先張預(yù)應(yīng)力混凝土開(kāi)裂板梁加固試驗(yàn)研究

□文 /馬愛(ài)靜

先張預(yù)應(yīng)力混凝土開(kāi)裂板梁加固試驗(yàn)研究

□文 /馬愛(ài)靜

混凝土空心板梁橋是目前我國(guó)普通公路和高速公路采用最多的一種橋型。由于設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)等方面的原因，預(yù)應(yīng)力空心板梁橋的開(kāi)裂問(wèn)題在我國(guó)高速公路橋梁中普遍存在，病害橋梁加固技術(shù)的研究尤為迫切。碳纖維板、鋼板加固法是我國(guó)常用的橋梁加固方法。文章以潮白河大橋14m先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁為例，從加固原理、施工方法難易程度、加固效果等方面對(duì)兩種加固方法進(jìn)行了綜合研究。

加固；先張預(yù)應(yīng)力；混凝土；開(kāi)裂；板梁

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公路橋梁建設(shè)規(guī)模和速度迅猛發(fā)展。混凝土空心板梁橋由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確且具有高度小、自重輕、纖細(xì)美觀等特點(diǎn)在公路橋梁得到非常廣泛的應(yīng)用。

然而混凝土空心板梁橋由于初期設(shè)計(jì)不周、施工質(zhì)量不高以及后期材料退化、養(yǎng)護(hù)不利、超載等原因，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了不少影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的病害，影響橋梁使用功能，亟待維修加固。

1 常用橋梁加固方法

鋼板、碳纖維板加固法由于技術(shù)先進(jìn)、施工周期短、工藝簡(jiǎn)便等原因，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 鋼板加固法

粘貼鋼板加固法就是在混凝土構(gòu)件表面用特制的結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，以提高構(gòu)件承載能力及耐久性等功能的一種結(jié)構(gòu)加固方法。

采用錨栓及粘貼劑，將鋼板錨固并粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)邊緣或薄弱部位，使鋼板與橋梁結(jié)構(gòu)成為整體，形成一個(gè)由混凝土、粘結(jié)劑及鋼板組成的復(fù)合系統(tǒng)以共同受力，達(dá)到提高橋梁承載力的目的。

這種加固方法具有不需要破壞被加固的原結(jié)構(gòu)的尺寸、施工工藝簡(jiǎn)單、施工質(zhì)量較容易控制、施工工期短等特點(diǎn)。

1.2 碳纖維板加固法

碳纖維板是將碳纖維浸漬樹(shù)脂后在模具內(nèi)固化并連續(xù)拉擠成型，厚度為1～1.6mm，寬度為50～100mm，長(zhǎng)度不限。碳纖維板抗拉強(qiáng)度為2800N/mm2，彈性模量為165000N/mm2，與鋼材相比，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程中具有極高的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

碳纖維板加固法是用粘結(jié)劑把碳纖維板粘貼在混凝土構(gòu)件受力部位，和基體疊合為一體，從而達(dá)到加固目的的一種施工方法。該方法通常用在混凝土橋面板、橋墩、梁、柱、煙囪以及隧道襯砌等構(gòu)件的抗彎補(bǔ)強(qiáng)、抗剪補(bǔ)強(qiáng)以及防止混凝土開(kāi)裂、剝落等工程中。與鋼板加固法和增厚加固法相比，碳纖維板加固法具有強(qiáng)度高、重量輕、易于施工、耐久性好等優(yōu)良特性，可用于條件嚴(yán)酷、場(chǎng)地狹窄混凝土結(jié)構(gòu)的維修、加固工程中。

2 工程實(shí)例

潮白河大橋天津至寶坻方向（下行）橋梁，其上部結(jié)構(gòu)為14m先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，梁高65cm。通過(guò)定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些橋梁存在不同程度的梁端開(kāi)裂現(xiàn)象。分別用碳纖維板、鋼板對(duì)開(kāi)裂板梁進(jìn)行加固，通過(guò)加載試驗(yàn)對(duì)加固梁體與未加固梁體的受力性能進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)梁

選擇3片開(kāi)裂的先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁為研究對(duì)象。3片試驗(yàn)梁底面一端均具有通長(zhǎng)橫向裂縫，開(kāi)裂位置距梁端1.1～1.5m，底板裂縫寬度分別為0.20、0.22、0.22mm，腹板裂縫寬度分別為 0.1、0.09、0.12 mm；而另外一端完好無(wú)病害且該梁體無(wú)縱向裂縫等其他病害。

將3片板梁進(jìn)行編號(hào)，分別編為1#梁、2#梁、3#梁。梁體未開(kāi)裂一端記為A端，已開(kāi)裂的一端記為B端，見(jiàn)圖1。

圖1 梁體裂縫位置

2.2 板梁加固

根據(jù)JTG/TJ22—2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》及試驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)2#板梁進(jìn)行碳纖維板加固，對(duì)3#板梁進(jìn)行鋼板加固。具體加固尺寸及位置見(jiàn)圖2。

圖2 板梁加固

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

以梁端支點(diǎn)截面為控制截面，以腹板裂縫寬度、梁體撓度為研究對(duì)象,對(duì)板梁進(jìn)行加載試驗(yàn)。加載采用尺寸為1.3m×0.6m×0.3m的鋼砝碼塊（單塊重 19.6kN），逐級(jí)加載，直至梁體破壞。

