主筋為2排直徑32 mm的HRB335鋼筋，該截面有效高度h01=

1 420 mm。

受剪截面尺寸驗(yàn)算：

824.4 kN>692.1×1.1=762.3 kN

根據(jù)《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》斜截面承載力驗(yàn)算：

（1）箍筋及混凝土部分：

=469.2 kN

（2）彎起鋼筋部分：

59.7 kN

截面抗剪承載力為：

469.2+59.7=528.9 kN<763.2 kN

結(jié)果表明，原有結(jié)構(gòu)抗剪承載力不滿足規(guī)范要求。

3.2.2 結(jié)構(gòu)抗剪加固驗(yàn)算

加固措施：在梁端與第一道橫隔梁之間設(shè)置斜向鋼板。根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T J22—2008）5.2.8條，加固后截面抗剪承載力按照下式計(jì)算：

=790.9 kN>763.2 kN

由以上計(jì)算可知，經(jīng)加固后，上部結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力滿足折減后的車道荷載的要求。

4 結(jié)語

該文通過一座現(xiàn)存橋梁的加固計(jì)算，介紹了粘貼鋼板加固法的使用條件及計(jì)算流程，為類似加固項(xiàng)目提供參考。在使用粘貼鋼板加固方法時(shí)，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

（1）粘貼鋼板法雖然施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力提高幅度有限。

（2）對(duì)于T梁橋，由于馬蹄處截面尺寸較小，采用粘貼鋼板加固方法對(duì)于抗彎承載能力的提高幅度有限，若加固需要提高的承載力幅度較大，粘貼鋼板無法從根本上解決承載力問題，此時(shí)，建議考慮增大截面或者拆除重建。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-04-09

作者簡(jiǎn)介：袁金容（1989—），女，本科，工程師，研究方向：橋隧設(shè)計(jì)。