粘贴钢板加固技术中钢板厚度对桥梁加固效果的影响

张跃峰

（沧州市高速公路建设管理局，河北 沧州 061000）

0 引言

近年来，预应力混凝土桥梁因其受力特性良好、行车舒适等优点，在实际工程中得到了广泛的应用。同时，由于设计、施工以及运营环境等方面因素影响，预应力混凝土桥梁在使用过程中出现了不同种类与程度的病害，诸如裂缝、保护层剥落、结构混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融破坏等。这些病害不仅破坏了桥梁的美观，而且对桥梁结构的承载安全性和使用耐久性造成了不同程度的影响。

因此，为遏制桥梁已有病害的发展，提高原有桥梁的承载能力，对存在病害的桥梁进行加固处治十分必要。目前，桥梁的加固技术主要有：粘贴钢板、粘贴碳纤维（布）、施加体外预应力、增大梁截面等。其中，粘贴钢板加固技术因其施工工期短、工艺简单、施工方便、加固效果显著等优点，在混凝土桥梁加固中得到了广泛应用。

目前，国内一些学者对粘贴钢板加固技术的受力机理以及受力特性进行了大量研究。在黄勤、朱茂法等人对粘钢加固钢筋混凝土梁的受力机理研究中，通过对四根粘钢加固钢筋混凝土梁的单调加载静力试验，测得了粘钢加固梁的纵向受力钢筋、粘钢侧板及受压区混凝土的应变与梁的挠度[1]；王天稳在不同卸载状态下对混凝土粘钢加固梁的正截面承载力计算进行了研究，认为对于完全卸荷后粘钢加固梁，可按一般混凝土梁近似计算。不同卸荷粘钢加固梁的截面抗弯刚度应分为粘钢前、粘钢后两部分，其挠度为两部分之和[2]；蔡光汀等人对粘钢补强用结构胶的耐久性进行了研究，认为长期在潮湿环境，尤其是水中的钢筋混凝土构件不宜使用结构胶进行外部粘钢法加固补强[3]。但是，对于粘钢加固技术中钢板厚度对加固效果影响的研究还比较少。因而，研究钢板厚度对粘贴钢板加固技术效果的影响，对指导类似桥梁后续加固具有十分重要的意义。

本文以河北省交通运输厅科研课题《预应力混凝土连续梁桥耐久性病害诊断和加固关键技术研究》为依托，以子牙新河特大桥为工程实例，对钢板厚度对桥梁加固效果的影响进行了研究。

1 试验方法

1.1 工程概况

子牙新河特大桥是京沪高速公路青县至吴桥段上的一座重要构筑物，于2000年12月11日建成通车，桥梁全长2868.98m。主桥上部结构为31m+38m+31m三跨预应力混凝土连续梁，下部边墩采用独柱圆端形板式桥墩，悬臂盖梁。基础采用直径为1.2m的钻孔灌注桩。引桥上部为30m先简支后连续预应力混凝土小箱梁，分七孔一联和十三孔一联两种形式，桥墩采用单幅独柱圆端形板式墩，悬臂盖梁，基础采用直径为1.2m的钻孔灌注桩。

引桥单幅桥面由四片预制小箱梁组成，梁高1.5m，中梁宽2.4m，边梁宽3.3m，中梁与边梁采用后浇湿接缝连接，其横断面见图1。

图1 小箱梁横截面布置（单位：cm）

1.2 试验方法

因为在现实桥梁加固工程中，研究不同厚度的粘贴钢板对桥梁加固效果影响的实际可操作性较低，所以为了模拟不同厚度的钢板对桥梁加固技术的影响，拟采用桥梁计算软件Midas对其进行模拟计算。

由于该桥梁结构对称，故只进行1/2模型计算分析。采用Midas FEA中Newton-Raphson方法进行非线性迭代计算分析，分析中所采用的荷载为荷载系数乘以初始荷载750kN的结果值。

其他计算技术指标见表1～表3。

表1 混凝土计算参数

表2 钢筋计算参数

表3 钢板计算参数

箱梁底部钢板粘贴位置如图2所示。

图2 箱梁底板粘贴钢板断面图（单位：cm）

2 试验结果

按照试验方法，对混凝土、钢筋、钢板相关系数进行设定后，使用Midas软件对厚度分别为4mm、6mm、8mm、10mm的钢板加固后的荷载位移进行了模拟计算，得到了相应的试验结果。模拟过程如图3、图4所示。

对底板分别粘贴4mm、6mm、8mm、10mm厚度钢板后的承载力进行了分析，结果如表4所示。

图3 桥梁1/2模型图

图4 底板钢板模拟图

表4 不同厚度钢板承载力模拟分析结果

由表4中数据横向对比底板粘贴不同厚度钢板后的跨中竖向位移可知，在荷载步小于0.20时，4mm、6mm、8mm、10mm厚度钢板的跨中位移差别不大，但是当荷载步大于0.20后，可以看出厚度为10mm的钢板其跨中位移要明显小于厚度为4mm的钢板，这说明粘贴10mm厚度的钢板后桥梁的刚度要大于粘贴4mm厚度钢板后桥梁的刚度。并且随着钢板厚度的增加，主梁的刚度逐渐加强。

对未加固的桥梁及粘贴了4mm、6mm、8mm、10mm厚度钢板后的桥梁的极限承载力进行对比，结果如表5所示。

表5 极限承载力结果对比

由表5可知，未加固的桥梁以及粘贴了4mm、6mm、8mm、10mm厚度钢板的桥梁，其极限承载力分别为：892.1kN·m、1029.3kN·m、1097.9kN·m、1166.5kN·m、1235.2kN·m。粘贴了4mm、6mm、8mm以及10mm厚度钢板的桥梁与比未经加固的桥梁相比，主梁承载力分别提高了15.4%、23.1%、30.8%、38.5%。从使用性能方面来看，粘贴钢板加固后，主梁的极限承载力得到明显提高，并且主梁的极限承载能力随着钢板厚度的增加而逐渐增大。

对表5中的数据进行拟合，得到钢板厚度与主梁极限承载力的相关关系，如图5所示。

图5 钢板厚度与主梁极限承载力相关关系

由图5可以看出，钢板厚度与主梁极限承载能力之间存在良好的相关关系，成线性相关。某种程度上，粘贴钢板厚度的增加可以提高主梁的极限承载能力。

3 试验结论

通过Midas软件对主梁粘贴不同厚度钢板的数值计算与其刚度、极限承载力结果的分析，得到以下结论：

（1）主梁在粘贴钢板后，刚度明显提高，并且随着钢板厚度的增加，主梁的整体刚度逐渐增强；

（2）主梁在粘贴钢板后，极限承载力明显提高，10mm厚的钢板能使主梁的极限承载力提高约30%。并且钢板厚度与主梁的极限承载能力线性相关，相关关系式为y=34.30x+892.0。

[1]黄勤，朱茂法，张建荣，等.粘钢加固钢筋混凝土梁的受力机理[J].结构工程师，1996（4）：24-29.

[2]王天稳.混凝土梁在不同卸载时粘钢加固正截面承载力计算[J].建筑技术，1995（23）：390-392.

[3]蔡光汀，陈君球，邹越，等.混凝土粘钢补强用结构胶的耐久性研究[J].混凝土，2000（8）：37-40.