粘貼鋼板加固技術中鋼板厚度對橋梁加固效果的影響

張躍峰

（滄州市高速公路建設管理局，河北 滄州 061000）

0 引言

近年來，預應力混凝土橋梁因其受力特性良好、行車舒適等優點，在實際工程中得到了廣泛的應用。同時，由于設計、施工以及運營環境等方面因素影響，預應力混凝土橋梁在使用過程中出現了不同種類與程度的病害，諸如裂縫、保護層剝落、結構混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞等。這些病害不僅破壞了橋梁的美觀，而且對橋梁結構的承載安全性和使用耐久性造成了不同程度的影響。

因此，為遏制橋梁已有病害的發展，提高原有橋梁的承載能力，對存在病害的橋梁進行加固處治十分必要。目前，橋梁的加固技術主要有：粘貼鋼板、粘貼碳纖維（布）、施加體外預應力、增大梁截面等。其中，粘貼鋼板加固技術因其施工工期短、工藝簡單、施工方便、加固效果顯著等優點，在混凝土橋梁加固中得到了廣泛應用。

目前，國內一些學者對粘貼鋼板加固技術的受力機理以及受力特性進行了大量研究。在黃勤、朱茂法等人對粘鋼加固鋼筋混凝土梁的受力機理研究中，通過對四根粘鋼加固鋼筋混凝土梁的單調加載靜力試驗，測得了粘鋼加固梁的縱向受力鋼筋、粘鋼側板及受壓區混凝土的應變與梁的撓度[1]；王天穩在不同卸載狀態下對混凝土粘鋼加固梁的正截面承載力計算進行了研究，認為對于完全卸荷后粘鋼加固梁，可按一般混凝土梁近似計算。不同卸荷粘鋼加固梁的截面抗彎剛度應分為粘鋼前、粘鋼后兩部分，其撓度為兩部分之和[2]；蔡光汀等人對粘鋼補強用結構膠的耐久性進行了研究，認為長期在潮濕環境，尤其是水中的鋼筋混凝土構件不宜使用結構膠進行外部粘鋼法加固補強[3]。但是，對于粘鋼加固技術中鋼板厚度對加固效果影響的研究還比較少。因而，研究鋼板厚度對粘貼鋼板加固技術效果的影響，對指導類似橋梁后續加固具有十分重要的意義。

本文以河北省交通運輸廳科研課題《預應力混凝土連續梁橋耐久性病害診斷和加固關鍵技術研究》為依托，以子牙新河特大橋為工程實例，對鋼板厚度對橋梁加固效果的影響進行了研究。

1 試驗方法

1.1 工程概況

子牙新河特大橋是京滬高速公路青縣至吳橋段上的一座重要構筑物，于2000年12月11日建成通車，橋梁全長2868.98m。主橋上部結構為31m+38m+31m三跨預應力混凝土連續梁，下部邊墩采用獨柱圓端形板式橋墩，懸臂蓋梁。基礎采用直徑為1.2m的鉆孔灌注樁。引橋上部為30m先簡支后連續預應力混凝土小箱梁，分七孔一聯和十三孔一聯兩種形式，橋墩采用單幅獨柱圓端形板式墩，懸臂蓋梁，基礎采用直徑為1.2m的鉆孔灌注樁。

引橋單幅橋面由四片預制小箱梁組成，梁高1.5m，中梁寬2.4m，邊梁寬3.3m，中梁與邊梁采用后澆濕接縫連接，其橫斷面見圖1。

圖1 小箱梁橫截面布置（單位：cm）

1.2 試驗方法

因為在現實橋梁加固工程中，研究不同厚度的粘貼鋼板對橋梁加固效果影響的實際可操作性較低，所以為了模擬不同厚度的鋼板對橋梁加固技術的影響，擬采用橋梁計算軟件Midas對其進行模擬計算。

由于該橋梁結構對稱，故只進行1/2模型計算分析。采用Midas FEA中Newton-Raphson方法進行非線性迭代計算分析，分析中所采用的荷載為荷載系數乘以初始荷載750kN的結果值。

其他計算技術指標見表1～表3。

表1 混凝土計算參數

表2 鋼筋計算參數

表3 鋼板計算參數

箱梁底部鋼板粘貼位置如圖2所示。

圖2 箱梁底板粘貼鋼板斷面圖（單位：cm）

2 試驗結果

按照試驗方法，對混凝土、鋼筋、鋼板相關系數進行設定后，使用Midas軟件對厚度分別為4mm、6mm、8mm、10mm的鋼板加固后的荷載位移進行了模擬計算，得到了相應的試驗結果。模擬過程如圖3、圖4所示。

對底板分別粘貼4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板后的承載力進行了分析，結果如表4所示。

圖3 橋梁1/2模型圖

圖4 底板鋼板模擬圖

表4 不同厚度鋼板承載力模擬分析結果

由表4中數據橫向對比底板粘貼不同厚度鋼板后的跨中豎向位移可知，在荷載步小于0.20時，4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板的跨中位移差別不大，但是當荷載步大于0.20后，可以看出厚度為10mm的鋼板其跨中位移要明顯小于厚度為4mm的鋼板，這說明粘貼10mm厚度的鋼板后橋梁的剛度要大于粘貼4mm厚度鋼板后橋梁的剛度。并且隨著鋼板厚度的增加，主梁的剛度逐漸加強。

對未加固的橋梁及粘貼了4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板后的橋梁的極限承載力進行對比，結果如表5所示。

表5 極限承載力結果對比

由表5可知，未加固的橋梁以及粘貼了4mm、6mm、8mm、10mm厚度鋼板的橋梁，其極限承載力分別為：892.1kN·m、1029.3kN·m、1097.9kN·m、1166.5kN·m、1235.2kN·m。粘貼了4mm、6mm、8mm以及10mm厚度鋼板的橋梁與比未經加固的橋梁相比，主梁承載力分別提高了15.4%、23.1%、30.8%、38.5%。從使用性能方面來看，粘貼鋼板加固后，主梁的極限承載力得到明顯提高，并且主梁的極限承載能力隨著鋼板厚度的增加而逐漸增大。

對表5中的數據進行擬合，得到鋼板厚度與主梁極限承載力的相關關系，如圖5所示。

圖5 鋼板厚度與主梁極限承載力相關關系

由圖5可以看出，鋼板厚度與主梁極限承載能力之間存在良好的相關關系，成線性相關。某種程度上，粘貼鋼板厚度的增加可以提高主梁的極限承載能力。

3 試驗結論

通過Midas軟件對主梁粘貼不同厚度鋼板的數值計算與其剛度、極限承載力結果的分析，得到以下結論：

（1）主梁在粘貼鋼板后，剛度明顯提高，并且隨著鋼板厚度的增加，主梁的整體剛度逐漸增強；

（2）主梁在粘貼鋼板后，極限承載力明顯提高，10mm厚的鋼板能使主梁的極限承載力提高約30%。并且鋼板厚度與主梁的極限承載能力線性相關，相關關系式為y=34.30x+892.0。

[1]黃勤，朱茂法，張建榮，等.粘鋼加固鋼筋混凝土梁的受力機理[J].結構工程師，1996（4）：24-29.

[2]王天穩.混凝土梁在不同卸載時粘鋼加固正截面承載力計算[J].建筑技術，1995（23）：390-392.

[3]蔡光汀，陳君球，鄒越，等.混凝土粘鋼補強用結構膠的耐久性研究[J].混凝土，2000（8）：37-40.