用于古舊混凝土梁橋預(yù)應(yīng)力加固的電加熱技術(shù)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(jiān)測電加熱并錨固后鋼板對混凝土空心板梁產(chǎn)生的應(yīng)變和撓度值，并與理論值進行比較，然后對電加熱法在預(yù)應(yīng)力技術(shù)中應(yīng)用的可行性做總體評價。

2 錨固體系設(shè)計

該研究采用厚度為10mm的Q235B鋼板，經(jīng)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(shè)計見圖1。

圖1 端部錨固設(shè)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼板進行加熱，鋼板伸長量達(dá)到設(shè)計伸長量后停止加熱，將預(yù)應(yīng)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(chǎn)生收縮變形，通過錨固端對混凝土空心板引成體外預(yù)應(yīng)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(xué)螺栓、配套螺帽、結(jié)構(gòu)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(nèi)打化學(xué)螺栓孔，深度為11.5cm。（2）安裝預(yù)埋鋼板。植入M16化學(xué)螺栓，安裝預(yù)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(xué)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(cè)。（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(shè)備，利用支架或者支撐平臺托起加熱設(shè)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(nèi)容：跨中截面應(yīng)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(yīng)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(jiān)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(shè)計溫度差值。加熱后加固鋼板伸長量達(dá)設(shè)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(shè)計要求最大溫度差值并記錄讀數(shù)后，盡快拆除加熱帶，然后將測試鋼板用螺帽固定在預(yù)埋板下方，并用點焊固定螺帽與組合試件。監(jiān)測鋼板溫度值和各測點讀數(shù)，溫度每降低10℃測讀1次，溫度降至環(huán)境溫度后粘貼鋼板。

5 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗分三個階段：（1）加熱階段。加固鋼板加熱至設(shè)計溫差，隨著鋼板溫度上升，鋼板長度隨之增加，監(jiān)測鋼板溫度和伸長量。（2）施加預(yù)應(yīng)力階段。加固鋼板錨固結(jié)束至鋼板冷卻到環(huán)境溫度，隨鋼板溫度下降，鋼板產(chǎn)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(yù)應(yīng)力，監(jiān)測混凝土空心板梁應(yīng)變和撓度。（3）黏結(jié)后階段。加固鋼板與空心板梁黏結(jié)后延續(xù)60d，鋼板松弛和混凝土徐變對預(yù)應(yīng)力影響，監(jiān)測空心板梁應(yīng)變和撓度改變量。

5.1 加熱及施加預(yù)應(yīng)力階段

監(jiān)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(yù)應(yīng)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(chǎn)生了向上撓度，說明加固鋼板對空心板梁產(chǎn)生了體外預(yù)應(yīng)力作用。②最大實測撓度與理論計算值的比較：根據(jù)鋼板伸長量，可以計算出鋼板施加于空心板梁上的負(fù)彎矩，此負(fù)彎矩對空心板梁會產(chǎn)生向上的撓度效應(yīng)。

圖2 撓度變化

（2）應(yīng)力應(yīng)變。①實測應(yīng)變：施加預(yù)應(yīng)力階段1#～3#梁實測應(yīng)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(yīng)變發(fā)生了變化。說明加固鋼板對空心板梁產(chǎn)生了體外預(yù)應(yīng)力作用。②實測應(yīng)力與理論計算值的比較：根據(jù)鋼板伸長量，可以計算鋼板施加于空心板梁上負(fù)彎矩，負(fù)彎矩對空心板梁產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng)。

圖3 應(yīng)變變化

5.2 黏結(jié)后階段

（1）撓度。①黏結(jié)后階段1#～3#梁撓度變化見圖4。由圖4可知，鋼板黏結(jié)后，預(yù)應(yīng)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(wěn)，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(yīng)力應(yīng)變。黏結(jié)后階段1#～3#梁應(yīng)變見圖5。從圖5曲線走勢，得到如下結(jié)論：①鋼板黏結(jié)后，預(yù)應(yīng)力對混凝土的徐變作用會使空心板梁的內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化。②應(yīng)變變化曲線基本從15d后趨于平穩(wěn)。說明應(yīng)變先于撓度趨于平衡。

圖5 應(yīng)變隨時間變化

6 結(jié)論

通過此次試驗，可以得到以下結(jié)論：在預(yù)加應(yīng)力階段，加固鋼板在加熱結(jié)束并兩端錨固后，隨著溫度的降低，混凝土空心板梁逐步產(chǎn)生了向上的撓度，空心板梁上、下緣混凝土應(yīng)力發(fā)生了改變，說明加固鋼板對空心板梁產(chǎn)生了體外預(yù)應(yīng)力作用。這證明采用電加熱、端錨固預(yù)應(yīng)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(dǎo)今后橋梁板加固，恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載力具有重要的借鑒價值。