李嘉， 李有志， 江建

(1.深圳市天健坪山建設(shè)工程有限公司， 廣東 深圳 518118； 2.深圳市天健(集團(tuán))股份有限公司)

中國(guó)早年的橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)注重于材料的節(jié)省，造成橋梁結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較低，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，橋梁承載交通量和車輛載重顯著上升，此外，傳統(tǒng)材料耐久性的缺陷也造成運(yùn)營(yíng)橋梁正常老化，使得多年運(yùn)營(yíng)橋梁產(chǎn)生一定病害，近年來(lái)不斷出現(xiàn)的橋梁安全事故，更使人們意識(shí)到病害橋梁加固的嚴(yán)峻性與緊迫性。

隨著橋梁檢測(cè)技術(shù)不斷創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)了很多在役橋梁潛在的隱患。以深圳市為例，2018年公路橋涵定期檢測(cè)橋梁957座中，評(píng)定等級(jí)為C級(jí)及以下的有112座，占比約為11.7%。隨著現(xiàn)役橋梁的運(yùn)營(yíng)，將來(lái)會(huì)有更多的橋梁出現(xiàn)不同程度的病害。新建橋梁不僅投資巨大，對(duì)交通環(huán)境等也會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的影響，對(duì)病害橋梁進(jìn)行加固具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力加固方法

鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋是應(yīng)用最普遍的橋梁結(jié)構(gòu)，斷面形式有矩形、T形、I形、箱形以及不同形式的組合，早期采用現(xiàn)澆施工，現(xiàn)在多數(shù)采用預(yù)制裝配。

簡(jiǎn)支梁跨中彎矩最大，因此跨中附近梁底常產(chǎn)生由下而上的豎向彎曲裂縫，數(shù)量隨跨徑增大而增多，多年運(yùn)營(yíng)裂縫寬度有可能超過(guò)規(guī)范限制值，同時(shí)還可能伴有跨中撓度過(guò)大。

增大截面法加固適應(yīng)性強(qiáng)，施工工藝簡(jiǎn)單，具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于廠房、橋梁、碼頭等多種結(jié)構(gòu)，楊燁等將植筋技術(shù)用于新舊混凝土結(jié)合面，形成了改進(jìn)的加大截面加固法；劉利先等提出了一種增大截面法加固高溫?fù)p傷鋼筋混凝土梁極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

體外預(yù)應(yīng)力由于其主動(dòng)加固的特性在舊橋加固中具有特殊的意義，尤其是高強(qiáng)材料的使用使得既有橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、抗裂性能、剛度能夠得到提高和改善，并已得到工程的驗(yàn)證。但是該方法存在預(yù)應(yīng)力筋外露容易腐蝕的不足。

該文提出增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固法，該方法綜合增大截面法和體外應(yīng)力法優(yōu)勢(shì)，降低增大截面法截面增加高度，并且鋼絞線不易腐蝕，可同時(shí)保證結(jié)構(gòu)美觀。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)和制作

試驗(yàn)共制作兩個(gè)模型梁，一個(gè)采用增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絞線法加固，另一個(gè)不進(jìn)行加固作為對(duì)比。

混凝土梁模型長(zhǎng)5 400 mm，配筋和截面尺寸如圖1所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋保護(hù)層厚度均為65 mm，預(yù)應(yīng)力施加于受拉區(qū)的3根冷拉鋼筋上，控制應(yīng)力σcon=400 MPa，模型構(gòu)件于自然條件下養(yǎng)護(hù)。加固部分高200 mm，長(zhǎng)3 400 mm，原梁與加固梁通過(guò)鑿毛、植筋連接，預(yù)留3個(gè)鋼絞線孔道。

圖1 混凝土梁模型設(shè)計(jì)(單位：mm)

2.2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和施加

采用φ15.2 mm鋼絞線，鋼絞線的張拉控制應(yīng)力根據(jù)JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算確定，即σcon,e≤0.65fpk,e，預(yù)應(yīng)力損失按該規(guī)范規(guī)定計(jì)算。最終得出張拉應(yīng)力為875 MPa。

采用歐維姆YDC240Q型千斤頂，對(duì)每根鋼絞線分兩次張拉。

2.3 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)梁支承于支座上，支座支承于支墩上，通過(guò)兩個(gè)分別位于左右1/3跨處的千斤頂施加豎向集中荷載，千斤頂?shù)姆戳τ煞戳偧茉囼?yàn)臺(tái)提供。布設(shè)5個(gè)百分表測(cè)量加載過(guò)程中梁的撓度，其中表1和表5分別位于左側(cè)和右側(cè)支座上方梁頂面，表2和表4分別位于左側(cè)和右側(cè)加載點(diǎn)外側(cè)梁頂面，距加載千斤頂20 cm，表3位于跨中梁頂面。加載和測(cè)試裝置布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 加載和測(cè)試裝置布設(shè)示意圖

