聚氨酯粉煤灰復(fù)合材料結(jié)合鋼絲繩在T 梁橋中的加固應(yīng)用

孫躍男

（甘肅天成道橋勘察設(shè)計(jì)有限公司,甘肅 蘭州 730070）

0 引言

聚氨酯粉煤灰復(fù)合材料主要由多異氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰和必要的改性劑組成。相關(guān)試驗(yàn)表明在橋梁加固的聚氨酯粉煤灰復(fù)合材料，各項(xiàng)指標(biāo)如下：抗壓強(qiáng)度40 MPa、抗彎拉強(qiáng)度31.5 MPa；抗剪強(qiáng)度26.6 MPa、彈性模量75 100 MPa；泊松比0.27，與混凝土黏結(jié)性較好。該材料近年在橋梁加固中得以應(yīng)用，經(jīng)后期荷載試驗(yàn)驗(yàn)證，加固效果較好[1]。

當(dāng)前現(xiàn)有鋼筋混凝土舊橋中普遍存在抗彎承載力不足的問題。引發(fā)這樣問題的原因有兩方面：首先，舊橋的原設(shè)計(jì)等級(jí)較低不能滿足當(dāng)下的使用要求；其次，早期的施工方法及工藝不夠完善對(duì)成橋后的承載力存在一定影響等。

1 工程概況

某簡(jiǎn)支混凝土T梁橋位于黑龍江省伊春市S312線上，其橋垮布置為5×20 m，橋梁全長(zhǎng)105.6 m，重力式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)，橫斷面布置為0.5 m 路緣帶+7 m 行車道+0.5 m路緣帶，橋面為水泥混凝土鋪裝。該橋1983 年竣工通車，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)進(jìn)行過小中修，但近年來又出現(xiàn)不同病害，主要包括主梁腹板出現(xiàn)豎向及斜向裂縫、梁底橫向裂縫，橋墩剝蝕露骨、支座老化等病害。

2 主要加固措施

為了更好地模擬橋梁加固前后的受力情況，該次采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/FEA 模擬該橋的空間有限元結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行分析計(jì)算，如圖1~2 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及模型計(jì)算結(jié)果綜合分析，采取以下加固措施：①梁肋底面布置單層5 根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩；②梁肋及底面粘貼聚氨酯水泥復(fù)合，位置沿跨中左右各8 m；③橋墩外包混凝土；④同步頂升更換全橋支座等[2]。

圖1 Midas/FEA 計(jì)算模型（一）

圖2 Midas/FEA 計(jì)算模型（二）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及模型計(jì)算結(jié)果綜合分析，采取以下加固措施提高鋼筋混凝土T 梁的抗彎承載力、抗剪能力及并替換失效支座：

（1）梁肋底面布置單層5 根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，鋼絲繩直徑為4 mm。

預(yù)應(yīng)力鋼絲繩材料，必須滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224—2014）中的相關(guān)規(guī)定，材料應(yīng)具備高強(qiáng)度、高拉伸應(yīng)變、低松弛、抗腐蝕能力強(qiáng)的性質(zhì)。該次加固采用高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，硫、磷含量均不大于0.03%，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)安裝必須滿足《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 85—2010）[2]。

（2）梁肋及底面粘貼聚氨酯水泥復(fù)合材料，位置沿跨中左右各8 m，T 梁底部材料厚度為5 cm，側(cè)面高度為15 cm；聚氨酯水泥復(fù)合材料的施工過程：該材料一般在橋梁加固現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制作，制作前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)模板數(shù)量，計(jì)算每次制作量。質(zhì)量比按照多異氰酸酯：改性聚醚多元醇：水泥=1 ∶1 ∶2，第一步：將適量的改性聚醚多元醇、催化劑、阻燃劑等原料倒入容器中攪拌3 min；第二步：按照配合比將多異氰酸酯和水泥倒入容器中，混合充分?jǐn)嚢? min；第三步：將拌和均勻的聚氨酯水泥復(fù)合材料倒入模板內(nèi)，自然養(yǎng)生24 h。澆筑聚氨酯水泥復(fù)合材料時(shí)，嚴(yán)禁雨天施工，并且為了徹底隔絕水分，水泥要現(xiàn)場(chǎng)烘干。橋梁加固后現(xiàn)場(chǎng)如圖3~4 所示。

圖3 跨中截面撓度對(duì)比圖（mm）

（3）為提高T 梁端部的抗剪能力，在橋跨兩側(cè)端部3 m 范圍內(nèi)，粘貼8 mm 厚鋼板。

（4）橋墩外包混凝土。

（5）同步頂升更換全橋支座等。

3 加固前、后荷載試驗(yàn)分析

3.1 加載工況及荷載

該次荷載試驗(yàn)分析采用靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，橋梁第一橋跨下水流較小，障礙物少，試驗(yàn)條件較好，故選取第一跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

