基于荷載試驗的空心板橋加固效率分析

張薇 李睿 李定美

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

0 引言

近年來，空心板橋加固方法層出不窮。空心板橋常用加固方法有增大截面法、橋面補強層加固法、粘貼鋼板法、增設體外預應力筋加固法、粘貼碳纖維材料加固法、改變結構受力體系等，這些方法在過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踐中只針對單一一種加固方法的加固效率進行闡述，并未對兩種或多種加固方法的加固效果進行對比。本文基于云南省玉溪市3座預應力空心板橋加固前后理論分析及荷載試驗數據，對比粘貼碳纖維筋、簡支轉連續和粘貼鋼板3種加固方法的加固效率及經濟效益研究。為今后不同加固目標的橋梁提供加固方案參考，同時經過工程經驗的積累，為今后空心板橋同類病害加固提供標準化加固方案，通過標準化加固方案的實施，可以有效推動我國橋梁養護加固市場的規范化，延長養護周期、節約工程造價、提高加固質量[5]。

1 空心板橋的加固方法

目前空心板橋加固方法有很多，對于結構補強型加固主要分為主動加固和被動加固。其中主動加固有體外預應力加固法、體內預應力加固法、簡支轉連續加固法等，被動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。本文主要對比粘貼碳纖維筋加固、簡支轉連續加固、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于其他材料的抗拉性能，粘貼于結構受彎部位，使碳纖維材料與結構共同受力達到加固目的,實質是體外配筋。采用植筋膠錨固方式將結構連接并噴涂高聚合物砂漿，用高強碳纖維筋作為受力配筋，提高原構件的配筋量與橋梁的整體性，從而提高結構構件的剛度和承載力。該方法的優點是：①碳纖維筋自重輕，對整體的結構重量影響小；②采用錨固和開槽方式施工、施工簡便、無需支模板；③施工方法簡單，工期短，不需要大型設備，不受空間限制；④粘結力強，與原結構易形成一體；⑤與混凝土性能一致，抗凍融性、耐久性、耐化學腐蝕性良好，對空心板橋梁的耐久性也起到很好的作用；⑥對交通的影響較小，施工后可快速恢復通車[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之間板底布設縱向長度10 m，橫橋向間距9 cm的φ6碳纖維筋，并噴射2 cm厚高強聚合物砂漿。

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

1.2 簡支轉連續加固法

簡支轉連續是多跨簡支梁(板)橋加固的一種選擇[6]。簡支轉連續加固舊橋與其他加固方式不同的一點在于，該加固方法改變了結構體系受力方式，使橋梁在恒載的作用下發生內力重分布。顯著改善橋梁整體的承載能力、結構剛度和動力特性。其中簡支轉連續根據連續處處理方式不同分為普通鋼筋連續、預應力鋼束連續、局部預應力鋼束連續等；依據所使用的混凝土材料不同可分為普通混凝土連續和自應力混凝土連續等；根據支座類型又可分為單支座連續和雙支座連續兩種。該方法在提載的同時，還可以有效避免橋梁由于伸縮縫失效維修給交通帶來的影響，同時由于橋面的連續性，可以有效改善行車舒適性和安全性[7]。本文黑箐橋采用該方法進行加固，鑿除墩頂7 m范圍內空心板頂板混凝土，布設負彎矩鋼筋，澆筑C50混凝土填實該范圍空心板內腔。

簡支轉連續加固方法施工步驟：橋梁進行卸載—將簡支轉連續處的原構件外包部分外表面打毛及清潔處理—對支座轉換與墩頂段的連續化處理—鄰跨間接縫處的混凝土澆筑—臨時支座的拆除。

1.3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固也是目前針對混凝土構件承載力不足的一種加固方法，該方法可以增加混凝土構件抗彎剛度，改善其彎曲、剪切、拉伸性能，減小撓度，并抑制裂縫發展等優點，現廣泛應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境中，因而在設計和使用時需要將鋼板的耐火性和耐腐蝕性考慮在內，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行加固，粘貼的鋼板為5 mm厚的鋼板，在空心板板底全長范圍內粘貼，以增強空心板的縱向抗彎能力。

經改進的流量計，在山東新和成藥業有限公司、營口三征精細化工有限公司等單位批量使用，效果較好，未發生過冷凝液聚積引起的失準。該型流量計符合ISO 5167.2—2003及GB/T 2624—2006，節流件經幾何檢驗法檢驗合格，無需實流標定，在10∶1量程比范圍內，系統不確定度能達到1.0%。(上海同欣自動化儀表有限公司)

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層，鑿灌漿料槽道—鑿除粘貼鋼板位置處松動混凝土—混凝土鉆孔—鋼板鉆孔—安裝鋼板，并臨時錨固—鋼板周圍密封—注漿—待漿體開始初凝時緊固螺桿[10]。

2 工程概況及荷載試驗

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，均為預應力簡支空心板橋，均處于景大線，通車時間一致，設計荷載等級一致，橋梁病害主要為空心板板底出現縱橫向裂縫，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)

空心板在運營期間出現的問題具有普遍性，主要為鉸縫破損導致橋梁的整體性不足，板底出現縱向裂縫甚至貫通，單板承受車輪荷載導致跨中板底出現橫向裂縫等。縱向裂縫對空心板的承載力并不產生影響，但是對橋梁的耐久性產生影響，所以在加固過程中，需要對縱向裂縫進行灌膠封閉處理，板底橫向裂縫是由于承載力不足引起，需要進行加固處理。

