高強(qiáng)鋼絲繩聚合物砂漿加固橋梁設(shè)計(jì)施工研究

羅向榮

(北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100067)

我國(guó)自20世紀(jì)80年代起建造了大量的中小跨徑梁板式橋梁，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)營(yíng)，很多橋梁出現(xiàn)了不同程度的病害。目前應(yīng)用較多的加固方法有增大截面加固、體外預(yù)應(yīng)力加固、粘貼鋼板加固、外貼碳纖維布加固等。除體外預(yù)應(yīng)力加固法外，其余多為被動(dòng)加固方法，后加的材料在原結(jié)構(gòu)物應(yīng)變和應(yīng)力現(xiàn)有基礎(chǔ)上再增加時(shí)才能起到遏制的作用，加固效果較差。體外預(yù)應(yīng)力加固法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)加固的理念，但長(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)物體外的鋼材防腐費(fèi)用很高。目前，應(yīng)用高強(qiáng)鋼絲繩給結(jié)構(gòu)物施加預(yù)應(yīng)力，外側(cè)包裹聚合物砂漿防腐的加固方法作為一種既能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)加固，又能降低加固成本，解決后期防腐問題的加固方法越來(lái)越受到市場(chǎng)青睞，雖已有一些研究成果，但還不能充分滿足工程要求，本文以庫(kù)竹大橋?yàn)橐劳泄こ踢M(jìn)一步研究了該加固方法在工程應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問題及解決辦法。

1 工程概況

庫(kù)竹大橋全長(zhǎng)418.44 m，橋?qū)?2.50 m，橋跨組合為(4×16+10×30+3×16)m。上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支T梁，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車—20級(jí)，掛—100。引橋16 m T梁梁體出現(xiàn)多條斜向、豎向裂縫，縫寬介于0.15 mm～0.42 mm，腹板兩側(cè)裂縫均對(duì)稱出現(xiàn)，裂縫分布見圖1。

對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面有限元分析，計(jì)算結(jié)果見表1，在原設(shè)計(jì)荷載最不利組合作用下，中板跨中抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求，邊板跨中抗彎承載能力承載潛力不足。

表1 T梁跨中正截面抗彎強(qiáng)度 kN·m

2 抗彎加固設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算分析

采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩對(duì)梁、板構(gòu)件進(jìn)行受彎加固承載力計(jì)算，鋼絲繩與鋼筋、混凝土有良好的變形協(xié)調(diào)，符合平截面假定，在確定構(gòu)件極限承載力時(shí)，可以用鋼絲繩抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

1)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁的正截面抗彎承載力計(jì)算圖式［1］見圖2。

2)正截面抗彎承載力按下列公式計(jì)算:

a.矩形截面或中性軸位于T形或I形截面翼板內(nèi)(x≤hf')。由平衡條件得:

b.T形或I形截面且中性軸位于截面腹板內(nèi)(x＞hf')。

為確保加固后的混凝土梁仍為塑性破壞，上述公式中的截面受壓區(qū)高度x應(yīng)滿足下列條件:

其中，σpu，e為當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限抗彎承載能力時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲繩(鋼絞線)的極限應(yīng)力計(jì)算值;Ap，e為預(yù)應(yīng)力鋼絲繩(鋼絞線)的截面面積。

式中其他符號(hào)意義詳見參考文獻(xiàn)［1］。

2.2 計(jì)算實(shí)例

本橋加固采用鋼絲繩公稱直徑4.0 mm，公稱面積9.55 mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 670 MPa，彈性模量Ep=1.3×105MPa。張拉控制應(yīng)力σk=835 MPa。在T梁腹板底面及側(cè)面各布置兩層共21根高強(qiáng)鋼絲繩，取中板跨中截面驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 加固后T梁跨中正截面抗彎強(qiáng)度

在原設(shè)計(jì)荷載最不利組合作用下，加固后中板跨中抗彎承載能力提高21%，抗彎加固效果顯著。

3 加固施工

3.1 材料選擇

1)高強(qiáng)鋼絲繩。加固用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩應(yīng)選用高強(qiáng)、低松弛、高延性的預(yù)應(yīng)力專用鋼絲繩。鋼絲繩直徑不宜太大，避免一次張拉力過(guò)大，施工操作困難。在鍍鋅、不銹鋼鋼絲繩選擇上，鍍鋅鋼絲繩的耐腐蝕性較不銹鋼鋼絲繩略遜一籌，但鍍鋅鋼絲繩的強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率都比不銹鋼鋼絲繩高，考慮到預(yù)應(yīng)力鋼絲繩延性的重要性，選用A級(jí)熱鍍鋅鋼絲繩。

