HTRCS及粘貼鋼板加固橋梁效果對比分析

邊菁生， 伏 鑫， 余 取， 肖圖剛， 蒲黔輝

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著我國交通事業的迅猛發展，橋梁公路里程不斷增加，據統計[1]，至2016年底，我國公路總里程達到469.63×104km，公路橋梁80.53萬座、4 916.97×104m，其中特大橋梁4 257座、753.54×104m，大橋86 178座、2 251.50×104m，但隨著交通量激增，不少空心板橋出現病害，危害人車通行安全。因此，如何快速有效地對橋梁進行加固，提高承載能力和剛度已經成為我國橋梁事業發展的重點。

超強高韌性樹脂鋼絲網混凝土(High Toughness Resin Concrete with Steel Mesh，簡稱HTRCS)是一種以鋼筋網作為增韌體，環氧樹脂灌漿料作為基體組成的薄層結構，具有粘結性強、抗拉強度高、極限拉應變較高、硬化速度快、流動性強等優點。HTRCS加固的有效性已在室內模型試驗中得到基本驗證[2-4]，但其在橋梁實際加固中應用較少，且相對于我國常用的加固方法，HTRCS加固效果的相關研究報道較少。本文以某空心板梁橋為例，對采用粘貼鋼板和HTRCS加固的梁體進行加固效果對比分析，以期對今后加固工程提供有益參考。

1 試驗橋梁概況

某空心板梁橋位于成都市青龍場西側，成橋于1997年，上部結構采用4×20 m部分預應力混凝土連續空心板，梁高1.0 m，梁寬8.0 m，箱形截面懸臂1.0 m，梁體采用C40混凝土，橋面鋪裝為8 cm厚C30鋼纖維混凝土。橋梁設計荷載為汽超-20、掛-120。該橋在長時間的荷載作用下結構呈現出梁底板開裂、混凝土破損、露筋等病害癥狀，經檢測評估后，對其第1～2跨、第3～4跨分別采用HTRCS加固法及粘貼鋼板法進行加固補強。橋型布置如圖1及圖2所示。

圖1 橋梁立面(單位：cm)

(圖中括號內表示橋跨端部附近尺寸)圖2 橋梁橫截面(單位：cm)

2 加固維修方案

2.1 加固材料主要性能

(1)HTRCS的主要技術指標如下。

環氧樹脂灌漿料軸心抗壓強度≥90 MPa，彈性模量為19.65 GPa；鋼絲網抗拉強度為600 MPa，彈性模量為200 GPa。

(2)鋼板采用Q235，膠粘劑采用改性環氧樹脂膠，螺栓直徑為20 mm。

2.2 加固方案

按照承載能力提高30 %設計加固方案[5-6]，且滿足橋梁設計荷載等級，HTRCS及鋼板加固方案(圖3)如下：

(1)在主梁跨中10 m范圍內，梁體底部外包4 cm厚的HTRCS復合材料，其中加固鋼絲網采用編織型鋼絲網，鋼絲直徑為4 mm，網格縱向間距為10 mm，橫向間距為20 mm。

(2)鋼板布置在梁底板梁肋處，每跨7條。每塊鋼板尺寸1 600 mm×250 mm×8 mm，采用對接焊接方式連接伸長，將鋼板粘貼在混凝土上的同時用螺栓予以錨固。

(a)HTRCS加固示意

(b)粘貼鋼板加固示意圖3 橋梁加固示意(單位：cm)

