HTRCS及粘贴钢板加固桥梁效果对比分析

边菁生， 伏 鑫， 余 取， 肖图刚， 蒲黔辉

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国交通事业的迅猛发展，桥梁公路里程不断增加，据统计[1]，至2016年底，我国公路总里程达到469.63×104km，公路桥梁80.53万座、4 916.97×104m，其中特大桥梁4 257座、753.54×104m，大桥86 178座、2 251.50×104m，但随着交通量激增，不少空心板桥出现病害，危害人车通行安全。因此，如何快速有效地对桥梁进行加固，提高承载能力和刚度已经成为我国桥梁事业发展的重点。

超强高韧性树脂钢丝网混凝土(High Toughness Resin Concrete with Steel Mesh，简称HTRCS)是一种以钢筋网作为增韧体，环氧树脂灌浆料作为基体组成的薄层结构，具有粘结性强、抗拉强度高、极限拉应变较高、硬化速度快、流动性强等优点。HTRCS加固的有效性已在室内模型试验中得到基本验证[2-4]，但其在桥梁实际加固中应用较少，且相对于我国常用的加固方法，HTRCS加固效果的相关研究报道较少。本文以某空心板梁桥为例，对采用粘贴钢板和HTRCS加固的梁体进行加固效果对比分析，以期对今后加固工程提供有益参考。

1 试验桥梁概况

某空心板梁桥位于成都市青龙场西侧，成桥于1997年，上部结构采用4×20 m部分预应力混凝土连续空心板，梁高1.0 m，梁宽8.0 m，箱形截面悬臂1.0 m，梁体采用C40混凝土，桥面铺装为8 cm厚C30钢纤维混凝土。桥梁设计荷载为汽超-20、挂-120。该桥在长时间的荷载作用下结构呈现出梁底板开裂、混凝土破损、露筋等病害症状，经检测评估后，对其第1～2跨、第3～4跨分别采用HTRCS加固法及粘贴钢板法进行加固补强。桥型布置如图1及图2所示。

图1 桥梁立面(单位：cm)

(图中括号内表示桥跨端部附近尺寸)图2 桥梁横截面(单位：cm)

2 加固维修方案

2.1 加固材料主要性能

(1)HTRCS的主要技术指标如下。

环氧树脂灌浆料轴心抗压强度≥90 MPa，弹性模量为19.65 GPa；钢丝网抗拉强度为600 MPa，弹性模量为200 GPa。

(2)钢板采用Q235，胶粘剂采用改性环氧树脂胶，螺栓直径为20 mm。

2.2 加固方案

按照承载能力提高30 %设计加固方案[5-6]，且满足桥梁设计荷载等级，HTRCS及钢板加固方案(图3)如下：

(1)在主梁跨中10 m范围内，梁体底部外包4 cm厚的HTRCS复合材料，其中加固钢丝网采用编织型钢丝网，钢丝直径为4 mm，网格纵向间距为10 mm，横向间距为20 mm。

(2)钢板布置在梁底板梁肋处，每跨7条。每块钢板尺寸1 600 mm×250 mm×8 mm，采用对接焊接方式连接伸长，将钢板粘贴在混凝土上的同时用螺栓予以锚固。

(a)HTRCS加固示意

(b)粘贴钢板加固示意图3 桥梁加固示意(单位：cm)