試驗(yàn)首先進(jìn)行預(yù)加載，以檢驗(yàn)支座是否平穩(wěn)，儀器及加載設(shè)備是否正常，并對(duì)儀表設(shè)備進(jìn)行調(diào)零。預(yù)加載控制試件在彈性受力范圍，不應(yīng)產(chǎn)生裂縫及其他形式的加載殘余值。由理論計(jì)算得出梁極限承載狀態(tài)對(duì)應(yīng)集中力為144 kN，因此取每級(jí)加載量為10 kN，持載時(shí)間取10 min。加載過(guò)程中隨時(shí)注意觀察儀器是否正常以及混凝土梁是否開(kāi)裂。

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

未采取加固措施梁試驗(yàn)，荷載達(dá)到110 kN時(shí)梁底出現(xiàn)裂縫，加載至130 kN時(shí)兩個(gè)加載點(diǎn)之間共出現(xiàn)5條裂縫，長(zhǎng)度約20 cm，分布均勻，間隔約30 cm。繼續(xù)加載至140 kN，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，但是裂縫寬度未見(jiàn)明顯增長(zhǎng)，在兩個(gè)加載點(diǎn)外側(cè)出現(xiàn)新的裂縫。加載至150 kN時(shí)，裂縫長(zhǎng)度小幅增大，但梁底裂縫寬度增加明顯。繼續(xù)加載至156 kN時(shí)，裂縫長(zhǎng)度、寬度急劇增大，在兩個(gè)加載點(diǎn)外側(cè)出現(xiàn)新的裂縫，并且，千斤頂加載量增大緩慢，百分表讀數(shù)急劇增大，可以明顯聽(tīng)見(jiàn)混凝土開(kāi)裂的“噼啪”聲，可肉眼觀察到混凝土梁跨中撓度增大，此時(shí)裂縫寬度很大，并且發(fā)展至距梁頂不足10 cm處。

采取加固措施梁試驗(yàn)，加載至110 kN時(shí)加固區(qū)出現(xiàn)3條裂縫，但原梁區(qū)未出現(xiàn)，繼續(xù)加載至160 kN，原梁出現(xiàn)裂縫，主要分布在加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的梁底處。繼續(xù)加載，裂縫不斷發(fā)展，并且有新裂縫出現(xiàn)，仍主要集中在加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)梁底附近。當(dāng)荷載達(dá)到200 kN時(shí)，加固區(qū)端部與原梁接觸部分脫開(kāi)，脫開(kāi)區(qū)長(zhǎng)度約10 cm，當(dāng)荷載達(dá)到240 kN時(shí)，加固區(qū)和原梁接觸部分端部脫開(kāi)長(zhǎng)度達(dá)到40 cm以上。加固區(qū)主要通過(guò)植筋的方式和原梁相連，但是荷載達(dá)到240 kN時(shí)，在原梁的端部植筋處出現(xiàn)數(shù)條斜向裂縫，裂縫寬度較大，且為貫通縫，繼續(xù)對(duì)千斤頂加壓，梁的撓度急劇增大，但是荷載傳感器讀數(shù)一直維持在240 kN，故認(rèn)為該增大截面法加固后梁的極限承載力為240 kN。裂縫開(kāi)展情況見(jiàn)圖3(b)。

圖3 梁體破壞時(shí)裂縫開(kāi)展情況(單位：mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果

百分表1和百分表5位于支座上方，試驗(yàn)過(guò)程中讀數(shù)基本無(wú)變化，百分表2、3、4荷載-撓度曲線如圖4所示。

圖4 加固前后荷載-撓度曲線

由圖4可以看出：對(duì)于未采取加固措施梁，施加荷載達(dá)到160 kN時(shí)，撓度急劇增大，達(dá)到極限承載力；而此時(shí)加固梁的撓度還很小，剛進(jìn)入非線性階段。

采取增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力法加固梁加固區(qū)發(fā)生開(kāi)裂前(即荷載小于110 kN時(shí))，梁的撓度基本呈線性增長(zhǎng)且數(shù)值不大；加固區(qū)開(kāi)裂后而原梁未開(kāi)裂時(shí)(即荷載為110～160 kN)，撓度隨荷載增大的幅度提高；當(dāng)原梁發(fā)生開(kāi)裂后，隨荷載增加，撓度急劇增大。

4 結(jié)論

通過(guò)分別進(jìn)行增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絞線法進(jìn)行加固和未采取加固措施的模型梁靜力試驗(yàn)對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1) 增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絞線法對(duì)梁加固效果明顯，梁的極限承載力提高幅度達(dá)50%。

(2) 采用增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絞線法對(duì)梁進(jìn)行加固后，增大了梁的截面慣性矩，對(duì)降低梁的撓度作用明顯。

(3) 加固區(qū)鋼絞線施加了預(yù)應(yīng)力，對(duì)梁有反拱作用，也一定程度上降低了梁的撓度。

(4) 加固區(qū)端部與原梁接觸部容易脫開(kāi)，采用植筋方法進(jìn)行加固部分連接時(shí)建議在該部位適當(dāng)加密。

(5) 增大截面結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固法兼具增大截面法和體外預(yù)應(yīng)力加固的優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法加固效果良好，比單純?cè)龃蠼孛娣▽?duì)橋梁凈空影響小，具有一定的推廣價(jià)值。