2.3 施工工藝

粘貼鋼板加固施工工藝流程在國內已日趨完善，本文不再贅述。HTRCS加固流程如下：

(1)鑿除梁底部碳化混凝土，并將混凝土構件表面殘缺、破損部分剔鑿清除干凈，達到梁結構密實部位。清洗混凝土表面，保證其充分干燥。

(2)在梁底置入膨脹螺栓，對鋼絲網進行安裝及定位。

(3)搭設HTRCS澆筑模板。模板間縫隙應使用密封膠進行密閉處理，保證模板處于一個封閉狀態，避免出現漏漿情況。模板表面應涂抹脫模劑，方便脫模。

(4)攪拌環氧樹脂灌漿料，并確保其攪拌均勻，采用泵送或高位方式進行澆筑。澆筑施工時需在梁體側面設置澆注口，以防止環氧樹脂灌漿料澆筑不均勻。

(5)澆筑24 h固化后，拆除模板。

3 靜載試驗

采用Midas Civil有限元軟件建立該橋主梁有限元模型，建模時主要考慮了結構的質量、剛度及邊界條件，使有限元模型盡可能與實際橋梁結構接近。依據有限元模型，確定第一至四跨最不利工況位置依次為A-A截面至D-D截面，并根據橋梁設計荷載確定控制截面的計算彎矩。試驗采用2輛重車加載，載重汽車重500 kN，軸距為3.85 m+1.35 m，加載車輛均為最大彎矩橫向對稱加載，以確保試驗荷載效率在0.95～1.05之間[7]，加載截面如圖4所示，試驗計算彎矩、試驗彎矩及荷載系數如表1所示。

圖4 加載截面圖及撓度測點位置(單位：cm)

為了保證加固前后截面應力狀況能夠測試準確，除了每個測試截面梁底板上布置6個混凝土應變測點外，還選取梁底底層鋼筋布置6個鋼筋應變測點，同時應變測點的布置避開了加固材料，各個測試斷面應變測點由左向右依次編號為1#～6#；試驗跨L/4、2L/4、3L/4處梁體底部各布置2個撓度測點，依次編號為1#～2#。試驗測點布置如圖5所示。

4 試驗結果及分析

4.1 試驗撓度分析

各工況撓度測點實測值與理論值如表2、表3所示。從靜載試驗結果可知，A-A工況加固前后跨中撓度由3.22 mm下降至2.44 mm，降低了24.22 %，B-B工況加固前后跨中撓度由2.89 mm下降至2.18 mm，降低了24.57%， C-C工況加固前后跨中撓度由2.71 mm下降至2.29 mm，降低了15.50 %，D-D工況加固前后跨中撓度由3.36 mm下降至2.26 mm，降低了32.74 %，說明HTRCS加固及粘貼鋼板加固均可，可有效降低梁體變形，提高梁體剛度。從D-D工況的剛度提高看，粘貼鋼板優于HTRCS；但從各工況剛度提高對比可知，粘貼鋼板加固易受施工因素影響其加固效果，HTRCS整體剛度調高優于粘貼鋼板加固。

表1 各工況計算彎矩、試驗彎矩及荷載效率系數

(a)混凝土應變測點

(b)鋼筋應變測點

(c)撓度測點圖5 試驗測點布置示意(單位:cm)

表2 加固前后各工況撓度實測值與理論值

備注：1.豎向撓度向下為負，向上為正；2.表中“—”表示測點失；3.因篇幅限制，僅選取試驗工況所在跨撓度進行分析。

表3 加固前后各測點應變實測值數據對比

4.2 試驗應變分析

由于橋跨結構存在大量裂縫，混凝土的理論應變為開裂截面計算值，處于裂縫之間的混凝土表面應變校驗系數較低，僅作測試參考。由A-A、B-B工況結果可知，HTRCS加固后梁底混凝土應變并未下降，比加固前提高了63.89 %～80.56 %。經分析發現，加固前混凝土應變片多處于梁體結構裂縫之間，應變測試值遠小于混凝土實際應變；加固后由于HTRCS復合材料與原有混凝土結構粘結形成共同受力截面，應變測試值較加固前增大。

A-A工況、B-B工況加固前后鋼筋平均應變分別降低了42.49 %、36.47 %，C-C工況、D-D工況加固前后鋼筋平均應變分別降低了13.03 %、48.92 %，HTRCS及粘貼鋼板加固均有效地降低了鋼筋應力水平。

5 結論

(1)采用HTRCS加固后比加固前跨中撓度測值降低24.22 %～24.57 %，鋼筋應力測值降低36.47 %～42.49 %，采用粘貼鋼板加固后比加固前跨中撓度測值降低15.50 %～ 32.74 %，鋼筋應力測值降低13.03 %～48.92 %，說明HTRCS及粘貼鋼板加固均能有效降低跨中撓度及鋼筋應力水平，提高橋跨結構的承載能力和剛度。

(2)因施工因素等對粘貼鋼板加固效果的影響較大，從橋跨整體加固效果看，HTRCS加固優于粘貼鋼板加固。