先張預(yù)應(yīng)力混凝土開裂板梁加固試驗研究

□文 /馬愛靜

先張預(yù)應(yīng)力混凝土開裂板梁加固試驗研究

□文 /馬愛靜

混凝土空心板梁橋是目前我國普通公路和高速公路采用最多的一種橋型。由于設(shè)計、施工、養(yǎng)護、運營等方面的原因，預(yù)應(yīng)力空心板梁橋的開裂問題在我國高速公路橋梁中普遍存在，病害橋梁加固技術(shù)的研究尤為迫切。碳纖維板、鋼板加固法是我國常用的橋梁加固方法。文章以潮白河大橋14m先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁為例，從加固原理、施工方法難易程度、加固效果等方面對兩種加固方法進行了綜合研究。

加固；先張預(yù)應(yīng)力；混凝土；開裂；板梁

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國公路橋梁建設(shè)規(guī)模和速度迅猛發(fā)展。混凝土空心板梁橋由于構(gòu)造簡單、受力明確且具有高度小、自重輕、纖細(xì)美觀等特點在公路橋梁得到非常廣泛的應(yīng)用。

然而混凝土空心板梁橋由于初期設(shè)計不周、施工質(zhì)量不高以及后期材料退化、養(yǎng)護不利、超載等原因，在運營過程中出現(xiàn)了不少影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的病害，影響橋梁使用功能，亟待維修加固。

1 常用橋梁加固方法

鋼板、碳纖維板加固法由于技術(shù)先進、施工周期短、工藝簡便等原因，在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 鋼板加固法

粘貼鋼板加固法就是在混凝土構(gòu)件表面用特制的結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，以提高構(gòu)件承載能力及耐久性等功能的一種結(jié)構(gòu)加固方法。

采用錨栓及粘貼劑，將鋼板錨固并粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)邊緣或薄弱部位，使鋼板與橋梁結(jié)構(gòu)成為整體，形成一個由混凝土、粘結(jié)劑及鋼板組成的復(fù)合系統(tǒng)以共同受力，達到提高橋梁承載力的目的。

這種加固方法具有不需要破壞被加固的原結(jié)構(gòu)的尺寸、施工工藝簡單、施工質(zhì)量較容易控制、施工工期短等特點。

1.2 碳纖維板加固法

碳纖維板是將碳纖維浸漬樹脂后在模具內(nèi)固化并連續(xù)拉擠成型，厚度為1～1.6mm，寬度為50～100mm，長度不限。碳纖維板抗拉強度為2800N/mm2，彈性模量為165000N/mm2，與鋼材相比，具有強度高、重量輕、耐腐蝕、施工簡便等優(yōu)點，在土木工程中具有極高的開發(fā)應(yīng)用價值。

碳纖維板加固法是用粘結(jié)劑把碳纖維板粘貼在混凝土構(gòu)件受力部位，和基體疊合為一體，從而達到加固目的的一種施工方法。該方法通常用在混凝土橋面板、橋墩、梁、柱、煙囪以及隧道襯砌等構(gòu)件的抗彎補強、抗剪補強以及防止混凝土開裂、剝落等工程中。與鋼板加固法和增厚加固法相比，碳纖維板加固法具有強度高、重量輕、易于施工、耐久性好等優(yōu)良特性，可用于條件嚴(yán)酷、場地狹窄混凝土結(jié)構(gòu)的維修、加固工程中。

2 工程實例

潮白河大橋天津至寶坻方向（下行）橋梁，其上部結(jié)構(gòu)為14m先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，梁高65cm。通過定期檢測，發(fā)現(xiàn)這些橋梁存在不同程度的梁端開裂現(xiàn)象。分別用碳纖維板、鋼板對開裂板梁進行加固，通過加載試驗對加固梁體與未加固梁體的受力性能進行研究。

2.1 試驗梁

選擇3片開裂的先張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁為研究對象。3片試驗梁底面一端均具有通長橫向裂縫，開裂位置距梁端1.1～1.5m，底板裂縫寬度分別為0.20、0.22、0.22mm，腹板裂縫寬度分別為 0.1、0.09、0.12 mm；而另外一端完好無病害且該梁體無縱向裂縫等其他病害。

將3片板梁進行編號，分別編為1#梁、2#梁、3#梁。梁體未開裂一端記為A端，已開裂的一端記為B端，見圖1。

圖1 梁體裂縫位置

2.2 板梁加固

根據(jù)JTG/TJ22—2008《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》及試驗?zāi)康模瑢?#板梁進行碳纖維板加固，對3#板梁進行鋼板加固。具體加固尺寸及位置見圖2。

圖2 板梁加固

2.3 試驗內(nèi)容

以梁端支點截面為控制截面，以腹板裂縫寬度、梁體撓度為研究對象,對板梁進行加載試驗。加載采用尺寸為1.3m×0.6m×0.3m的鋼砝碼塊（單塊重 19.6kN），逐級加載，直至梁體破壞。

