粘钢加固法的计算

袁金容　王俊坪

摘要 文章主要研究粘钢加固法应用于T梁加固时的计算。针对一座既有桥梁的加固设计，采用桥梁博士和Midas进行辅助计算，详细阐述了粘钢加固法的计算过程，并分别计算出结构加固前后的承载能力，通过对加固前后承载力的对比分析可知，采用粘钢加固法提高抗弯承载能力时，抗弯承载能力的提高幅度受截面尺寸影响较大。

关键词 T梁;粘钢加固法;桥梁博士;Midas

中图分类号 TU375.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）11-0184-03

引言

预应力混凝土T梁由于结构简单、受力明确、节省材料、架设安装方便、跨越能力较大的特点，在我国公路上修建最多。20世纪70年代，国内修建了一批无马蹄的预应力混凝土T梁桥。随着公路技术等级的不断提高，无马蹄预应力混凝土T梁桥大多不能满足现行的技术规范。由于当时技术条件受限，桥梁施工质量普遍存在一定的缺陷。为满足现在的通行要求，一般选择拆除重建或原桥加固利用。考虑到拆除重建造价较高，资金受限时，大多选择原桥加固利用。

1 工程概况

该桥位于西藏自治区某经济开发区，桥梁上部结构为4×20 m简支预应力钢筋混凝土T梁，桥宽9.0 m。

T梁梁高150 cm，翼缘厚15 cm，腹板厚15 cm，每片梁设2道端横隔梁和3道中横隔梁，横隔梁厚18 cm，中梁宽160 cm，边梁宽189 cm。桥梁横桥向布置4片T梁，T梁中距220 cm，梁间设60 cm的现浇湿接缝。该桥T梁腹板等厚无变宽（如图1）。经检测，该桥属于四类桥梁，承载力不满足现行规范要求，考虑到拆除重建造价较高，资金受限，该桥进行加固利用。

2 加固方法的选用

桥梁常用的加固方法有增大截面法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、改变结构体系加固法等。考虑到该桥的结构形式以及受力特点，初步确定在增大截面法和粘贴钢板法中进行方案比选。

2.1 增大截面法

增大截面法主要加固思路是在原有構件表面外包钢筋混凝土，从而增加结构的截面积，在增加截面的各项受力性能的同时，可在新增截面中根据受力需要，配置必要的受力钢筋，提高截面的承载力，是一种十分有效的加固方式。此方法的主要特点如下：

（1）结构受力明确，加固计算简便，结构承载力、刚度提高明显。

（2）施工技术成熟，施工工艺较复杂，现场湿作业多，周期长，对生活和环境有影响。

（3）增大截面法存在二次受力的情况，外包混凝土对原有结构来说是外荷载，对于既有结构有一定影响。

（4）增大截面法会增大结构的自重，对整个结构产生一定的重力效应，且应力滞后的存在导致新加部分的承载力折减，降低结构耐久性。

（5）对桥上交通干扰较大。

2.2 粘贴钢板法

粘贴钢板加固法亦称粘钢加固法，其主要加固思路是采用环氧树脂系列类胶粘剂将钢板粘贴于钢筋混凝土结构物的受拉区或薄弱部位，使之与原结构物形成共同受力的整体，以提高其抗弯、抗剪能力及刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，进而提高桥梁的承载能力与耐久性[1]。粘钢加固法是我国常用的桥梁加固方法之一，在国内得到了广泛应用，通常适用于钢筋混凝土桥梁的加固。此方法主要特点如下：

（1）粘贴钢板法仅需将混凝土表面碳化部分凿除后粘贴钢板，而粘贴的钢板一般尺寸小、重量轻，对原有结构影响较小。

（2）粘贴钢板法相对于增加截面法，所需施工空间较小，施工周期短，对桥上交通影响较小。

（3）由于截面尺寸的限制，粘贴钢板法对结构承载力提高幅度有限。

2.3 方案比选

针对该桥的特点，由于受标高的限制，在桥面加固方案基本不可行，只能在桥下采取加固措施。

增大截面法需要在梁底外包混凝土，由于混凝土受拉性能差，只有在混凝土内增加的钢筋对结构承载力有较大的贡献，混凝土反而增加了自重，同时，在主梁底缘浇筑混凝土，混凝土振捣困难，浇筑质量难以保证，且需要中断桥上交通。而粘贴钢板法直接将受拉性能好的钢板与梁底受拉区黏结，可以提高结构的承载力，同时，粘贴钢板所需操作空间小，施工简单，施工质量较易保证。

综合对比两种加固方式的优缺点，并结合该项目地域特点及经济性，选取粘贴钢板法作为该桥加固的推荐方案。

3 加固验算

边梁及中梁的构造尺寸基本相同，故认为每片T梁的截面特性相同，将现浇湿接缝作为截面的翼缘参与计算，采用截面特性计算软件，获得结构的截面特性如表1。

结构主要考虑荷载如下：

（1）恒载：1）结构自重：考虑钢筋混凝土容重为26 kN/m3。2）横隔板重量：横隔板重量作为集中荷载考虑，其大小为10.8 kN。3）桥面铺装：考虑后期维护，桥面铺装可能存在加厚的情况，桥面行车道铺装厚度取为20 cm，容重取为25 kN/m3。4）人行道恒载：人行道恒载主要有人行道盖板、护栏立柱及钢管，换算为单侧面荷载为5.28 kN/m2。

