用于古舊混凝土梁橋預應力加固的電加熱技術研究

殷樹芳，孟繁偉

1.巖土科技股份有限公司，浙江 杭州 311400

2.中國土木工程集團有限公司，北京 100038

1 研究目的

通過對三組空心板梁進行加固試驗，首先監測電加熱并錨固后鋼板對混凝土空心板梁產生的應變和撓度值，并與理論值進行比較，然后對電加熱法在預應力技術中應用的可行性做總體評價。

2 錨固體系設計

該研究采用厚度為10mm的Q235B鋼板，經冷拉處理后，抗拉強度按抗拉強度增加30%考慮，即f=215×1.3=280N/mm2。端部錨固設計見圖1。

圖1 端部錨固設計示意圖（單位：cm）

3 理論控制溫度

取冷拉鋼板長度為6m，鋼板的屈服強度為345MPa，熱膨脹系數為1.2×10-5。實驗分三組進行，三組試驗中鋼板冷卻后受到拉應力分別為其屈服強度0.7倍、0.8倍和0.9倍。計算得到三組實驗鋼板伸長量分別為6.0mm、6.9mm和7.8mm，與之對應的理論溫度升高值分別為101℃、115℃、129℃。

4 加固試驗實施

三組試驗分別在三塊混凝土空心板梁上進行，各組試驗鋼板加熱伸長量分別為6.0mm、6.9mm和7.8mm。試驗采用電加熱法對預應力鋼板進行加熱，鋼板伸長量達到設計伸長量后停止加熱，將預應力鋼板錨固在混凝土空心板底面，隨著鋼板溫度下降，鋼板產生收縮變形，通過錨固端對混凝土空心板引成體外預應力。

4.1 組合試件安裝

三組橡膠支座為簡支空心板梁，錨固材料包括鋼板帶、8.8級M16化學螺栓、配套螺帽、結構膠、植筋膠。具體安裝步驟如下：（1）梁底開槽打孔。梁板底面兩端開鑿容納尺寸為50cm×34cm的鋼板槽，深度為1cm。開槽范圍內打化學螺栓孔，深度為11.5cm。（2）安裝預埋鋼板。植入M16化學螺栓，安裝預埋鋼板，灌膠錨固。（3）翼板和加固鋼板開孔。測量埋鋼板上M16化學螺栓位置，翼板和加固鋼板上開孔。（4）焊接組合件。翼板坡口焊分別焊接在測試鋼板兩側。（5）臨時固定組合試件。

4.2 加熱帶安裝

加熱帶由加熱電阻絲盒和保溫蓋組成，加熱電阻絲盒置于鋼板底面。臨時固定組合試件，安裝加熱設備，利用支架或者支撐平臺托起加熱設備，將測試鋼板放入加熱腔，與加熱電阻絲加熱面接觸，對加固鋼板進行加熱并保溫，蓋上保溫蓋。

4.3 測點布置與測量方法

試驗梁為簡支梁。（1）測試截面：跨中截面、支點面；（2）測試內容：跨中截面應變和撓度、支點撓度；（3）測試精度：百分表0.01mm，千分表0.001mm。兩個支座附近截面、跨中截面和組合件端部安裝百分表，測量支座處沉降、跨中撓度和鋼板伸長量。梁跨中截面上、下緣安裝梁千分表引伸儀，測量梁跨中截面的應變。

4.4 電加熱

開始加熱前，檢查儀表是否正常，進入電加熱程序。接上加熱帶并打開電源，監測記錄溫度變化量與鋼板伸長量，溫度每升高10℃測讀1次鋼板伸長量，直至加熱到設計溫度差值。加熱后加固鋼板伸長量達設計要求后，記錄最終溫度值，再次測讀鋼板伸長量。

4.5 撤除加熱帶并端部錨固

加熱到設計要求最大溫度差值并記錄讀數后，盡快拆除加熱帶，然后將測試鋼板用螺帽固定在預埋板下方，并用點焊固定螺帽與組合試件。監測鋼板溫度值和各測點讀數，溫度每降低10℃測讀1次，溫度降至環境溫度后粘貼鋼板。

5 試驗數據分析

試驗分三個階段：（1）加熱階段。加固鋼板加熱至設計溫差，隨著鋼板溫度上升，鋼板長度隨之增加，監測鋼板溫度和伸長量。（2）施加預應力階段。加固鋼板錨固結束至鋼板冷卻到環境溫度，隨鋼板溫度下降，鋼板產生收縮變形。受到錨固約束，加固鋼板逐步向空心板梁施加預應力，監測混凝土空心板梁應變和撓度。（3）黏結后階段。加固鋼板與空心板梁黏結后延續60d，鋼板松弛和混凝土徐變對預應力影響，監測空心板梁應變和撓度改變量。

5.1 加熱及施加預應力階段

監測加固鋼板長度隨溫度升高伸長。實測1#～3#鋼伸長量分別為6.42mm、6.91mm和5.71mm。

（1）撓度。①實測撓度曲線：施加預應力階段1#～3#梁撓度變化（見圖2），加固鋼板在兩端錨固后，隨著溫度的降低，混凝土空心板梁逐步產生了向上撓度，說明加固鋼板對空心板梁產生了體外預應力作用。②最大實測撓度與理論計算值的比較：根據鋼板伸長量，可以計算出鋼板施加于空心板梁上的負彎矩，此負彎矩對空心板梁會產生向上的撓度效應。

圖2 撓度變化

（2）應力應變。①實測應變：施加預應力階段1#～3#梁實測應變（見圖3）。與撓度曲線類似，鋼板在兩端錨固后，隨著溫度的降低，混凝土空心板梁上、下緣的應變發生了變化。說明加固鋼板對空心板梁產生了體外預應力作用。②實測應力與理論計算值的比較：根據鋼板伸長量，可以計算鋼板施加于空心板梁上負彎矩，負彎矩對空心板梁產生應力效應。

圖3 應變變化

5.2 黏結后階段

（1）撓度。①黏結后階段1#～3#梁撓度變化見圖4。由圖4可知，鋼板黏結后，預應力對混凝土的徐變作用會使空心板梁的上拱撓度增加。②基本從30d后趨于平穩，說明30d后混凝土徐變作用減小。

圖4 實測撓度隨時間變化

（2）應力應變。黏結后階段1#～3#梁應變見圖5。從圖5曲線走勢，得到如下結論：①鋼板黏結后，預應力對混凝土的徐變作用會使空心板梁的內部應力發生變化。②應變變化曲線基本從15d后趨于平穩。說明應變先于撓度趨于平衡。

圖5 應變隨時間變化

6 結論

通過此次試驗，可以得到以下結論：在預加應力階段，加固鋼板在加熱結束并兩端錨固后，隨著溫度的降低，混凝土空心板梁逐步產生了向上的撓度，空心板梁上、下緣混凝土應力發生了改變，說明加固鋼板對空心板梁產生了體外預應力作用。這證明采用電加熱、端錨固預應力鋼板加固方法是可行的，對梁板加固起到了很好的效果，對指導今后橋梁板加固，恢復結構承載力具有重要的借鑒價值。