粘鋼加固法的計算

袁金容　王俊坪

摘要 文章主要研究粘鋼加固法應用于T梁加固時的計算。針對一座既有橋梁的加固設計，采用橋梁博士和Midas進行輔助計算，詳細闡述了粘鋼加固法的計算過程，并分別計算出結構加固前后的承載能力，通過對加固前后承載力的對比分析可知，采用粘鋼加固法提高抗彎承載能力時，抗彎承載能力的提高幅度受截面尺寸影響較大。

關鍵詞 T梁;粘鋼加固法;橋梁博士;Midas

中圖分類號 TU375.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0184-03

引言

預應力混凝土T梁由于結構簡單、受力明確、節省材料、架設安裝方便、跨越能力較大的特點，在我國公路上修建最多。20世紀70年代，國內修建了一批無馬蹄的預應力混凝土T梁橋。隨著公路技術等級的不斷提高，無馬蹄預應力混凝土T梁橋大多不能滿足現行的技術規范。由于當時技術條件受限，橋梁施工質量普遍存在一定的缺陷。為滿足現在的通行要求，一般選擇拆除重建或原橋加固利用。考慮到拆除重建造價較高，資金受限時，大多選擇原橋加固利用。

1 工程概況

該橋位于西藏自治區某經濟開發區，橋梁上部結構為4×20 m簡支預應力鋼筋混凝土T梁，橋寬9.0 m。

T梁梁高150 cm，翼緣厚15 cm，腹板厚15 cm，每片梁設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60 cm的現澆濕接縫。該橋T梁腹板等厚無變寬（如圖1）。經檢測，該橋屬于四類橋梁，承載力不滿足現行規范要求，考慮到拆除重建造價較高，資金受限，該橋進行加固利用。

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、體外預應力加固法、改變結構體系加固法等。考慮到該橋的結構形式以及受力特點，初步確定在增大截面法和粘貼鋼板法中進行方案比選。

2.1 增大截面法

增大截面法主要加固思路是在原有構件表面外包鋼筋混凝土，從而增加結構的截面積，在增加截面的各項受力性能的同時，可在新增截面中根據受力需要，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。此方法的主要特點如下：

（1）結構受力明確，加固計算簡便，結構承載力、剛度提高明顯。

（2）施工技術成熟，施工工藝較復雜，現場濕作業多，周期長，對生活和環境有影響。

（3）增大截面法存在二次受力的情況，外包混凝土對原有結構來說是外荷載，對于既有結構有一定影響。

（4）增大截面法會增大結構的自重，對整個結構產生一定的重力效應，且應力滯后的存在導致新加部分的承載力折減，降低結構耐久性。

（5）對橋上交通干擾較大。

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氧樹脂系列類膠粘劑將鋼板粘貼于鋼筋混凝土結構物的受拉區或薄弱部位，使之與原結構物形成共同受力的整體，以提高其抗彎、抗剪能力及剛度，改善原結構的鋼筋及混凝土的應力狀態，限制裂縫的進一步發展，進而提高橋梁的承載能力與耐久性[1]。粘鋼加固法是我國常用的橋梁加固方法之一，在國內得到了廣泛應用，通常適用于鋼筋混凝土橋梁的加固。此方法主要特點如下：

（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，對原有結構影響較小。

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

（3）由于截面尺寸的限制，粘貼鋼板法對結構承載力提高幅度有限。

2.3 方案比選

針對該橋的特點，由于受標高的限制，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，只有在混凝土內增加的鋼筋對結構承載力有較大的貢獻，混凝土反而增加了自重，同時，在主梁底緣澆筑混凝土，混凝土振搗困難，澆筑質量難以保證，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黏結，可以提高結構的承載力，同時，粘貼鋼板所需操作空間小，施工簡單，施工質量較易保證。

綜合對比兩種加固方式的優缺點，并結合該項目地域特點及經濟性，選取粘貼鋼板法作為該橋加固的推薦方案。

3 加固驗算

邊梁及中梁的構造尺寸基本相同，故認為每片T梁的截面特性相同，將現澆濕接縫作為截面的翼緣參與計算，采用截面特性計算軟件，獲得結構的截面特性如表1。

結構主要考慮荷載如下：

（1）恒載：1）結構自重：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，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、護欄立柱及鋼管，換算為單側面荷載為5.28 kN/m2。

