基于荷载试验的空心板桥加固效率分析

张薇 李睿 李定美

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南省曲靖公路局 云南曲靖 655000)

0 引言

近年来，空心板桥加固方法层出不穷。空心板桥常用加固方法有增大截面法、桥面补强层加固法、粘贴钢板法、增设体外预应力筋加固法、粘贴碳纤维材料加固法、改变结构受力体系等，这些方法在过去的桥梁加固中均取得了一定的成效[2-4]。但是在之前的研究与工程实践中只针对单一一种加固方法的加固效率进行阐述，并未对两种或多种加固方法的加固效果进行对比。本文基于云南省玉溪市3座预应力空心板桥加固前后理论分析及荷载试验数据，对比粘贴碳纤维筋、简支转连续和粘贴钢板3种加固方法的加固效率及经济效益研究。为今后不同加固目标的桥梁提供加固方案参考，同时经过工程经验的积累，为今后空心板桥同类病害加固提供标准化加固方案，通过标准化加固方案的实施，可以有效推动我国桥梁养护加固市场的规范化，延长养护周期、节约工程造价、提高加固质量[5]。

1 空心板桥的加固方法

目前空心板桥加固方法有很多，对于结构补强型加固主要分为主动加固和被动加固。其中主动加固有体外预应力加固法、体内预应力加固法、简支转连续加固法等，被动加固方法有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维片材加固法等。本文主要对比粘贴碳纤维筋加固、简支转连续加固、粘贴钢板加固3种加固方法的加固效率分析。

1.1 粘贴碳纤维材料加固法

空心板桥板底粘贴碳纤维筋加固法，是一种新型的加固方法，该方法利用碳纤维材料优于其他材料的抗拉性能，粘贴于结构受弯部位，使碳纤维材料与结构共同受力达到加固目的,实质是体外配筋。采用植筋胶锚固方式将结构连接并喷涂高聚合物砂浆，用高强碳纤维筋作为受力配筋，提高原构件的配筋量与桥梁的整体性，从而提高结构构件的刚度和承载力。该方法的优点是：①碳纤维筋自重轻，对整体的结构重量影响小；②采用锚固和开槽方式施工、施工简便、无需支模板；③施工方法简单，工期短，不需要大型设备，不受空间限制；④粘结力强，与原结构易形成一体；⑤与混凝土性能一致，抗冻融性、耐久性、耐化学腐蚀性良好，对空心板桥梁的耐久性也起到很好的作用；⑥对交通的影响较小，施工后可快速恢复通车[5]。本文中回水头桥在原桥板底采用粘贴碳纤维筋加固方法进行加固，该桥共加固空心板51片，每片板在跨径的1/4～3/4之间板底布设纵向长度10 m，横桥向间距9 cm的φ6碳纤维筋，并喷射2 cm厚高强聚合物砂浆。

粘贴碳纤维筋加固方法施工步骤：原结构表面处理(清除表面风化层，突出及松散砌缝砂浆)—涂抹表面强化剂—表面找平—安装锚具—安装碳纤维筋—喷涂高强度聚合物砂浆—涂刷表面防腐材料。

1.2 简支转连续加固法

简支转连续是多跨简支梁(板)桥加固的一种选择[6]。简支转连续加固旧桥与其他加固方式不同的一点在于，该加固方法改变了结构体系受力方式，使桥梁在恒载的作用下发生内力重分布。显著改善桥梁整体的承载能力、结构刚度和动力特性。其中简支转连续根据连续处处理方式不同分为普通钢筋连续、预应力钢束连续、局部预应力钢束连续等；依据所使用的混凝土材料不同可分为普通混凝土连续和自应力混凝土连续等；根据支座类型又可分为单支座连续和双支座连续两种。该方法在提载的同时，还可以有效避免桥梁由于伸缩缝失效维修给交通带来的影响，同时由于桥面的连续性，可以有效改善行车舒适性和安全性[7]。本文黑箐桥采用该方法进行加固，凿除墩顶7 m范围内空心板顶板混凝土，布设负弯矩钢筋，浇筑C50混凝土填实该范围空心板内腔。

简支转连续加固方法施工步骤：桥梁进行卸载—将简支转连续处的原构件外包部分外表面打毛及清洁处理—对支座转换与墩顶段的连续化处理—邻跨间接缝处的混凝土浇筑—临时支座的拆除。

1.3 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固也是目前针对混凝土构件承载力不足的一种加固方法，该方法可以增加混凝土构件抗弯刚度，改善其弯曲、剪切、拉伸性能，减小挠度，并抑制裂缝发展等优点，现广泛应用于桥梁加固工程中[8]。该方法施工方便，加固效果较好，但是由于所粘贴的钢板直接暴露于环境中，因而在设计和使用时需要将钢板的耐火性和耐腐蚀性考虑在内，粘贴胶的性能好坏也是加固效果好坏的直接影响因素[9]。本文中七公里桥空心板采用该方法进行加固，粘贴的钢板为5 mm厚的钢板，在空心板板底全长范围内粘贴，以增强空心板的纵向抗弯能力。

