某預應力混凝土小箱梁橋不同加固方法試驗對比分析

原國華

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

該橋全長為2 294.68 m。上部結構為（41+55+41）+17×25+（41+55+41）+15×25+（41+55+41）+6 ×25+（41+55+41）+7 ×25+（41+55+41）+14 ×24.3+（41+55+41）m變截面預應力混凝土現澆連續箱梁和預應力混凝土裝配式連續箱梁。

下部結構：橋臺為肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎；現澆連續箱梁橋墩為板式橋墩，鉆孔灌注樁基礎；預制小箱梁橋墩為柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎。

該橋的技術指標為：

a）設計荷載 汽-超20級；驗算荷載：掛-120；

b）單幅橋面寬度 0.5 m+凈12 m+1.25 m；

c）地震基本烈度 Ⅶ度。

2 橋梁主要病害

a）該橋共計195片箱梁腹板存在豎向裂縫，裂縫最寬0.27 mm，底板存在橫向裂縫，裂縫最寬0.15 mm，腹板豎向裂縫與底板橫向裂縫相連通。

b）該橋端橫隔板存在豎向裂縫，裂縫最寬0.78 mm，建議涂環氧樹脂膠封閉未超限裂縫；用壓力注漿法灌注環氧樹脂膠封閉超限裂縫。

c）該橋橋梁技術狀況綜合評定等級為“三類”橋梁。

3 小箱梁橋加固方法

為了進一步了解該橋主梁目前的受力狀況，掌握主梁預應力鋼束的應力損失大小，特別是不同加固方法對提高該橋承載能力及抗裂性能的加固效果，本項目選取跨中附近裂縫較為嚴重的三跨作為試驗跨進行了3種不同加固方法，分別為：體外預應力加固方法[1](第一跨)、體外預應力+粘貼碳纖維布加固方法(第二跨)、粘貼鋼板加固方法(第三跨)。

3.1 方案一 梁體體外預應力加固(第一跨)

采用張拉體外預應力加固方案。在各片箱梁腹板下緣兩側分別布置3根正彎矩體外預應力鋼束，張拉控制應力為1 116 MPa，箱梁體外預應力加固效果圖見圖1。

圖1 箱梁體外預應力加固效果圖

3.2 方案二 體 外預應力+粘貼碳纖維布加固方法（第二跨）

采用張拉體外預應力并粘貼碳纖維布加固方案，在各片箱梁腹板下緣兩側分別布置3根正彎矩體外預應力鋼束，張拉控制應力為1 116 MPa。體外預應力按設計要求張拉完成后，在箱梁兩側腹板分別均勻粘貼3條碳纖維布，體外預應力+粘貼碳纖維布加固效果圖見圖2。

圖2 體外預應力+粘貼碳纖維布加固效果圖

3.3 方案三 粘貼鋼板加固（第三跨）

在各片箱梁腹板兩個側面粘貼3道鋼板（寬20 cm）進行補強，粘貼鋼板加固效果圖見圖3。

圖3 粘貼鋼板效果圖

4 試驗檢測目的

本次試驗對加固前橋梁現有的工作狀態進行了檢測，并對加固后各方案的實際加固效果進行對比試驗，檢測主要目的如下：

a）測試加固前橋梁現有的工作狀態。

b）通過加固后對比試驗，掌握不同加固方法對橋梁結構受力狀況的改善情況。

c）比較分析橋梁采用不同加固方法的實際加固效果。

d）為橋梁的加固設計提供技術依據及下一步相應的加固建議。

5 試驗檢測主要內容

5.1 試驗檢測流程

本次試驗主要是為了檢驗橋梁加固前現有的工作狀態、各加固方案的實際加固效果及各方案效果之間的對比情況，所以需在各方案加固前、后對各試驗跨分別進行荷載試驗，采集并分析數據。

例如：第二跨先進行荷載試驗采集分析數據；然后按照加固方案分批張拉預應力體外預應力，完成此項設計意圖后再按照同樣的荷載標準重復進行荷載試驗程序，采集相關試驗數據；之后再按照設計方案要求完成粘貼碳纖維布；等到碳纖維布與混凝土的粘貼強度達到設計要求后，按照同樣的荷載標準第二次重復進行荷載試驗程序，采集相關試驗數據，完成本跨荷載試驗工作。

各試驗跨荷載試驗的流程如圖4。

圖4 試驗檢測流程圖

5.2 試驗檢測項目

5.2.1 加固前

a）測試試驗荷載作用下加固前橋梁測試斷面的應力（應變）及其分布情況。

b）測試試驗荷載作用下加固前橋梁測試斷面的撓度（變形）值及變形曲線。

c）觀測試驗過程中加固前橋梁測試裂縫的變化情況。

d）測試加固前橋梁的動力特性。

5.2.2 加固后（體外預應力、體外預應力+碳纖維、鋼板）

a）測試試驗荷載作用下加固后橋梁測試斷面的應力（應變）及其分布情況。

b）測試試驗荷載作用下加固后橋梁測試斷面的撓度（變形）值及變形曲線。

c）觀測試驗過程中加固后橋梁測試裂縫的變化情況。

d）測試加固后橋梁的動力特性。

6 試驗結果分析與結論

試驗結論主要有以下幾點：

a）應力結果 3種加固方法均能不同程度地提高結構的抗裂性能，其中當僅采用體外束加固法時，截面下緣鋼筋應力增量比加固前平均降低19%左右；當采用體外預應力鋼束+碳纖維加固法時，截面下緣鋼筋應力增量比加固前降低40%左右；當采用粘貼鋼板加固法時，截面下緣鋼筋應力增量比加固前降低14%左右。可見采用體外束+碳纖維布加固法時，對改善結構下緣應力狀況尤為明顯。

b）撓度分析結果 當僅采用體外束加固法時，跨中截面的撓度增量比加固前平均降低21%左右；當采用體外預應力鋼束+碳纖維加固法時，跨中截面的撓度增量比加固前平均降低31%左右；當采用粘貼鋼板加固法時，跨中截面的撓度增量比加固前平均降低6%左右；可見采用體外預應力鋼束+碳纖維布加固法時，對提高結構的剛度效果比較突出。

c）裂縫分析結果 當僅采用體外束加固法時，跨中截面的裂縫寬度變化增量比加固前平均降低26%左右；當采用體外預應力鋼束+碳纖維布加固法時，跨中截面的裂縫寬度變化增量比加固前降低77%左右；當采用粘貼鋼板加固法時，跨中截面的裂縫寬度變化增量比加固前降低36%左右。可見采用體外預應力鋼束+碳纖維布加固法時，對抑制結構的裂縫開展效果較為顯著。

通過以上對3種加固方法的對比分析結果可以看出，體外束加固法、體外束+碳纖維布加固法及粘貼鋼板加固法均可提高結構的承載能力、下緣受力性能、結構剛度和抑制裂縫開展效果，其中以體外束+碳纖維布加固法效果最佳。

7 總結

主動加固與被動加固組合加固方法[2]（體外預應力+碳纖維布加固法），不僅在提高截面強度、剛度、改善截面受力狀況、抑制裂縫開展等方面要明顯好于其他兩種方法，而且對橋梁的動力性能改善也要優于其他兩種方法，在今后類似橋梁結構病害維修方案制定中有一定的借鑒作用。