预应力混凝土连续刚构桥粘贴钢板加固效果研究

随着我国交通运输事业的发展，运输车辆重量不断增加，桥梁设计荷载等级不断提高。从 1985 年至 2015 年，公路桥梁设计荷载提高了 2 次。许多桥梁还远远未到设计使用年限就已经不能满足现行设计荷载的要求了，这些桥梁要么拆除重建要么加固利用。拆除重建不仅工期长，而且造成严重的浪费；加固利用工期短、成本低，无疑是更好的选择。目前桥梁加固的主要方法有[1-6] ：(1)增大截面法；(2) 粘贴钢板法；(3) 粘贴碳纤维法；(4) 体外预应力加固法。

粘贴钢板法进行旧桥结构补强和加固改造能充分利用原结构，并用粘贴钢板代替植筋，工艺简单，节省改造成本，增强原桥梁结构承载力。在梁底通过涂抹黏结剂或增设锚固螺栓，从而将钢板牢固粘贴在桥梁结构受拉部位，增强结构整体受力性能 [5]。粘贴钢板加固法能够使桥梁构件薄弱部分与存在缺陷的部分得到改善、构件的裂缝扩展得到抑制。结合某预应力混凝土连续刚构桥改造提升工程，分别在粘贴钢板加固前后进行了静载试验，总结了加固效果。

1 工程概况

某预应力混凝土连续刚构桥跨径布置为 4×25m 一联，全桥共 50 联，桥面宽度 11.25m，横向布置为 0.5m 防撞墙 +10.25m 行车道 +0.5m 防撞墙，上部结构为预应力混凝土连续箱梁，下部结构为薄壁墩，墩梁固结；主梁及固结墩采用 40# 混凝土，预应力钢材标准强度为 1860MPa，张拉控制应力为 1339.2MPa，原设计荷载等级为汽车 - 超 20 级。运营 10 余年后，个别联主梁底板跨中附近出现了横向裂缝，其中第二十联第 3 跨横向裂缝较多，最大宽度为 0.48mm ，并向腹板延伸。现桥梁已经进行限载，有关部门拟对该桥梁进行加固并改造提升至满足现行规范（《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015）要求。

2 加固前承载能力检算及静载试验

2.1 承载能力检算

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011），计算桥梁是否满足原设计要求。主梁顶板宽 11.05m，底板宽 5.6m，高 1.35m，箱梁为单箱四室，斜腹板，箱室为圆形。依据设计资料建立有限元模型，主梁和墩柱采用40# 混凝土，预应力钢材标准强度为 1860MPa，张拉控制应力为 1339.2MPa，普通钢筋采用 HRB400 和 HPB300。采用有限元计算软件桥梁博士进行建模计算。为验证正截面强度是否满足《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）（以下简称 15 规范）要求，计算结构承载能力和 15 规范设计基本组合效应，计算结果见表1。

表1 加固前正截面强度验算表

从计算结果表 1 可知，第 3 跨跨中原设计基本组合效应和 15 规范组合效应均大于承载能力，说明第 3 跨正截面抗弯承载能力不满足原设计要求，也不满足15 规范要求，其余跨正截面强度均满足原设计和15 规范要求。

2.2 静载试验

为进一步验证桥梁实际承载能力，选取底板横向裂缝较多的第二十联进行静载试验，检验第二十联第 3 跨跨中在相当于原设计荷载作用的实际受力状况（刚度、强度和裂缝发展），通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，对桥梁结构做出总体评价，验证结构的整体工作性能。第二十联第3 跨跨中为控制截面。

静载试验结果表明第二十联第 3 跨应变和挠度检验系数均大于 1，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）（以下简称《承载能力规程》）要求；第二十联第 3 跨裂缝宽度最大增量 0.231mm ，相对残余最大为8.7%，卸载后几乎恢复至初始值，表明桥梁结构基本处于弹性工作状态。

3 加固设计及加固后静载试验

3.1 加固设计

验算结果表明第二十联第 3 跨承载能力不满足 15 规范要求，静载试验结果表明应变和挠度校验系数均大于 1，说明桥梁结构强度和刚度均不满足《承载能力规程》规范要求。为提高桥梁结构承载能力，加固方法可采用体外预应力法、增大截面积法、粘贴钢板法；为提高桥梁结构强度和刚度，加固方法可采用增大截面积法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法；综合考虑，本桥可采用增大截面积法、粘贴钢板法，增大截面积法可提高桥梁结构承载能力和提高结构刚度，同时也会增加结构自重；粘贴钢板法可高桥梁结构承载能力和结构刚度，且结构自重增加较小，几乎没有影响；综合考虑，粘贴钢板法最适合本项目。

设计采用粘贴钢板法加固，钢板厚度 10mm ，宽 100mm ，钢板间净距 200mm 。计算结果表明加固后的理论承载能力是加固前的 1.17 倍，粘贴钢板法加固在理论上满足《承载能力规程》要求。

3.2 加固后静载试验

为检验加固效果及加固后桥梁结构实际受力状况（刚度、强度和裂缝发展），对加固后的桥梁进行静载试验，控制截面、应变和挠度测点布置同加固前。

本次试验采用 4 辆总重 50t 的四轴汽车进行加载，试验荷载作用下，控制截面的弯矩效应为 4431 kN*m，15 规范设计荷载作用下的弯矩效应为 4302kN*m，加载效率为1.03，满足《公路桥梁荷载试验规程》要求。

加固后应变校验系数小于 1，满足《承载能力规程》要求；挠度校验系数仍大于1，不满足《承载能力规程》要求；裂缝宽度最大增量 0.061mm ，卸载后完全恢复，说明桥梁结构处于弹性工作状态。

4 加固前后静载试验结果对比

为检验加固效果，将结构前后静载试验结果进行对比，结果见表 2^～表 4，试验结果表明第二十联第 3 跨应变校验系数从加固前的 1.00^～1. .08 变为加固后的 .72，结构强度提高了约 30% ；挠度校验系数从加固前的 .34变为加固后的 1.06^～1.07 ，结构刚度提高了约 20% ；裂缝宽度最大增量从加固前的 0.231mm 变为加固后的 0.061mm ，裂缝变化明显减小。