（2）活载。1）车道荷载：车道荷载根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011），取为城—B级（考虑车道折减）。该桥加固后采取限高限载措施限制大型货车通行，主要用于小型车辆通行，根据《城市桥梁设计规范》第10.0.3条规定，小城市中的支路上如重型车辆较少时，设计汽车荷载采用城—B级车道荷载的效应乘以0.8的折减系数，车辆荷载效应乘以0.7的折减系数。2）人群荷载：人群荷载根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011），取为5.0 kN/m2。按照偏心压力法（跨中段）以及杠杆法（支点段）[2]计算每片T梁的横向分布系数，利用桥梁博士的横向分布系数模块计算得结构每片T梁的横向分布系数如表2。

根據计算结果可知，边梁为最不利主梁，因此利用 Midas Civil建立边梁计算模型，对边梁的荷载效应进行计算。

根据T梁配筋图，所有纵向筋布置在跨中1/2梁长区段，在距离支座1/4梁长位置（第一块横隔板位置）纵向主筋开始弯起，考虑结构配筋特点，抗弯计算选取以下截面进行承载力验算（如图2）。

对于抗剪承载力的计算，由于上部T梁腹板在全跨等厚，箍筋等间距布置，弯起钢筋分布范围较大，故抗剪计算仅考虑支座附近的斜截面。

结构荷载主要考虑上述的恒载和活载，其中自重由程序自动考虑，人行道恒载和桥面铺装恒载（统一记为二期恒载）按照梁单元荷载计入，活载则采用影响线加载的方式进行施加（其中车辆荷载考虑冲击系数由程序根据结构基频自动计入），通过建模计算，结构荷载效应如表3～4。

3.1 抗弯验算

3.1.1 原结构抗弯验算

原结构配筋情况：翼板宽度为bf =2 200 mm，翼板厚度为hf =150 mm，腹板宽度b=180 mm，纵向受拉主筋配置为：HRB335，直径32 mm，as=200 mm，fsd =280 MPa，h0=1 500−160=1 340 mm，fcd =18.4 MPa。

利用 Midas Civil对原有结构的结构内力进行计算并考虑0.8的折减系数后，结果如表5。

3.1.2 结构抗弯加固验算

加固措施：原截面抗弯承载力不足，现采用粘贴钢板法对截面进行加固处理，钢板采用Q345C级钢，钢板厚度采用6 mm，宽度与腹板等宽为180 mm。

混凝土弹性模量Ec=3.25×104 MPa，钢筋的弹性模量Es=2.0×105 MPa，二者弹性模量比值为：。假设，则：

2 013.3

113 676 0

264.9 mm>150 mm

满足假设条件，即加固前构件开裂截面换算截面的混凝土受压区高度为264.9 mm。

开裂截面的惯性矩为：

=8.13×1010 mm4

根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008）6.2.2条规定：

先假定受压区混凝土达到极限压应变时，钢板能够达到屈服，用钢板强度设计值代替上式中的，可得截面受压区高度为：

=74.9 mm

根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008）6.2.3条：

，

代入可求得钢板应力：

=0.015×2.06×1011=3 090 MPa>345 MPa

故在受压区混凝土达到极限压应变之前，钢板已经屈服，截面受压区高度x为74.9 mm。

根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008）6.2.2条：

=4001.7 kN·m>1.1×3 371.2 kN·m=3 708.3 kN·m

以上计算表明，经加固后，上部结构的抗弯承载力能够满足折减后的车道荷载的要求。

3.2 抗剪验算

3.2.1 原结构抗剪验算

利用Midas Civil对原有结构的承载力进行计算并考虑0.8的折减系数得到支座附近截面剪承设计值为692.1 kN。

根据截面配筋，在靠近支座位置，梁底主筋为2排直径32 mm的HRB335钢筋，该截面有效高度h01=

1 420 mm。

受剪截面尺寸验算：

824.4 kN>692.1×1.1=762.3 kN

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》斜截面承载力验算：

（1）箍筋及混凝土部分：

=469.2 kN

（2）弯起钢筋部分：

59.7 kN

截面抗剪承载力为：

469.2+59.7=528.9 kN<763.2 kN

结果表明，原有结构抗剪承载力不满足规范要求。

3.2.2 结构抗剪加固验算

加固措施：在梁端与第一道横隔梁之间设置斜向钢板。根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008）5.2.8条，加固后截面抗剪承载力按照下式计算：

=790.9 kN>763.2 kN

由以上计算可知，经加固后，上部结构的抗剪承载能力满足折减后的车道荷载的要求。

4 结语

该文通过一座现存桥梁的加固计算，介绍了粘贴钢板加固法的使用条件及计算流程，为类似加固项目提供参考。在使用粘贴钢板加固方法时，还应注意以下两点：

（1）粘贴钢板法虽然施工简单，造价低，但对结构承载能力提高幅度有限。

（2）对于T梁桥，由于马蹄处截面尺寸较小，采用粘贴钢板加固方法对于抗弯承载能力的提高幅度有限，若加固需要提高的承载力幅度较大，粘贴钢板无法从根本上解决承载力问题，此时，建议考虑增大截面或者拆除重建。

参考文献

[1]邬晓光， 白青侠， 雷自学. 公路桥梁加固设计规范应用计算示例[M]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[2]邵旭东， 程翔云， 李立峰. 桥梁设计与计算（第2版）[M]. 北京：人民交通出版社， 2012： 173-177.

收稿日期：2022-04-09

作者简介：袁金容（1989—），女，本科，工程师，研究方向：桥隧设计。