钢筋混凝土T梁桥钢丝绳加固案例分析

贾尚林

（北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053）

随着交通运输业的迅猛发展，公路上交通量逐年递增，车辆重载、超载现象也逐年增多，越来越多的桥梁设计荷载明显偏低，已不能适应经济和交通运输发展的需要，甚至对行车安全构成了隐患。为了改善和提高旧桥的承载和通行能力，保证其正常运营，对危、旧桥梁进行维修加固及改造，是非常必要和紧迫的。从一实例工程入手，介绍了目前常用的桥梁加固方法，并针对此实例工程，提出3种主梁加固方案并进行比选，为今后设计人员进行桥梁加固提供了更新颖的加固方案，拓宽了桥梁加固的设计思路。

1 工程概述

兴寿桥位于昌平区安四路K31+060，跨越京密引水渠，大桩号侧桥头与现况怀昌路平交。该桥修建于1991年，上部结构为3×17 m普通钢筋混凝土简支T梁桥，下部结构为柱式墩、台，钻孔灌注桩基础，桥梁全长51.824 m，全宽15 m，桥梁与河道斜交，斜交角度为25°。该桥设计水位为52.80 m，设计流量为40 m3/s。现况桥梁设计荷载为汽车-20级，挂车-100，人群荷载为3.0 kN/m2。

2 桥梁病害及原因分析

2.1 桥梁上、下部结构主要病害

全桥共27片主梁，其中斜向裂缝共209条，总长约105 m，最宽0.26 mm，最深99.8 mm，竖向裂缝共599条，总长约300 m，最宽0.22 mm，大多出现在腹板底部、跨中位置；共18处锈胀，其中11处露筋；5处纵向开裂；5处破损，其中3处露筋；墩、台盖梁竖向裂缝共75条，总长约35 m，最宽0.22 mm。

2.2 桥面系破损状况

桥面共8条纵向裂缝，其中2条贯通于桥面，桥头搭板3处开裂，防撞护栏3处破损、开焊。

2.3 桥梁病害成因分析

a）现阶段我国交通运输业发展迅猛，车辆重载、超载现象逐年增多，桥梁设计荷载偏低，已不能适应现行经济发展及交通运输的需要。

b）桥面铺装破损、桥面排水不畅导致桥面防水功能失效，混凝土受雨污水侵蚀、胀裂、剥落，钢筋锈蚀。

c）旧桥主梁为普通钢筋混凝土T梁，梁宽1.6 m，梁高1.0 m，腹板宽度仅为0.2 m，主梁刚度较小，且主梁翼板偏薄，整体横向联系偏弱，易形成单梁受力，梁下出现较多受力裂缝。

d）对于桥梁暴露的问题，没有及时针对桥梁病害进行养护维修及处理，日积月累致使问题严重化。

3 旧桥主梁承载力验算分析

旧桥中、边梁断面形式一致，均为梁宽1.6 m，梁高1.0 m，腹板宽度0.2 m的普通钢筋混凝土T梁，按照1989年版《公路桥涵设计规范》进行验算，该桥的抗弯及抗剪能力如表1所示。

表1 按照汽车-20级进行主梁承载能力验算

由表1可知，汽车-20级荷载等级下，中、边梁抗弯能力满足承载力要求，中、边梁抗剪能力基本满足承载力要求。

若按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）进行验算[1]，该桥的抗弯及抗剪能力如表2及表3所示。

表2 按照公路-II级进行主梁承载能力验算

表3 按照公路-I级进行主梁承载能力验算

如表2及表3所示，公路-II级荷载等级下，经验算中、边梁抗弯及抗剪能力均满足承载力要求，裂缝宽度为0.165 mm，满足规范要求。公路-I级荷载等级下，经验算中、边梁抗弯及抗剪能力均不满足承载力要求，裂缝宽度为0.251 mm，不满足规范要求。

经过3种荷载等级下主梁承载力的验算分析，我们得知现况桥梁主梁满足现阶段公路-II级荷载等级，但不满足公路-I级荷载等级要求。不满足公路提级要求，需对主梁进行加固，提高其承载、通行能力。

4 桥梁加固方案及比选

4.1 桥梁加固方案设计

本桥上跨京密引水渠，由于京密引水渠为一级饮用水源，桥梁加固必须采取对京密引水渠的水源保护，不适合采用混凝土局部置换法及增大截面法进行主梁加固，分别采用外粘碳纤维复合材料、外粘钢板以及预张紧钢丝绳网片—喷射聚合物砂浆外加层等3种复合截面加固法方案进行设计比选。

