鋼筋混凝土T梁橋鋼絲繩加固案例分析

賈尚林

（北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京 100053）

隨著交通運輸業的迅猛發展，公路上交通量逐年遞增，車輛重載、超載現象也逐年增多，越來越多的橋梁設計荷載明顯偏低，已不能適應經濟和交通運輸發展的需要，甚至對行車安全構成了隱患。為了改善和提高舊橋的承載和通行能力，保證其正常運營，對危、舊橋梁進行維修加固及改造，是非常必要和緊迫的。從一實例工程入手，介紹了目前常用的橋梁加固方法，并針對此實例工程，提出3種主梁加固方案并進行比選，為今后設計人員進行橋梁加固提供了更新穎的加固方案，拓寬了橋梁加固的設計思路。

1 工程概述

興壽橋位于昌平區安四路K31+060，跨越京密引水渠，大樁號側橋頭與現況懷昌路平交。該橋修建于1991年，上部結構為3×17 m普通鋼筋混凝土簡支T梁橋，下部結構為柱式墩、臺，鉆孔灌注樁基礎，橋梁全長51.824 m，全寬15 m，橋梁與河道斜交，斜交角度為25°。該橋設計水位為52.80 m，設計流量為40 m3/s。現況橋梁設計荷載為汽車-20級，掛車-100，人群荷載為3.0 kN/m2。

2 橋梁病害及原因分析

2.1 橋梁上、下部結構主要病害

全橋共27片主梁，其中斜向裂縫共209條，總長約105 m，最寬0.26 mm，最深99.8 mm，豎向裂縫共599條，總長約300 m，最寬0.22 mm，大多出現在腹板底部、跨中位置；共18處銹脹，其中11處露筋；5處縱向開裂；5處破損，其中3處露筋；墩、臺蓋梁豎向裂縫共75條，總長約35 m，最寬0.22 mm。

2.2 橋面系破損狀況

橋面共8條縱向裂縫，其中2條貫通于橋面，橋頭搭板3處開裂，防撞護欄3處破損、開焊。

2.3 橋梁病害成因分析

a）現階段我國交通運輸業發展迅猛，車輛重載、超載現象逐年增多，橋梁設計荷載偏低，已不能適應現行經濟發展及交通運輸的需要。

b）橋面鋪裝破損、橋面排水不暢導致橋面防水功能失效，混凝土受雨污水侵蝕、脹裂、剝落，鋼筋銹蝕。

c）舊橋主梁為普通鋼筋混凝土T梁，梁寬1.6 m，梁高1.0 m，腹板寬度僅為0.2 m，主梁剛度較小，且主梁翼板偏薄，整體橫向聯系偏弱，易形成單梁受力，梁下出現較多受力裂縫。

d）對于橋梁暴露的問題，沒有及時針對橋梁病害進行養護維修及處理，日積月累致使問題嚴重化。

3 舊橋主梁承載力驗算分析

舊橋中、邊梁斷面形式一致，均為梁寬1.6 m，梁高1.0 m，腹板寬度0.2 m的普通鋼筋混凝土T梁，按照1989年版《公路橋涵設計規范》進行驗算，該橋的抗彎及抗剪能力如表1所示。

表1 按照汽車-20級進行主梁承載能力驗算

由表1可知，汽車-20級荷載等級下，中、邊梁抗彎能力滿足承載力要求，中、邊梁抗剪能力基本滿足承載力要求。

若按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）進行驗算[1]，該橋的抗彎及抗剪能力如表2及表3所示。

表2 按照公路-II級進行主梁承載能力驗算

表3 按照公路-I級進行主梁承載能力驗算

如表2及表3所示，公路-II級荷載等級下，經驗算中、邊梁抗彎及抗剪能力均滿足承載力要求，裂縫寬度為0.165 mm，滿足規范要求。公路-I級荷載等級下，經驗算中、邊梁抗彎及抗剪能力均不滿足承載力要求，裂縫寬度為0.251 mm，不滿足規范要求。

經過3種荷載等級下主梁承載力的驗算分析，我們得知現況橋梁主梁滿足現階段公路-II級荷載等級，但不滿足公路-I級荷載等級要求。不滿足公路提級要求，需對主梁進行加固，提高其承載、通行能力。

4 橋梁加固方案及比選

4.1 橋梁加固方案設計

本橋上跨京密引水渠，由于京密引水渠為一級飲用水源，橋梁加固必須采取對京密引水渠的水源保護，不適合采用混凝土局部置換法及增大截面法進行主梁加固，分別采用外粘碳纖維復合材料、外粘鋼板以及預張緊鋼絲繩網片—噴射聚合物砂漿外加層等3種復合截面加固法方案進行設計比選。

