某预应力混凝土小箱梁桥不同加固方法试验对比分析

原国华

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

该桥全长为2 294.68 m。上部结构为（41+55+41）+17×25+（41+55+41）+15×25+（41+55+41）+6 ×25+（41+55+41）+7 ×25+（41+55+41）+14 ×24.3+（41+55+41）m变截面预应力混凝土现浇连续箱梁和预应力混凝土装配式连续箱梁。

下部结构：桥台为肋板式桥台，钻孔灌注桩基础；现浇连续箱梁桥墩为板式桥墩，钻孔灌注桩基础；预制小箱梁桥墩为柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。

该桥的技术指标为：

a）设计荷载 汽-超20级；验算荷载：挂-120；

b）单幅桥面宽度 0.5 m+净12 m+1.25 m；

c）地震基本烈度 Ⅶ度。

2 桥梁主要病害

a）该桥共计195片箱梁腹板存在竖向裂缝，裂缝最宽0.27 mm，底板存在横向裂缝，裂缝最宽0.15 mm，腹板竖向裂缝与底板横向裂缝相连通。

b）该桥端横隔板存在竖向裂缝，裂缝最宽0.78 mm，建议涂环氧树脂胶封闭未超限裂缝；用压力注浆法灌注环氧树脂胶封闭超限裂缝。

c）该桥桥梁技术状况综合评定等级为“三类”桥梁。

3 小箱梁桥加固方法

为了进一步了解该桥主梁目前的受力状况，掌握主梁预应力钢束的应力损失大小，特别是不同加固方法对提高该桥承载能力及抗裂性能的加固效果，本项目选取跨中附近裂缝较为严重的三跨作为试验跨进行了3种不同加固方法，分别为：体外预应力加固方法[1](第一跨)、体外预应力+粘贴碳纤维布加固方法(第二跨)、粘贴钢板加固方法(第三跨)。

3.1 方案一 梁体体外预应力加固(第一跨)

采用张拉体外预应力加固方案。在各片箱梁腹板下缘两侧分别布置3根正弯矩体外预应力钢束，张拉控制应力为1 116 MPa，箱梁体外预应力加固效果图见图1。

图1 箱梁体外预应力加固效果图

3.2 方案二 体 外预应力+粘贴碳纤维布加固方法（第二跨）

采用张拉体外预应力并粘贴碳纤维布加固方案，在各片箱梁腹板下缘两侧分别布置3根正弯矩体外预应力钢束，张拉控制应力为1 116 MPa。体外预应力按设计要求张拉完成后，在箱梁两侧腹板分别均匀粘贴3条碳纤维布，体外预应力+粘贴碳纤维布加固效果图见图2。

图2 体外预应力+粘贴碳纤维布加固效果图

3.3 方案三 粘贴钢板加固（第三跨）

在各片箱梁腹板两个侧面粘贴3道钢板（宽20 cm）进行补强，粘贴钢板加固效果图见图3。

图3 粘贴钢板效果图

4 试验检测目的

本次试验对加固前桥梁现有的工作状态进行了检测，并对加固后各方案的实际加固效果进行对比试验，检测主要目的如下：

a）测试加固前桥梁现有的工作状态。

b）通过加固后对比试验，掌握不同加固方法对桥梁结构受力状况的改善情况。

c）比较分析桥梁采用不同加固方法的实际加固效果。

d）为桥梁的加固设计提供技术依据及下一步相应的加固建议。

5 试验检测主要内容

5.1 试验检测流程

本次试验主要是为了检验桥梁加固前现有的工作状态、各加固方案的实际加固效果及各方案效果之间的对比情况，所以需在各方案加固前、后对各试验跨分别进行荷载试验，采集并分析数据。

例如：第二跨先进行荷载试验采集分析数据；然后按照加固方案分批张拉预应力体外预应力，完成此项设计意图后再按照同样的荷载标准重复进行荷载试验程序，采集相关试验数据；之后再按照设计方案要求完成粘贴碳纤维布；等到碳纤维布与混凝土的粘贴强度达到设计要求后，按照同样的荷载标准第二次重复进行荷载试验程序，采集相关试验数据，完成本跨荷载试验工作。

各试验跨荷载试验的流程如图4。

图4 试验检测流程图

5.2 试验检测项目

5.2.1 加固前

a）测试试验荷载作用下加固前桥梁测试断面的应力（应变）及其分布情况。

b）测试试验荷载作用下加固前桥梁测试断面的挠度（变形）值及变形曲线。

c）观测试验过程中加固前桥梁测试裂缝的变化情况。

d）测试加固前桥梁的动力特性。

5.2.2 加固后（体外预应力、体外预应力+碳纤维、钢板）

a）测试试验荷载作用下加固后桥梁测试断面的应力（应变）及其分布情况。

b）测试试验荷载作用下加固后桥梁测试断面的挠度（变形）值及变形曲线。

c）观测试验过程中加固后桥梁测试裂缝的变化情况。

d）测试加固后桥梁的动力特性。

6 试验结果分析与结论

试验结论主要有以下几点：

a）应力结果 3种加固方法均能不同程度地提高结构的抗裂性能，其中当仅采用体外束加固法时，截面下缘钢筋应力增量比加固前平均降低19%左右；当采用体外预应力钢束+碳纤维加固法时，截面下缘钢筋应力增量比加固前降低40%左右；当采用粘贴钢板加固法时，截面下缘钢筋应力增量比加固前降低14%左右。可见采用体外束+碳纤维布加固法时，对改善结构下缘应力状况尤为明显。

b）挠度分析结果 当仅采用体外束加固法时，跨中截面的挠度增量比加固前平均降低21%左右；当采用体外预应力钢束+碳纤维加固法时，跨中截面的挠度增量比加固前平均降低31%左右；当采用粘贴钢板加固法时，跨中截面的挠度增量比加固前平均降低6%左右；可见采用体外预应力钢束+碳纤维布加固法时，对提高结构的刚度效果比较突出。

c）裂缝分析结果 当仅采用体外束加固法时，跨中截面的裂缝宽度变化增量比加固前平均降低26%左右；当采用体外预应力钢束+碳纤维布加固法时，跨中截面的裂缝宽度变化增量比加固前降低77%左右；当采用粘贴钢板加固法时，跨中截面的裂缝宽度变化增量比加固前降低36%左右。可见采用体外预应力钢束+碳纤维布加固法时，对抑制结构的裂缝开展效果较为显著。

通过以上对3种加固方法的对比分析结果可以看出，体外束加固法、体外束+碳纤维布加固法及粘贴钢板加固法均可提高结构的承载能力、下缘受力性能、结构刚度和抑制裂缝开展效果，其中以体外束+碳纤维布加固法效果最佳。

7 总结

主动加固与被动加固组合加固方法[2]（体外预应力+碳纤维布加固法），不仅在提高截面强度、刚度、改善截面受力状况、抑制裂缝开展等方面要明显好于其他两种方法，而且对桥梁的动力性能改善也要优于其他两种方法，在今后类似桥梁结构病害维修方案制定中有一定的借鉴作用。