用于古旧混凝土梁桥预应力加固的电加热技术研究

殷树芳，孟繁伟

1.岩土科技股份有限公司，浙江 杭州 311400

2.中国土木工程集团有限公司，北京 100038

1 研究目的

通过对三组空心板梁进行加固试验，首先监测电加热并锚固后钢板对混凝土空心板梁产生的应变和挠度值，并与理论值进行比较，然后对电加热法在预应力技术中应用的可行性做总体评价。

2 锚固体系设计

该研究采用厚度为10mm的Q235B钢板，经冷拉处理后，抗拉强度按抗拉强度增加30%考虑，即f=215×1.3=280N/mm2。端部锚固设计见图1。

图1 端部锚固设计示意图（单位：cm）

3 理论控制温度

取冷拉钢板长度为6m，钢板的屈服强度为345MPa，热膨胀系数为1.2×10-5。实验分三组进行，三组试验中钢板冷却后受到拉应力分别为其屈服强度0.7倍、0.8倍和0.9倍。计算得到三组实验钢板伸长量分别为6.0mm、6.9mm和7.8mm，与之对应的理论温度升高值分别为101℃、115℃、129℃。

4 加固试验实施

三组试验分别在三块混凝土空心板梁上进行，各组试验钢板加热伸长量分别为6.0mm、6.9mm和7.8mm。试验采用电加热法对预应力钢板进行加热，钢板伸长量达到设计伸长量后停止加热，将预应力钢板锚固在混凝土空心板底面，随着钢板温度下降，钢板产生收缩变形，通过锚固端对混凝土空心板引成体外预应力。

4.1 组合试件安装

三组橡胶支座为简支空心板梁，锚固材料包括钢板带、8.8级M16化学螺栓、配套螺帽、结构胶、植筋胶。具体安装步骤如下：（1）梁底开槽打孔。梁板底面两端开凿容纳尺寸为50cm×34cm的钢板槽，深度为1cm。开槽范围内打化学螺栓孔，深度为11.5cm。（2）安装预埋钢板。植入M16化学螺栓，安装预埋钢板，灌胶锚固。（3）翼板和加固钢板开孔。测量埋钢板上M16化学螺栓位置，翼板和加固钢板上开孔。（4）焊接组合件。翼板坡口焊分别焊接在测试钢板两侧。（5）临时固定组合试件。

4.2 加热带安装

加热带由加热电阻丝盒和保温盖组成，加热电阻丝盒置于钢板底面。临时固定组合试件，安装加热设备，利用支架或者支撑平台托起加热设备，将测试钢板放入加热腔，与加热电阻丝加热面接触，对加固钢板进行加热并保温，盖上保温盖。

4.3 测点布置与测量方法

试验梁为简支梁。（1）测试截面：跨中截面、支点面；（2）测试内容：跨中截面应变和挠度、支点挠度；（3）测试精度：百分表0.01mm，千分表0.001mm。两个支座附近截面、跨中截面和组合件端部安装百分表，测量支座处沉降、跨中挠度和钢板伸长量。梁跨中截面上、下缘安装梁千分表引伸仪，测量梁跨中截面的应变。

4.4 电加热

开始加热前，检查仪表是否正常，进入电加热程序。接上加热带并打开电源，监测记录温度变化量与钢板伸长量，温度每升高10℃测读1次钢板伸长量，直至加热到设计温度差值。加热后加固钢板伸长量达设计要求后，记录最终温度值，再次测读钢板伸长量。

4.5 撤除加热带并端部锚固

加热到设计要求最大温度差值并记录读数后，尽快拆除加热带，然后将测试钢板用螺帽固定在预埋板下方，并用点焊固定螺帽与组合试件。监测钢板温度值和各测点读数，温度每降低10℃测读1次，温度降至环境温度后粘贴钢板。

5 试验数据分析

试验分三个阶段：（1）加热阶段。加固钢板加热至设计温差，随着钢板温度上升，钢板长度随之增加，监测钢板温度和伸长量。（2）施加预应力阶段。加固钢板锚固结束至钢板冷却到环境温度，随钢板温度下降，钢板产生收缩变形。受到锚固约束，加固钢板逐步向空心板梁施加预应力，监测混凝土空心板梁应变和挠度。（3）黏结后阶段。加固钢板与空心板梁黏结后延续60d，钢板松弛和混凝土徐变对预应力影响，监测空心板梁应变和挠度改变量。

5.1 加热及施加预应力阶段

监测加固钢板长度随温度升高伸长。实测1#～3#钢伸长量分别为6.42mm、6.91mm和5.71mm。

（1）挠度。①实测挠度曲线：施加预应力阶段1#～3#梁挠度变化（见图2），加固钢板在两端锚固后，随着温度的降低，混凝土空心板梁逐步产生了向上挠度，说明加固钢板对空心板梁产生了体外预应力作用。②最大实测挠度与理论计算值的比较：根据钢板伸长量，可以计算出钢板施加于空心板梁上的负弯矩，此负弯矩对空心板梁会产生向上的挠度效应。

图2 挠度变化

（2）应力应变。①实测应变：施加预应力阶段1#～3#梁实测应变（见图3）。与挠度曲线类似，钢板在两端锚固后，随着温度的降低，混凝土空心板梁上、下缘的应变发生了变化。说明加固钢板对空心板梁产生了体外预应力作用。②实测应力与理论计算值的比较：根据钢板伸长量，可以计算钢板施加于空心板梁上负弯矩，负弯矩对空心板梁产生应力效应。

图3 应变变化

5.2 黏结后阶段

（1）挠度。①黏结后阶段1#～3#梁挠度变化见图4。由图4可知，钢板黏结后，预应力对混凝土的徐变作用会使空心板梁的上拱挠度增加。②基本从30d后趋于平稳，说明30d后混凝土徐变作用减小。

图4 实测挠度随时间变化

（2）应力应变。黏结后阶段1#～3#梁应变见图5。从图5曲线走势，得到如下结论：①钢板黏结后，预应力对混凝土的徐变作用会使空心板梁的内部应力发生变化。②应变变化曲线基本从15d后趋于平稳。说明应变先于挠度趋于平衡。

图5 应变随时间变化

6 结论

通过此次试验，可以得到以下结论：在预加应力阶段，加固钢板在加热结束并两端锚固后，随着温度的降低，混凝土空心板梁逐步产生了向上的挠度，空心板梁上、下缘混凝土应力发生了改变，说明加固钢板对空心板梁产生了体外预应力作用。这证明采用电加热、端锚固预应力钢板加固方法是可行的，对梁板加固起到了很好的效果，对指导今后桥梁板加固，恢复结构承载力具有重要的借鉴价值。