2.2 理論計算及荷載試驗

本文所依托的工程實例，加固前后所做荷載試驗前均采用有限元軟件建立空間模型進行計算，得出理論值，測試橋梁在試驗荷載作用下的結構效力，對橋梁結構性能進行評價。

通過靜載試驗，了解測試橋跨上部主體結構不同加固方法加固前后在試驗荷載情況下的實際受力狀態和工作狀態，評價結構在荷載作用下的工作性能，檢驗橋梁結構加固后的強度、剛度和承載力等的變化，評價橋梁不同加固方法的加固效果[11-12]，為今后同類橋梁加固工作提供參考。

橋梁加固前后的荷載試驗分為2個工況加載，工況一為中載，工況二為偏載。采用重載汽車等效設計荷載來實現和滿足加載要求，在結構控制截面內力影響線最不利位置布載，使其試驗荷載效率滿足《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)要求。

所選加固的3座橋單跨跨徑和橋寬相差不大，故用于荷載試驗的試驗車輛和布載方式一致。按照應力等效的原則，確定試驗荷載的大小。根據有限元空間模型計算，靜載試驗采用4輛30 t(車重+荷重)雙后軸汽車加載。為了對比出加固前后2次荷載試驗結果，加固前后加載車輛及加載位置一致。試驗荷載(試驗用車)見圖4所示。試驗用車的前后軸質量分配為前軸6.0 t，雙后軸均為12.0 t。

圖4 試驗荷載試驗用車

各工況下加載車輛橫向布置位置如圖5和圖6所示。

圖5 工況一下加載車輛橫向布置位置(單位：m)

圖6 工況二下加載車輛橫向布置位置(單位：m)

L/2截面測試應變測試布置點為每片空心板在板底粘貼一個應變片，如圖7所示。由于加固前后對實橋荷載試驗結果進行對比分析，所以測點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截面測試應變測試布置點

3 加固前后荷載試驗結果

通過荷載試驗得出粘貼碳纖維筋加固方法、簡支轉連續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處加固前后理論應力、實測應力和理論撓度、實測撓度的對比分析，見表2和表3所示。為了更清晰地對比加固效率，表中的應力及撓度均采用平均值。

表2 L/2截面處加固前后平均應力對比 MPa(變化率除外)

表3 L/2截面處加固前后平均撓度對比 mm(變化率除外)

續表3

4 加固效率對比分析

4.1 應力對比分析

3座空心板橋加固前后平均應力及加固效率對比分析見圖8所示。

(a)加固前后平均應力對比

對比粘貼碳纖維筋加固、簡支轉連續加固、粘貼鋼板加固方法理論計算及實測結果可知，對空心板橋加固用簡支轉連續加固方法的板底平均應力減小最大，應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，板底平均應力減小幅度在工況一下為20%，在工況二下為17%。

4.2 撓度對比分析

3座空心板橋加固前后平均應力及加固效率對比分析見圖9所示。

根據表3及圖9可知，3種加固方法對空心板在試驗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構在恒荷載作用下的撓度，簡支轉連續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種加固方法對結構的延性均有所提高。

(a)加固前后平均撓度對比

4.3 剪力對比分析

簡支轉連續加固方法封閉連續端空心板，增大支點處抗剪截面。加固前平均剪應力為2.51 MPa，加固后平均剪應力為2.26 MPa，剪應力減小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，對空心板的抗剪承載力沒有提升效果。

3種加固方案均對梁體的受力有所改善，加固后跨中的應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件受力薄弱的位置增設受拉材料，新增加的材料須在結構構件受荷載變形之后才能發揮作用，屬于被動加固，所以只能承受車輛等移動荷載和后加的恒荷載所引起的構件內力，但對結構剛度的承載力都有所提高。簡支轉連續加固方法為主動加固方法，由于改變原結構的受力體系，使支點處產生負彎矩，抵消一部分跨中的正彎矩，增加構件的抗彎能力，同時，對結構剛度和承載力有明顯的提升，所以加固效果最好。

5 結論

(1)在本文論述分析的3種加固方法中，對預應力空心板橋梁的承載力提升幅度方面，簡支轉連續加固方法優于粘貼鋼板加固方法，優于粘貼碳纖維筋加固方法。

(2)在活荷載下，簡支轉連續加固方法對預應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預應力空心板橋的撓度降低幅度相似。3種加固方法對預應力空心板橋的延性均有所提升。

(3)3種加固方法對預應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)由于簡支轉連續加固方法在施工時將連續端預應力空心板空心部分填實，增大連續端處的梁截面面積，對預應力空心板橋橋墩處截面的抗剪性能有一定程度的提升。

(5)橋梁加固前后實測數據與有限元模型計算所得的理論數據存在偏差，出現偏差的原因有：該批橋梁均為預應力空心板橋，所以在建立模型分析時未考慮普通鋼筋的受力，而進行實橋荷載試驗時，普通鋼筋實際上有參與受力；實測數據存在人為因素及環境因素帶來的誤差，可能與橋梁的真實受力狀態有些許偏差。

根據本文3種加固方法的加固效率研究，簡支轉連續加固方法的加固效率最高，對結構延性提升最大，該方法可以應用于提載為主要目標的橋梁加固中；粘貼碳纖維筋和粘貼鋼板加固方法，對橋梁的承載力提高效果不大，可以主要用于以加固為目標的空心板橋梁改造工程中。