根據(jù)軟件計(jì)算分析，該次靜載試驗(yàn)共布置如下2 個(gè)工況：

工況1：對(duì)稱加載，加固前后的荷載效率分別為1.00和1.01；

工況2：偏載，加固前后的荷載效率分別1.02 和1.04，共需32 t 重車兩輛[3]。

以上兩種工況的效率符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的建議值0.95~1.05，說明試驗(yàn)選取的加載值滿足規(guī)范要求。

3.2 試驗(yàn)跨撓度變化分析

通過對(duì)工況2 偏載下加固前、后橋梁撓度值的理論值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)加固前后橋梁剛度變化情況?？缰薪孛娴母鳒y(cè)點(diǎn)撓度如表1、圖3 所示。

表1 跨中截面撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比表

由表1、圖3 表明，橋梁加固前實(shí)測(cè)撓度值部分大于理論值，最大校驗(yàn)系數(shù)1.06，無(wú)安全儲(chǔ)備；加固后實(shí)測(cè)撓度值平均下降26.6%，理論值平均下降38.1%，并且檢驗(yàn)系數(shù)均小于1，試驗(yàn)表明加固后該橋梁的縱向剛度得到提高并滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

3.3 試驗(yàn)跨應(yīng)變變化分析

通過對(duì)工況2 偏載下加固前、后橋梁應(yīng)變理論值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，了解橋梁應(yīng)力變化，結(jié)構(gòu)受力等情況?？缰薪孛娴母鳒y(cè)點(diǎn)應(yīng)變?nèi)绫?、圖4 所示。

表2 跨中截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比表

圖4 工況2 跨中截面應(yīng)變對(duì)比圖（με）

由表2、圖4所示，該橋加固前校驗(yàn)系數(shù)大部分大于1，說明跨中截面的受拉區(qū)混凝土已經(jīng)遠(yuǎn)離正常工作狀態(tài)。該橋加固后應(yīng)變理論值最大下降16.1%，應(yīng)變實(shí)測(cè)值最大下降31.6%，其測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值均小于理論值，校驗(yàn)系數(shù)最大為0.89，符合規(guī)范要求且安全儲(chǔ)備較好。以上表明聚氨酯水泥復(fù)合結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固起到提高橋梁強(qiáng)度的效果，完成了預(yù)期的目標(biāo)。

3.4 結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定對(duì)比分析

該文通過有限元軟件模擬舊橋現(xiàn)狀截面抗力和加固后截面抗力，并進(jìn)行極限狀態(tài)驗(yàn)算對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如表3~4 所示。

表3 主梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算對(duì)比表

橋梁加固前后均按公路－Ⅱ級(jí)驗(yàn)算，由表3 可知，該橋加固前后荷載等級(jí)安全系數(shù)最大為1 990.3/2 134.0=0.89，已無(wú)安全儲(chǔ)備。該橋處于重要公路段，結(jié)構(gòu)已安全不能滿足使用要求；加固后安全系數(shù)最小為2 712.2/2 134.0=1.27，滿足加固設(shè)計(jì)要求，且有足夠的安全儲(chǔ)備[5]。

由表4 可知，該橋加固前L/2、3L/8、5L/8 斷面裂縫寬度分別為0.23 mm、0.21 mm、0.21 mm，

表4 主梁正常使用極限狀態(tài)裂縫驗(yàn)算對(duì)比表

均超過規(guī)范要求限值，不滿足要求；加固后裂縫寬度小于規(guī)范要求限值，滿足要求。且使用階段裂縫平均下降37%，表明采用聚氨酯水泥復(fù)合結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絲繩對(duì)橋梁進(jìn)行加固，能有效地限制裂縫出現(xiàn)。

4 結(jié)論

該文通過實(shí)際橋梁維修加固工程為背景，首先通過有限元軟件進(jìn)行理論計(jì)算，再通過加固后橋梁的荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證加固效果，得到以下結(jié)論：

（1）橋梁加固前，通過靜力荷載試驗(yàn)得出實(shí)測(cè)撓度值、實(shí)測(cè)應(yīng)變值部分大于理論值，說明現(xiàn)橋梁已不能滿足原公路－Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。

（2）橋梁加固后，通過靜力荷載試驗(yàn)得出實(shí)測(cè)撓度值、實(shí)測(cè)應(yīng)變值均小于理論值，滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足加固設(shè)計(jì)要求。

（3）聚氨酯水泥復(fù)合結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絲繩與原結(jié)構(gòu)形成整體，共同承受荷載，加固效果明顯，滿足汽車荷載等級(jí)公路－Ⅱ級(jí)，符合加固設(shè)計(jì)要求，保證了橋梁的正常運(yùn)營(yíng)。

（4）橋梁加固實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與模型中預(yù)期的理論值存在差異，分析原因：一方面，有限元計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果和橋梁真實(shí)狀態(tài)存在差異，如對(duì)舊橋承載能力折減，其中需要對(duì)混凝土和鋼筋進(jìn)行折減，規(guī)范中給出的系數(shù)與實(shí)際情況不可能完全相符；另一方面，在加固過程中人為因素、環(huán)境因素都會(huì)影響加固的實(shí)際效果。