4.1.1 外粘碳纖維復合材料

碳纖維材料加固設計計算中，采用如下基本假定：

a）受拉區混凝土的作用忽略不計。

b）梁受彎時，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定。

c）碳纖維材料采用線彈性應力-應變關系：δcf=Ecf×εcf，且 ε＜0.01。

d）當考慮二次受力影響時，應按構件加固前的初始受力情況，確定碳纖維復合材料的滯后應變。

e）由于外貼的碳纖維布很薄，近似認為CFRP布中心離梁頂的距離與梁高相等。

f）在到達抗彎承載力極限狀態前，加固材料與混凝土之間不致出現黏結剝落破壞。

本次對主梁進行加固所采用的碳纖維布規格見表4。

表4 碳纖維布（CFRP）性能指標

粘貼碳纖維布加固橫斷面如圖1所示。

圖1 碳纖維布粘貼加固橫斷面（單位：cm）

經計算選用3層0.167 mm厚190 mm寬的高強I級碳纖維布，加固后主梁抗彎承載能力提高約2.18%，滿足公路-I級荷載等級計算要求。計算結果見表5。

表5 碳纖維布（CFRP）加固結果

4.1.2 外粘鋼板

本次設計采用5 mm厚Q235鋼板，粘貼鋼板加固橫斷面如圖2所示。

圖2 粘貼鋼板加固橫斷面（單位：cm）

經計算選用1層5 mm厚Q235鋼板，鋼板寬度計算值為111 mm，加固后主梁抗彎承載能力提高約5.23%，滿足公路-I級荷載等級計算要求。計算結果見表6。

表6 粘貼鋼板加固結果

4.1.3 預張緊鋼絲繩網片—噴射聚合物砂漿外加層

預張緊鋼絲繩網片—噴射聚合物砂漿外加層的加固方法是近年引進國內的加固技術，它不同于一般鋼絲繩網片加固的方法，它是把預張拉的高強度鋼絲繩網片配合專用固定板、化學錨栓及繩端固定結設置于混凝土結構受力薄弱部位，噴射聚合物砂漿，使之與混凝土既有結構形成整體受力，提高混凝土構件的抗彎及抗剪能力，提高構件的整體剛度。

預張緊系統的基本組成為：固定板、繩端固定結、專用化學錨栓、鋼絲繩網片以及聚合物砂漿外加層。如圖3所示。

圖3 預張緊系統基本組成

采用預張緊高強度鋼絲繩網片—聚合物砂漿外加層對構件進行加固時，除遵守現行國家標準《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）正截面承載力計算的基本假定外，尚應遵守下列規定：a）構件達到受彎承載力極限狀態時，鋼絲繩網片的拉應變εrw可按截面應變保持平面的假定確定；b）鋼絲繩網片應力可近似取等于 δrw=Erw×εrw；c）當考慮二次受力影響時，應按構件加固前的初始受力情況，確定鋼絲繩網片的滯后應變；d）在到達受彎承載能力極限狀態前，鋼絲繩網片與混凝土之間不出現黏結剝離破壞；e）對梁的不同外加層構造，統一采用僅按梁的受拉區底面有外加層的計算簡圖，但在驗算梁的正截面承載力時，應引入修正系數考慮側面圍套內鋼絲繩網片對承載力提高的作用。

本次設計采用6×7+IWS高強度鍍鋅鋼絲繩，其規格見表7。

表7 6×7+IWS高強度鍍鋅鋼絲繩性能指標

計算中鋼絲繩網片按體外預應力考慮，梁底布設單層6根6×7+IWS高強度鍍鋅鋼絲繩，間距30 mm，張拉控制應力按30%抗拉強度設計值考慮，梁底噴射高強聚合物砂漿，厚度為25 mm，其加固橫斷面如圖4所示。

圖4 鋼絲繩加固橫斷面（單位：cm）

經計算梁底布設單層6根6×7+IWS高強度鍍鋅鋼絲繩，噴射高強聚合物砂漿，厚度為25 mm，加固后主梁抗彎承載能力提高約12.9%，滿足公路-I級荷載等級計算要求。計算結果見表8。

表8 鋼絲繩加固結果

4.2 橋梁加固方案比選

3種加固方案加固后都能滿足公路-I級荷載等級要求，其中碳纖維加固（單層）每平米造價約1 000元、粘鋼加固（單層）每平米造價約950元、鋼絲繩加固（單層）每平米造價約1 100元。粘鋼與粘碳加固為目前常用的橋梁加固方法，施工工藝比較成熟，工藝相對簡單，施工中均需采用結構膠，這類加固方法對結構膠品質要求較高，并對混凝土構件表面黏結強度要求較高，還對溫度、濕度均有一定要求，耐久年限不好確定，此外碳纖維彈性模量大，粘碳加固與混凝土構件共同工作性能較差，粘鋼加固幾年后或者十幾年后鋼板易與混凝土剝離破壞，加固失效，且露天環境中橋梁的混凝土易發生泛堿，致使加固失效。鋼絲繩加固為國內較新穎的加固技術，施工中需要專業人士進行技術支持，但避免了一些粘鋼與粘碳加固的缺點，高強聚合物砂漿本身強度高，耐溫耐濕性好，又具有較好的防水性，能有效防止加固層與原構件接觸面的泛堿、碳化等，防止加固失效。

5 結束語

鋼絲繩加固效果顯著，承載能力提高較大，造價經濟、合理，并有成熟的施工技術及配套施工產品做支持，具有廣泛的應用前景，希望在大量應用實踐中總結經驗，使這種加固技術更加優化，在橋梁加固領域發揮它的優勢與作用。

參考文獻：及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[1]中交公路規劃設計院.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土