（2）活載。1）車道荷載：車道荷載根據《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011），取為城—B級（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《城市橋梁設計規范》第10.0.3條規定，小城市中的支路上如重型車輛較少時，設計汽車荷載采用城—B級車道荷載的效應乘以0.8的折減系數，車輛荷載效應乘以0.7的折減系數。2）人群荷載：人群荷載根據《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011），取為5.0 kN/m2。按照偏心壓力法（跨中段）以及杠桿法（支點段）[2]計算每片T梁的橫向分布系數，利用橋梁博士的橫向分布系數模塊計算得結構每片T梁的橫向分布系數如表2。

根據計算結果可知，邊梁為最不利主梁，因此利用 Midas Civil建立邊梁計算模型，對邊梁的荷載效應進行計算。

根據T梁配筋圖，所有縱向筋布置在跨中1/2梁長區段，在距離支座1/4梁長位置（第一塊橫隔板位置）縱向主筋開始彎起，考慮結構配筋特點，抗彎計算選取以下截面進行承載力驗算（如圖2）。

對于抗剪承載力的計算，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，故抗剪計算僅考慮支座附近的斜截面。

結構荷載主要考慮上述的恒載和活載，其中自重由程序自動考慮，人行道恒載和橋面鋪裝恒載（統一記為二期恒載）按照梁單元荷載計入，活載則采用影響線加載的方式進行施加（其中車輛荷載考慮沖擊系數由程序根據結構基頻自動計入），通過建模計算，結構荷載效應如表3～4。

3.1 抗彎驗算

3.1.1 原結構抗彎驗算

原結構配筋情況：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對原有結構的結構內力進行計算并考慮0.8的折減系數后，結果如表5。

3.1.2 結構抗彎加固驗算

加固措施：原截面抗彎承載力不足，現采用粘貼鋼板法對截面進行加固處理，鋼板采用Q345C級鋼，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，則：

2 013.3

113 676 0

264.9 mm>150 mm

滿足假設條件，即加固前構件開裂截面換算截面的混凝土受壓區高度為264.9 mm。

開裂截面的慣性矩為：

=8.13×1010 mm4

根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）6.2.2條規定：

先假定受壓區混凝土達到極限壓應變時，鋼板能夠達到屈服，用鋼板強度設計值代替上式中的，可得截面受壓區高度為：

=74.9 mm

根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）6.2.3條：

，

代入可求得鋼板應力：

=0.015×2.06×1011=3 090 MPa>345 MPa

故在受壓區混凝土達到極限壓應變之前，鋼板已經屈服，截面受壓區高度x為74.9 mm。

根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）6.2.2條：

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

以上計算表明，經加固后，上部結構的抗彎承載力能夠滿足折減后的車道荷載的要求。

3.2 抗剪驗算

3.2.1 原結構抗剪驗算

利用Midas Civil對原有結構的承載力進行計算并考慮0.8的折減系數得到支座附近截面剪承設計值為692.1 kN。

根據截面配筋，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。

受剪截面尺寸驗算：

824.4 kN>692.1×1.1=762.3 kN

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》斜截面承載力驗算：

（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

結果表明，原有結構抗剪承載力不滿足規范要求。

3.2.2 結構抗剪加固驗算

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

=790.9 kN>763.2 kN

由以上計算可知，經加固后，上部結構的抗剪承載能力滿足折減后的車道荷載的要求。

4 結語

該文通過一座現存橋梁的加固計算，介紹了粘貼鋼板加固法的使用條件及計算流程，為類似加固項目提供參考。在使用粘貼鋼板加固方法時，還應注意以下兩點：

（1）粘貼鋼板法雖然施工簡單，造價低，但對結構承載能力提高幅度有限。

（2）對于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，建議考慮增大截面或者拆除重建。

參考文獻

[1]鄔曉光， 白青俠， 雷自學. 公路橋梁加固設計規范應用計算示例[M]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[2]邵旭東， 程翔云， 李立峰. 橋梁設計與計算（第2版）[M]. 北京：人民交通出版社， 2012： 173-177.

收稿日期：2022-04-09

作者簡介：袁金容（1989—），女，本科，工程師，研究方向：橋隧設計。