試驗(yàn)過(guò)程中觀察梁體原有裂縫的變化情況和有無(wú)新增裂縫產(chǎn)生。記錄裂縫寬度、長(zhǎng)度等情況。同時(shí)每級(jí)加載后對(duì)梁體撓度進(jìn)行測(cè)試記錄，當(dāng)出現(xiàn)受壓區(qū)頂面混凝土壓碎、預(yù)應(yīng)力鋼筋拔出、裂縫寬度變化等狀況時(shí)，應(yīng)停止加載。分級(jí)加載情況見(jiàn)圖3。

圖3 分級(jí)加載

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1裂縫試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）原有裂縫。1#梁在支點(diǎn)剪力值為0～198.02kN時(shí)，原有裂縫寬度大體呈線性變化，當(dāng)支點(diǎn)剪力值達(dá)到214.62kN時(shí)，裂縫寬度急劇變化，當(dāng)達(dá)到306.48kN時(shí)，腹板裂縫寬度為2.10mm且加載過(guò)程中有新增裂縫產(chǎn)生。

2#梁原有裂縫寬度及長(zhǎng)度隨著荷載的增加不斷增加，當(dāng)支點(diǎn)剪力值為361.71kN時(shí)，碳纖維板粘結(jié)處發(fā)出響聲，開(kāi)始失效。當(dāng)支點(diǎn)剪力值達(dá)到388.03kN時(shí)，碳纖維板梁端錨固區(qū)剝離破壞，裂縫寬度發(fā)生急劇變化。

隨著荷載的增加，3#梁原有裂縫寬度及長(zhǎng)度不斷增加，當(dāng)支點(diǎn)剪力值為412.64kN時(shí)，裂縫寬度發(fā)生急劇變化。當(dāng)達(dá)到499.35kN，裂縫寬度為1.8mm。此時(shí)鋼板未破壞。見(jiàn)圖4。

圖4 原有裂縫變化曲線

2）最大裂縫。加載結(jié)束后，板梁均在距加載端1.5 m左右位置產(chǎn)生最大裂縫，2#板梁最大裂縫寬度為5.0 mm，3#板梁最大裂縫寬度為2.2mm。加載過(guò)程中最大裂縫的變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 最大裂縫變化曲線

（1）隨著荷載的增加，1#梁在支點(diǎn)剪力值為214.62 kN后，裂縫寬度發(fā)生急劇變化，而2#梁、3#梁分別在支點(diǎn)剪力值為388.03kN、412.64kN后，裂縫寬度發(fā)生急劇變化；

（2）碳纖維板失效前，2#梁腹板原有裂縫最大寬度為0.70mm，較初始值變化了0.61mm，3#梁腹板原有裂縫最大寬度為1.1mm，較初始值變化了0.98mm。可見(jiàn)，碳纖維板加固對(duì)梁體裂縫具有更好地抑制作用。

（3）當(dāng)支點(diǎn)剪力值為388.03kN時(shí)，碳纖維板發(fā)生剝離破壞，裂縫發(fā)展迅速。加載結(jié)束后，2#梁腹板原有裂縫寬度為2.0mm，較初始值變化了1.91mm，腹板最大裂縫寬度為5.0mm。3#梁腹板原有裂縫寬度為1.80 mm，較初始值變化了1.68mm，加載結(jié)束后，腹板最大裂縫寬度為2.2mm。可見(jiàn)，碳纖維板失效后，對(duì)梁體裂縫無(wú)抑制作用。

（4）通過(guò)本試驗(yàn)可以看出，碳纖維板加固板梁發(fā)生板端剝離破壞，而鋼板加固梁由于錨固原因，鋼板沒(méi)有發(fā)生破壞，但加載結(jié)束后部分錨栓拔出。

2.4.2撓度試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)試驗(yàn)梁的L/4、L/2、3L/4跨截面撓度進(jìn)行觀測(cè)，加載初期，隨著加載值的增加，撓度不斷增大，當(dāng)加載到一定值時(shí)，撓度發(fā)生急劇變化并超出理論值。

加載結(jié)束后，試驗(yàn)梁的支點(diǎn)、L/4、L/2、3L/4跨撓度實(shí)測(cè)值與理論值的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比曲線

1）碳纖維板失效前，碳纖維板加固較鋼板加固對(duì)撓度具有較好地抑制作用。碳纖維板失效后，撓度發(fā)展迅速。

2）加固板梁受力性能優(yōu)于未加固板梁。未加固板在支點(diǎn)剪力值達(dá)到246.1kN時(shí)撓度發(fā)生急劇變化，而碳纖維板、鋼板加固梁體分別在支點(diǎn)剪力值為388.03、361.71kN時(shí)撓度發(fā)生急劇變化。

3 結(jié)論

1）碳纖維板、鋼板對(duì)開(kāi)裂梁體的裂縫、撓度發(fā)展具有很好地抑制作用，隨著荷載的增加，未加固梁體在較低荷載作用下，裂縫、撓度發(fā)生急劇變化，而加固梁體裂縫、撓度在較高荷載作用下發(fā)生急劇變化。

2）由于環(huán)境溫度、粘結(jié)劑質(zhì)量、施工質(zhì)量等原因，碳纖維板錨固效果不易控制；當(dāng)碳纖維板梁端錨固區(qū)剝離破壞，對(duì)梁體裂縫無(wú)抑制作用，裂縫發(fā)展迅速；此時(shí)鋼板未破壞。

3）在碳纖維板有效作用下，碳纖維板加固梁裂縫發(fā)展較慢。

[1]何佩軍.橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)[D].天津：天津大學(xué)，2004.

U445.7+2

C

1008-3197（2014）02-52-02

10.3969/j.issn.1008-3197.2014.02.021

2013-12-25

馬愛(ài)靜/女，1988年出生；碩士，天津市市政工程研究院，從事道路橋梁材料試驗(yàn)檢測(cè)工作。