高強鋼絲繩聚合物砂漿加固橋梁設計施工研究

羅向榮

(北京特希達交通勘察設計院有限公司，北京 100067)

我國自20世紀80年代起建造了大量的中小跨徑梁板式橋梁，經過幾十年的運營，很多橋梁出現了不同程度的病害。目前應用較多的加固方法有增大截面加固、體外預應力加固、粘貼鋼板加固、外貼碳纖維布加固等。除體外預應力加固法外，其余多為被動加固方法，后加的材料在原結構物應變和應力現有基礎上再增加時才能起到遏制的作用，加固效果較差。體外預應力加固法實現主動加固的理念，但長期作用在結構物體外的鋼材防腐費用很高。目前，應用高強鋼絲繩給結構物施加預應力，外側包裹聚合物砂漿防腐的加固方法作為一種既能實現主動加固，又能降低加固成本，解決后期防腐問題的加固方法越來越受到市場青睞，雖已有一些研究成果，但還不能充分滿足工程要求，本文以庫竹大橋為依托工程進一步研究了該加固方法在工程應用過程中出現的問題及解決辦法。

1 工程概況

庫竹大橋全長418.44 m，橋寬12.50 m，橋跨組合為(4×16+10×30+3×16)m。上部結構為簡支T梁，設計荷載等級為汽車—20級，掛—100。引橋16 m T梁梁體出現多條斜向、豎向裂縫，縫寬介于0.15 mm～0.42 mm，腹板兩側裂縫均對稱出現，裂縫分布見圖1。

對原結構進行平面有限元分析，計算結果見表1，在原設計荷載最不利組合作用下，中板跨中抗彎承載能力不滿足規范要求，邊板跨中抗彎承載能力承載潛力不足。

表1 T梁跨中正截面抗彎強度 kN·m

2 抗彎加固設計

2.1 計算分析

采用預應力鋼絲繩對梁、板構件進行受彎加固承載力計算，鋼絲繩與鋼筋、混凝土有良好的變形協調，符合平截面假定，在確定構件極限承載力時，可以用鋼絲繩抗拉強度設計值來進行計算。

1)預應力鋼絲繩加固梁的正截面抗彎承載力計算圖式［1］見圖2。

2)正截面抗彎承載力按下列公式計算:

a.矩形截面或中性軸位于T形或I形截面翼板內(x≤hf')。由平衡條件得:

b.T形或I形截面且中性軸位于截面腹板內(x＞hf')。

為確保加固后的混凝土梁仍為塑性破壞，上述公式中的截面受壓區高度x應滿足下列條件:

其中，σpu，e為當構件達到極限抗彎承載能力時，預應力鋼絲繩(鋼絞線)的極限應力計算值;Ap，e為預應力鋼絲繩(鋼絞線)的截面面積。

式中其他符號意義詳見參考文獻［1］。

2.2 計算實例

本橋加固采用鋼絲繩公稱直徑4.0 mm，公稱面積9.55 mm2，抗拉強度標準值fpk=1 670 MPa，彈性模量Ep=1.3×105MPa。張拉控制應力σk=835 MPa。在T梁腹板底面及側面各布置兩層共21根高強鋼絲繩，取中板跨中截面驗算，計算結果見表2。

表2 加固后T梁跨中正截面抗彎強度

在原設計荷載最不利組合作用下，加固后中板跨中抗彎承載能力提高21%，抗彎加固效果顯著。

3 加固施工

3.1 材料選擇

1)高強鋼絲繩。加固用預應力鋼絲繩應選用高強、低松弛、高延性的預應力專用鋼絲繩。鋼絲繩直徑不宜太大，避免一次張拉力過大，施工操作困難。在鍍鋅、不銹鋼鋼絲繩選擇上，鍍鋅鋼絲繩的耐腐蝕性較不銹鋼鋼絲繩略遜一籌，但鍍鋅鋼絲繩的強度、彈性模量、伸長率都比不銹鋼鋼絲繩高，考慮到預應力鋼絲繩延性的重要性，選用A級熱鍍鋅鋼絲繩。

2)聚合物砂漿。對重要構件的加固，應選用改性環氧類聚合物砂漿，對一般構件的加固，可選用改性環氧類聚合物砂漿或改性丙烯酸酯共聚物乳液配制的聚合物砂漿［2］。由于改性環氧類聚合物砂漿價格高［3］，因此目前在建筑結構和橋梁結構加固中用的較少，主要還是應用改性丙烯酸酯共聚物乳液配制的聚合物砂漿。

由于砂漿厚度較薄，砂漿抗壓強度過高，加固施工完成后，在活荷載反復作用下，砂漿易產生裂縫。經反復研究，橋梁加固上采用的聚合物砂漿，其抗壓強度在40 MPa～45 MPa時，抗裂性比較好;與橋梁構件表面張拉粘結強度不低于2.0 MPa。

3)錨具系統。擠壓錨頭采用鋁合金材料制作套筒，具有較高的延性、擠壓性能，能夠滿足單根鋼絲繩端部可靠錨固的要求，保證鋼絲繩不因錨頭部位滑移破壞。擠壓預應力鋼絲繩錨具根據鋼絲繩直徑及加固量確定開孔尺寸及開孔間距。

3.2 施工工藝［4］

1)錨具固定。錨具焊接時，應在焊接部位開槽，保證焊接強度。錨具及鋼板的焊接需采用二氧化碳氣體保護焊，以避免鋼板及錨具在焊接過程中受熱變形。

2)鋼絲繩張拉與錨固。在一側鋼絲繩的一端可直接穿入錨具，另一端由專門的張拉器進行張拉并錨固。為減小鋼絲繩的松弛對有效預應力的影響，施工中要求在涂抹砂漿前(第一次張拉完48 h以后)再張拉一次，并通過其外側涂抹砂漿進行錨固、防護，可進一步減少松弛的發生。

3)鋼絲繩砂漿防護。在鋼絲繩外側涂抹高性能聚合物砂漿，該砂漿也能共同參與錨固鋼絲繩受力，減輕錨具壓力，減少預應力筋的松弛等。砂漿防護施工時，應分層涂抹，以保證工程質量。

4 荷載試驗驗證

1)撓度。加固前最大撓度4.47 mm、加固后為4.39 mm，加固后最大撓度值較加固前減小1.8%(見圖3)，說明橋梁的剛度提高有限。

2)應變。跨中梁底最大彈性拉應變值加固前為425.8 με、加固后為275.3 με，加固后拉應變顯著減小(見圖4)，表明結構強度和抗裂性有明顯提高，加固效果比較明顯。

5 結語

應用預應力高強鋼絲繩、聚合物砂漿外加層進行鋼筋混凝土梁板結構抗彎加固，既實現了主動加固的理念，又降低了加固成本，避免了體外預應力防腐的問題，加固效果良好，逐漸被廣泛采納。應用該技術應重視理論分析，通過計算確定合理的鋼絲繩根數、長度及張拉力。在加固材料選擇上應性能與經濟兼顧。建議對鋼絲繩應用規格、錨具型號標準化，在結構加固領域推廣應用。

［1］JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設計規范［S］.

［2］GB 50367-2006，混凝土結構加固設計規范［S］.

［3］廣東省交通工程造價管理站.廣東省公路養護工程預算定額［Z］.2003.

［4］JTG/T J23-2008，公路橋梁加固施工技術規范［S］.