試驗過程中觀察梁體原有裂縫的變化情況和有無新增裂縫產(chǎn)生。記錄裂縫寬度、長度等情況。同時每級加載后對梁體撓度進行測試記錄，當(dāng)出現(xiàn)受壓區(qū)頂面混凝土壓碎、預(yù)應(yīng)力鋼筋拔出、裂縫寬度變化等狀況時，應(yīng)停止加載。分級加載情況見圖3。

圖3 分級加載

2.4 試驗結(jié)果及分析

2.4.1裂縫試驗結(jié)果及分析

1）原有裂縫。1#梁在支點剪力值為0～198.02kN時，原有裂縫寬度大體呈線性變化，當(dāng)支點剪力值達到214.62kN時，裂縫寬度急劇變化，當(dāng)達到306.48kN時，腹板裂縫寬度為2.10mm且加載過程中有新增裂縫產(chǎn)生。

2#梁原有裂縫寬度及長度隨著荷載的增加不斷增加，當(dāng)支點剪力值為361.71kN時，碳纖維板粘結(jié)處發(fā)出響聲，開始失效。當(dāng)支點剪力值達到388.03kN時，碳纖維板梁端錨固區(qū)剝離破壞，裂縫寬度發(fā)生急劇變化。

隨著荷載的增加，3#梁原有裂縫寬度及長度不斷增加，當(dāng)支點剪力值為412.64kN時，裂縫寬度發(fā)生急劇變化。當(dāng)達到499.35kN，裂縫寬度為1.8mm。此時鋼板未破壞。見圖4。

圖4 原有裂縫變化曲線

2）最大裂縫。加載結(jié)束后，板梁均在距加載端1.5 m左右位置產(chǎn)生最大裂縫，2#板梁最大裂縫寬度為5.0 mm，3#板梁最大裂縫寬度為2.2mm。加載過程中最大裂縫的變化規(guī)律見圖5。

圖5 最大裂縫變化曲線

（1）隨著荷載的增加，1#梁在支點剪力值為214.62 kN后，裂縫寬度發(fā)生急劇變化，而2#梁、3#梁分別在支點剪力值為388.03kN、412.64kN后，裂縫寬度發(fā)生急劇變化；

（2）碳纖維板失效前，2#梁腹板原有裂縫最大寬度為0.70mm，較初始值變化了0.61mm，3#梁腹板原有裂縫最大寬度為1.1mm，較初始值變化了0.98mm。可見，碳纖維板加固對梁體裂縫具有更好地抑制作用。

（3）當(dāng)支點剪力值為388.03kN時，碳纖維板發(fā)生剝離破壞，裂縫發(fā)展迅速。加載結(jié)束后，2#梁腹板原有裂縫寬度為2.0mm，較初始值變化了1.91mm，腹板最大裂縫寬度為5.0mm。3#梁腹板原有裂縫寬度為1.80 mm，較初始值變化了1.68mm，加載結(jié)束后，腹板最大裂縫寬度為2.2mm?？梢?，碳纖維板失效后，對梁體裂縫無抑制作用。

（4）通過本試驗可以看出，碳纖維板加固板梁發(fā)生板端剝離破壞，而鋼板加固梁由于錨固原因，鋼板沒有發(fā)生破壞，但加載結(jié)束后部分錨栓拔出。

2.4.2撓度試驗結(jié)果及分析

對試驗梁的L/4、L/2、3L/4跨截面撓度進行觀測，加載初期，隨著加載值的增加，撓度不斷增大，當(dāng)加載到一定值時，撓度發(fā)生急劇變化并超出理論值。

加載結(jié)束后，試驗梁的支點、L/4、L/2、3L/4跨撓度實測值與理論值的關(guān)系見圖6。

圖6 撓度實測值與理論值對比曲線

1）碳纖維板失效前，碳纖維板加固較鋼板加固對撓度具有較好地抑制作用。碳纖維板失效后，撓度發(fā)展迅速。

2）加固板梁受力性能優(yōu)于未加固板梁。未加固板在支點剪力值達到246.1kN時撓度發(fā)生急劇變化，而碳纖維板、鋼板加固梁體分別在支點剪力值為388.03、361.71kN時撓度發(fā)生急劇變化。

3 結(jié)論

1）碳纖維板、鋼板對開裂梁體的裂縫、撓度發(fā)展具有很好地抑制作用，隨著荷載的增加，未加固梁體在較低荷載作用下，裂縫、撓度發(fā)生急劇變化，而加固梁體裂縫、撓度在較高荷載作用下發(fā)生急劇變化。

2）由于環(huán)境溫度、粘結(jié)劑質(zhì)量、施工質(zhì)量等原因，碳纖維板錨固效果不易控制；當(dāng)碳纖維板梁端錨固區(qū)剝離破壞，對梁體裂縫無抑制作用，裂縫發(fā)展迅速；此時鋼板未破壞。

3）在碳纖維板有效作用下，碳纖維板加固梁裂縫發(fā)展較慢。

[1]何佩軍.橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)[D].天津：天津大學(xué)，2004.

U445.7+2

C

1008-3197（2014）02-52-02

10.3969/j.issn.1008-3197.2014.02.021

2013-12-25

馬愛靜/女，1988年出生；碩士，天津市市政工程研究院，從事道路橋梁材料試驗檢測工作。