2)聚合物砂漿。對(duì)重要構(gòu)件的加固，應(yīng)選用改性環(huán)氧類聚合物砂漿，對(duì)一般構(gòu)件的加固，可選用改性環(huán)氧類聚合物砂漿或改性丙烯酸酯共聚物乳液配制的聚合物砂漿［2］。由于改性環(huán)氧類聚合物砂漿價(jià)格高［3］，因此目前在建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)加固中用的較少，主要還是應(yīng)用改性丙烯酸酯共聚物乳液配制的聚合物砂漿。

由于砂漿厚度較薄，砂漿抗壓強(qiáng)度過(guò)高，加固施工完成后，在活荷載反復(fù)作用下，砂漿易產(chǎn)生裂縫。經(jīng)反復(fù)研究，橋梁加固上采用的聚合物砂漿，其抗壓強(qiáng)度在40 MPa～45 MPa時(shí)，抗裂性比較好;與橋梁構(gòu)件表面張拉粘結(jié)強(qiáng)度不低于2.0 MPa。

3)錨具系統(tǒng)。擠壓錨頭采用鋁合金材料制作套筒，具有較高的延性、擠壓性能，能夠滿足單根鋼絲繩端部可靠錨固的要求，保證鋼絲繩不因錨頭部位滑移破壞。擠壓預(yù)應(yīng)力鋼絲繩錨具根據(jù)鋼絲繩直徑及加固量確定開孔尺寸及開孔間距。

3.2 施工工藝［4］

1)錨具固定。錨具焊接時(shí)，應(yīng)在焊接部位開槽，保證焊接強(qiáng)度。錨具及鋼板的焊接需采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，以避免鋼板及錨具在焊接過(guò)程中受熱變形。

2)鋼絲繩張拉與錨固。在一側(cè)鋼絲繩的一端可直接穿入錨具，另一端由專門的張拉器進(jìn)行張拉并錨固。為減小鋼絲繩的松弛對(duì)有效預(yù)應(yīng)力的影響，施工中要求在涂抹砂漿前(第一次張拉完48 h以后)再?gòu)埨淮?，并通過(guò)其外側(cè)涂抹砂漿進(jìn)行錨固、防護(hù)，可進(jìn)一步減少松弛的發(fā)生。

3)鋼絲繩砂漿防護(hù)。在鋼絲繩外側(cè)涂抹高性能聚合物砂漿，該砂漿也能共同參與錨固鋼絲繩受力，減輕錨具壓力，減少預(yù)應(yīng)力筋的松弛等。砂漿防護(hù)施工時(shí)，應(yīng)分層涂抹，以保證工程質(zhì)量。

4 荷載試驗(yàn)驗(yàn)證

1)撓度。加固前最大撓度4.47 mm、加固后為4.39 mm，加固后最大撓度值較加固前減小1.8%(見圖3)，說(shuō)明橋梁的剛度提高有限。

2)應(yīng)變?？缰辛旱鬃畲髲椥岳瓚?yīng)變值加固前為425.8 με、加固后為275.3 με，加固后拉應(yīng)變顯著減小(見圖4)，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗裂性有明顯提高，加固效果比較明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩、聚合物砂漿外加層進(jìn)行鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)抗彎加固，既實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)加固的理念，又降低了加固成本，避免了體外預(yù)應(yīng)力防腐的問題，加固效果良好，逐漸被廣泛采納。應(yīng)用該技術(shù)應(yīng)重視理論分析，通過(guò)計(jì)算確定合理的鋼絲繩根數(shù)、長(zhǎng)度及張拉力。在加固材料選擇上應(yīng)性能與經(jīng)濟(jì)兼顧。建議對(duì)鋼絲繩應(yīng)用規(guī)格、錨具型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

［1］JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］廣東省交通工程造價(jià)管理站.廣東省公路養(yǎng)護(hù)工程預(yù)算定額［Z］.2003.

［4］JTG/T J23-2008，公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范［S］.