2.3 施工工艺

粘贴钢板加固施工工艺流程在国内已日趋完善，本文不再赘述。HTRCS加固流程如下：

(1)凿除梁底部碳化混凝土，并将混凝土构件表面残缺、破损部分剔凿清除干净，达到梁结构密实部位。清洗混凝土表面，保证其充分干燥。

(2)在梁底置入膨胀螺栓，对钢丝网进行安装及定位。

(3)搭设HTRCS浇筑模板。模板间缝隙应使用密封胶进行密闭处理，保证模板处于一个封闭状态，避免出现漏浆情况。模板表面应涂抹脱模剂，方便脱模。

(4)搅拌环氧树脂灌浆料，并确保其搅拌均匀，采用泵送或高位方式进行浇筑。浇筑施工时需在梁体侧面设置浇注口，以防止环氧树脂灌浆料浇筑不均匀。

(5)浇筑24 h固化后，拆除模板。

3 静载试验

采用Midas Civil有限元软件建立该桥主梁有限元模型，建模时主要考虑了结构的质量、刚度及边界条件，使有限元模型尽可能与实际桥梁结构接近。依据有限元模型，确定第一至四跨最不利工况位置依次为A-A截面至D-D截面，并根据桥梁设计荷载确定控制截面的计算弯矩。试验采用2辆重车加载，载重汽车重500 kN，轴距为3.85 m+1.35 m，加载车辆均为最大弯矩横向对称加载，以确保试验荷载效率在0.95～1.05之间[7]，加载截面如图4所示，试验计算弯矩、试验弯矩及荷载系数如表1所示。

图4 加载截面图及挠度测点位置(单位：cm)

为了保证加固前后截面应力状况能够测试准确，除了每个测试截面梁底板上布置6个混凝土应变测点外，还选取梁底底层钢筋布置6个钢筋应变测点，同时应变测点的布置避开了加固材料，各个测试断面应变测点由左向右依次编号为1#～6#；试验跨L/4、2L/4、3L/4处梁体底部各布置2个挠度测点，依次编号为1#～2#。试验测点布置如图5所示。

4 试验结果及分析

4.1 试验挠度分析

各工况挠度测点实测值与理论值如表2、表3所示。从静载试验结果可知，A-A工况加固前后跨中挠度由3.22 mm下降至2.44 mm，降低了24.22 %，B-B工况加固前后跨中挠度由2.89 mm下降至2.18 mm，降低了24.57%， C-C工况加固前后跨中挠度由2.71 mm下降至2.29 mm，降低了15.50 %，D-D工况加固前后跨中挠度由3.36 mm下降至2.26 mm，降低了32.74 %，说明HTRCS加固及粘贴钢板加固均可，可有效降低梁体变形，提高梁体刚度。从D-D工况的刚度提高看，粘贴钢板优于HTRCS；但从各工况刚度提高对比可知，粘贴钢板加固易受施工因素影响其加固效果，HTRCS整体刚度调高优于粘贴钢板加固。

表1 各工况计算弯矩、试验弯矩及荷载效率系数

(a)混凝土应变测点

(b)钢筋应变测点

(c)挠度测点图5 试验测点布置示意(单位:cm)

表2 加固前后各工况挠度实测值与理论值

备注：1.竖向挠度向下为负，向上为正；2.表中“—”表示测点失；3.因篇幅限制，仅选取试验工况所在跨挠度进行分析。

表3 加固前后各测点应变实测值数据对比

4.2 试验应变分析

由于桥跨结构存在大量裂缝，混凝土的理论应变为开裂截面计算值，处于裂缝之间的混凝土表面应变校验系数较低，仅作测试参考。由A-A、B-B工况结果可知，HTRCS加固后梁底混凝土应变并未下降，比加固前提高了63.89 %～80.56 %。经分析发现，加固前混凝土应变片多处于梁体结构裂缝之间，应变测试值远小于混凝土实际应变；加固后由于HTRCS复合材料与原有混凝土结构粘结形成共同受力截面，应变测试值较加固前增大。

A-A工况、B-B工况加固前后钢筋平均应变分别降低了42.49 %、36.47 %，C-C工况、D-D工况加固前后钢筋平均应变分别降低了13.03 %、48.92 %，HTRCS及粘贴钢板加固均有效地降低了钢筋应力水平。

5 结论

(1)采用HTRCS加固后比加固前跨中挠度测值降低24.22 %～24.57 %，钢筋应力测值降低36.47 %～42.49 %，采用粘贴钢板加固后比加固前跨中挠度测值降低15.50 %～ 32.74 %，钢筋应力测值降低13.03 %～48.92 %，说明HTRCS及粘贴钢板加固均能有效降低跨中挠度及钢筋应力水平，提高桥跨结构的承载能力和刚度。

(2)因施工因素等对粘贴钢板加固效果的影响较大，从桥跨整体加固效果看，HTRCS加固优于粘贴钢板加固。