高强钢丝绳聚合物砂浆加固桥梁设计施工研究

罗向荣

(北京特希达交通勘察设计院有限公司，北京 100067)

我国自20世纪80年代起建造了大量的中小跨径梁板式桥梁，经过几十年的运营，很多桥梁出现了不同程度的病害。目前应用较多的加固方法有增大截面加固、体外预应力加固、粘贴钢板加固、外贴碳纤维布加固等。除体外预应力加固法外，其余多为被动加固方法，后加的材料在原结构物应变和应力现有基础上再增加时才能起到遏制的作用，加固效果较差。体外预应力加固法实现主动加固的理念，但长期作用在结构物体外的钢材防腐费用很高。目前，应用高强钢丝绳给结构物施加预应力，外侧包裹聚合物砂浆防腐的加固方法作为一种既能实现主动加固，又能降低加固成本，解决后期防腐问题的加固方法越来越受到市场青睐，虽已有一些研究成果，但还不能充分满足工程要求，本文以库竹大桥为依托工程进一步研究了该加固方法在工程应用过程中出现的问题及解决办法。

1 工程概况

库竹大桥全长418.44 m，桥宽12.50 m，桥跨组合为(4×16+10×30+3×16)m。上部结构为简支T梁，设计荷载等级为汽车—20级，挂—100。引桥16 m T梁梁体出现多条斜向、竖向裂缝，缝宽介于0.15 mm～0.42 mm，腹板两侧裂缝均对称出现，裂缝分布见图1。

对原结构进行平面有限元分析，计算结果见表1，在原设计荷载最不利组合作用下，中板跨中抗弯承载能力不满足规范要求，边板跨中抗弯承载能力承载潜力不足。

表1 T梁跨中正截面抗弯强度 kN·m

2 抗弯加固设计

2.1 计算分析

采用预应力钢丝绳对梁、板构件进行受弯加固承载力计算，钢丝绳与钢筋、混凝土有良好的变形协调，符合平截面假定，在确定构件极限承载力时，可以用钢丝绳抗拉强度设计值来进行计算。

1)预应力钢丝绳加固梁的正截面抗弯承载力计算图式［1］见图2。

2)正截面抗弯承载力按下列公式计算:

a.矩形截面或中性轴位于T形或I形截面翼板内(x≤hf')。由平衡条件得:

b.T形或I形截面且中性轴位于截面腹板内(x＞hf')。

为确保加固后的混凝土梁仍为塑性破坏，上述公式中的截面受压区高度x应满足下列条件:

其中，σpu，e为当构件达到极限抗弯承载能力时，预应力钢丝绳(钢绞线)的极限应力计算值;Ap，e为预应力钢丝绳(钢绞线)的截面面积。

式中其他符号意义详见参考文献［1］。

2.2 计算实例

本桥加固采用钢丝绳公称直径4.0 mm，公称面积9.55 mm2，抗拉强度标准值fpk=1 670 MPa，弹性模量Ep=1.3×105MPa。张拉控制应力σk=835 MPa。在T梁腹板底面及侧面各布置两层共21根高强钢丝绳，取中板跨中截面验算，计算结果见表2。

表2 加固后T梁跨中正截面抗弯强度

在原设计荷载最不利组合作用下，加固后中板跨中抗弯承载能力提高21%，抗弯加固效果显著。

3 加固施工

3.1 材料选择

1)高强钢丝绳。加固用预应力钢丝绳应选用高强、低松弛、高延性的预应力专用钢丝绳。钢丝绳直径不宜太大，避免一次张拉力过大，施工操作困难。在镀锌、不锈钢钢丝绳选择上，镀锌钢丝绳的耐腐蚀性较不锈钢钢丝绳略逊一筹，但镀锌钢丝绳的强度、弹性模量、伸长率都比不锈钢钢丝绳高，考虑到预应力钢丝绳延性的重要性，选用A级热镀锌钢丝绳。

2)聚合物砂浆。对重要构件的加固，应选用改性环氧类聚合物砂浆，对一般构件的加固，可选用改性环氧类聚合物砂浆或改性丙烯酸酯共聚物乳液配制的聚合物砂浆［2］。由于改性环氧类聚合物砂浆价格高［3］，因此目前在建筑结构和桥梁结构加固中用的较少，主要还是应用改性丙烯酸酯共聚物乳液配制的聚合物砂浆。

由于砂浆厚度较薄，砂浆抗压强度过高，加固施工完成后，在活荷载反复作用下，砂浆易产生裂缝。经反复研究，桥梁加固上采用的聚合物砂浆，其抗压强度在40 MPa～45 MPa时，抗裂性比较好;与桥梁构件表面张拉粘结强度不低于2.0 MPa。

3)锚具系统。挤压锚头采用铝合金材料制作套筒，具有较高的延性、挤压性能，能够满足单根钢丝绳端部可靠锚固的要求，保证钢丝绳不因锚头部位滑移破坏。挤压预应力钢丝绳锚具根据钢丝绳直径及加固量确定开孔尺寸及开孔间距。

3.2 施工工艺［4］

1)锚具固定。锚具焊接时，应在焊接部位开槽，保证焊接强度。锚具及钢板的焊接需采用二氧化碳气体保护焊，以避免钢板及锚具在焊接过程中受热变形。

2)钢丝绳张拉与锚固。在一侧钢丝绳的一端可直接穿入锚具，另一端由专门的张拉器进行张拉并锚固。为减小钢丝绳的松弛对有效预应力的影响，施工中要求在涂抹砂浆前(第一次张拉完48 h以后)再张拉一次，并通过其外侧涂抹砂浆进行锚固、防护，可进一步减少松弛的发生。

3)钢丝绳砂浆防护。在钢丝绳外侧涂抹高性能聚合物砂浆，该砂浆也能共同参与锚固钢丝绳受力，减轻锚具压力，减少预应力筋的松弛等。砂浆防护施工时，应分层涂抹，以保证工程质量。

4 荷载试验验证

1)挠度。加固前最大挠度4.47 mm、加固后为4.39 mm，加固后最大挠度值较加固前减小1.8%(见图3)，说明桥梁的刚度提高有限。

2)应变。跨中梁底最大弹性拉应变值加固前为425.8 με、加固后为275.3 με，加固后拉应变显著减小(见图4)，表明结构强度和抗裂性有明显提高，加固效果比较明显。

5 结语

应用预应力高强钢丝绳、聚合物砂浆外加层进行钢筋混凝土梁板结构抗弯加固，既实现了主动加固的理念，又降低了加固成本，避免了体外预应力防腐的问题，加固效果良好，逐渐被广泛采纳。应用该技术应重视理论分析，通过计算确定合理的钢丝绳根数、长度及张拉力。在加固材料选择上应性能与经济兼顾。建议对钢丝绳应用规格、锚具型号标准化，在结构加固领域推广应用。

［1］JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范［S］.

［2］GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范［S］.

［3］广东省交通工程造价管理站.广东省公路养护工程预算定额［Z］.2003.

［4］JTG/T J23-2008，公路桥梁加固施工技术规范［S］.