4.1.1 外粘碳纤维复合材料

碳纤维材料加固设计计算中，采用如下基本假定：

a）受拉区混凝土的作用忽略不计。

b）梁受弯时，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定。

c）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：δcf=Ecf×εcf，且 ε＜0.01。

d）当考虑二次受力影响时，应按构件加固前的初始受力情况，确定碳纤维复合材料的滞后应变。

e）由于外贴的碳纤维布很薄，近似认为CFRP布中心离梁顶的距离与梁高相等。

f）在到达抗弯承载力极限状态前，加固材料与混凝土之间不致出现黏结剥落破坏。

本次对主梁进行加固所采用的碳纤维布规格见表4。

表4 碳纤维布（CFRP）性能指标

粘贴碳纤维布加固横断面如图1所示。

图1 碳纤维布粘贴加固横断面（单位：cm）

经计算选用3层0.167 mm厚190 mm宽的高强I级碳纤维布，加固后主梁抗弯承载能力提高约2.18%，满足公路-I级荷载等级计算要求。计算结果见表5。

表5 碳纤维布（CFRP）加固结果

4.1.2 外粘钢板

本次设计采用5 mm厚Q235钢板，粘贴钢板加固横断面如图2所示。

图2 粘贴钢板加固横断面（单位：cm）

经计算选用1层5 mm厚Q235钢板，钢板宽度计算值为111 mm，加固后主梁抗弯承载能力提高约5.23%，满足公路-I级荷载等级计算要求。计算结果见表6。

表6 粘贴钢板加固结果

4.1.3 预张紧钢丝绳网片—喷射聚合物砂浆外加层

预张紧钢丝绳网片—喷射聚合物砂浆外加层的加固方法是近年引进国内的加固技术，它不同于一般钢丝绳网片加固的方法，它是把预张拉的高强度钢丝绳网片配合专用固定板、化学锚栓及绳端固定结设置于混凝土结构受力薄弱部位，喷射聚合物砂浆，使之与混凝土既有结构形成整体受力，提高混凝土构件的抗弯及抗剪能力，提高构件的整体刚度。

预张紧系统的基本组成为：固定板、绳端固定结、专用化学锚栓、钢丝绳网片以及聚合物砂浆外加层。如图3所示。

图3 预张紧系统基本组成

采用预张紧高强度钢丝绳网片—聚合物砂浆外加层对构件进行加固时，除遵守现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）正截面承载力计算的基本假定外，尚应遵守下列规定：a）构件达到受弯承载力极限状态时，钢丝绳网片的拉应变εrw可按截面应变保持平面的假定确定；b）钢丝绳网片应力可近似取等于 δrw=Erw×εrw；c）当考虑二次受力影响时，应按构件加固前的初始受力情况，确定钢丝绳网片的滞后应变；d）在到达受弯承载能力极限状态前，钢丝绳网片与混凝土之间不出现黏结剥离破坏；e）对梁的不同外加层构造，统一采用仅按梁的受拉区底面有外加层的计算简图，但在验算梁的正截面承载力时，应引入修正系数考虑侧面围套内钢丝绳网片对承载力提高的作用。

本次设计采用6×7+IWS高强度镀锌钢丝绳，其规格见表7。

表7 6×7+IWS高强度镀锌钢丝绳性能指标

计算中钢丝绳网片按体外预应力考虑，梁底布设单层6根6×7+IWS高强度镀锌钢丝绳，间距30 mm，张拉控制应力按30%抗拉强度设计值考虑，梁底喷射高强聚合物砂浆，厚度为25 mm，其加固横断面如图4所示。

图4 钢丝绳加固横断面（单位：cm）

经计算梁底布设单层6根6×7+IWS高强度镀锌钢丝绳，喷射高强聚合物砂浆，厚度为25 mm，加固后主梁抗弯承载能力提高约12.9%，满足公路-I级荷载等级计算要求。计算结果见表8。

表8 钢丝绳加固结果

4.2 桥梁加固方案比选

3种加固方案加固后都能满足公路-I级荷载等级要求，其中碳纤维加固（单层）每平米造价约1 000元、粘钢加固（单层）每平米造价约950元、钢丝绳加固（单层）每平米造价约1 100元。粘钢与粘碳加固为目前常用的桥梁加固方法，施工工艺比较成熟，工艺相对简单，施工中均需采用结构胶，这类加固方法对结构胶品质要求较高，并对混凝土构件表面黏结强度要求较高，还对温度、湿度均有一定要求，耐久年限不好确定，此外碳纤维弹性模量大，粘碳加固与混凝土构件共同工作性能较差，粘钢加固几年后或者十几年后钢板易与混凝土剥离破坏，加固失效，且露天环境中桥梁的混凝土易发生泛碱，致使加固失效。钢丝绳加固为国内较新颖的加固技术，施工中需要专业人士进行技术支持，但避免了一些粘钢与粘碳加固的缺点，高强聚合物砂浆本身强度高，耐温耐湿性好，又具有较好的防水性，能有效防止加固层与原构件接触面的泛碱、碳化等，防止加固失效。

5 结束语

钢丝绳加固效果显著，承载能力提高较大，造价经济、合理，并有成熟的施工技术及配套施工产品做支持，具有广泛的应用前景，希望在大量应用实践中总结经验，使这种加固技术更加优化，在桥梁加固领域发挥它的优势与作用。

参考文献：及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[1]中交公路规划设计院.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土