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粘贴钢板加固方法的主要施工步骤：施工放样—凿毛粘贴钢板位置处混凝土保护层，凿灌浆料槽道—凿除粘贴钢板位置处松动混凝土—混凝土钻孔—钢板钻孔—安装钢板，并临时锚固—钢板周围密封—注浆—待浆体开始初凝时紧固螺杆[10]。

2 工程概况及荷载试验

2.1 工程概况

本文所选择3座桥分别为回水头桥、黑箐桥和七公里桥，均为预应力简支空心板桥，均处于景大线，通车时间一致，设计荷载等级一致，桥梁病害主要为空心板板底出现纵横向裂缝，裂缝均未超限，承载力下降。各桥采用加固方法见表1，原桥立面如图1～图3所示。

表1 各桥梁加固方法

图1 回水头桥原桥立面图(单位：cm)

图2 黑箐桥原桥立面图(单位：cm)

空心板在运营期间出现的问题具有普遍性，主要为铰缝破损导致桥梁的整体性不足，板底出现纵向裂缝甚至贯通，单板承受车轮荷载导致跨中板底出现横向裂缝等。纵向裂缝对空心板的承载力并不产生影响，但是对桥梁的耐久性产生影响，所以在加固过程中，需要对纵向裂缝进行灌胶封闭处理，板底横向裂缝是由于承载力不足引起，需要进行加固处理。

2.2 理论计算及荷载试验

本文所依托的工程实例，加固前后所做荷载试验前均采用有限元软件建立空间模型进行计算，得出理论值，测试桥梁在试验荷载作用下的结构效力，对桥梁结构性能进行评价。

通过静载试验，了解测试桥跨上部主体结构不同加固方法加固前后在试验荷载情况下的实际受力状态和工作状态，评价结构在荷载作用下的工作性能，检验桥梁结构加固后的强度、刚度和承载力等的变化，评价桥梁不同加固方法的加固效果[11-12]，为今后同类桥梁加固工作提供参考。

桥梁加固前后的荷载试验分为2个工况加载，工况一为中载，工况二为偏载。采用重载汽车等效设计荷载来实现和满足加载要求，在结构控制截面内力影响线最不利位置布载，使其试验荷载效率满足《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)要求。

所选加固的3座桥单跨跨径和桥宽相差不大，故用于荷载试验的试验车辆和布载方式一致。按照应力等效的原则，确定试验荷载的大小。根据有限元空间模型计算，静载试验采用4辆30 t(车重+荷重)双后轴汽车加载。为了对比出加固前后2次荷载试验结果，加固前后加载车辆及加载位置一致。试验荷载(试验用车)见图4所示。试验用车的前后轴质量分配为前轴6.0 t，双后轴均为12.0 t。

图4 试验荷载试验用车

各工况下加载车辆横向布置位置如图5和图6所示。

图5 工况一下加载车辆横向布置位置(单位：m)

图6 工况二下加载车辆横向布置位置(单位：m)

L/2截面测试应变测试布置点为每片空心板在板底粘贴一个应变片，如图7所示。由于加固前后对实桥荷载试验结果进行对比分析，所以测点布置位置加固前后以及在有限元空间模型中保持一致。

图7 L/2截面测试应变测试布置点

3 加固前后荷载试验结果

通过荷载试验得出粘贴碳纤维筋加固方法、简支转连续加固方法和粘贴钢板加固方法在工况一(中载)、工况二(偏载)下桥跨L/2处加固前后理论应力、实测应力和理论挠度、实测挠度的对比分析，见表2和表3所示。为了更清晰地对比加固效率，表中的应力及挠度均采用平均值。

表2 L/2截面处加固前后平均应力对比 MPa(变化率除外)

表3 L/2截面处加固前后平均挠度对比 mm(变化率除外)

续表3

4 加固效率对比分析

4.1 应力对比分析

3座空心板桥加固前后平均应力及加固效率对比分析见图8所示。

(a)加固前后平均应力对比

对比粘贴碳纤维筋加固、简支转连续加固、粘贴钢板加固方法理论计算及实测结果可知，对空心板桥加固用简支转连续加固方法的板底平均应力减小最大，应力减小幅度为在工况一下59%，在工况二下71%；粘贴钢板加固方法的板底平均应力减小幅度在工况一下为49%，在工况二下为44%；粘贴碳纤维筋加固方法的加固效率较差，板底平均应力减小幅度在工况一下为20%，在工况二下为17%。

4.2 挠度对比分析

3座空心板桥加固前后平均应力及加固效率对比分析见图9所示。

根据表3及图9可知，3种加固方法对空心板在试验荷载作用下的挠度减小幅度相差不大，这是由于3种加固方法均不改变结构在恒荷载作用下的挠度，简支转连续加固方法可减小荷载作用下的裂缝宽度，但粘贴钢板加固方法及粘贴碳纤维筋加固方法在荷载下减小挠度的变化不明显，但是3种加固方法对结构的延性均有所提高。

(a)加固前后平均挠度对比

4.3 剪力对比分析

简支转连续加固方法封闭连续端空心板，增大支点处抗剪截面。加固前平均剪应力为2.51 MPa，加固后平均剪应力为2.26 MPa，剪应力减小11%，有效提升空心板的抗剪承载力。粘贴碳纤维筋加固和粘贴钢板加固不改变空心板桥的截面面积，对空心板的抗剪承载力没有提升效果。

3种加固方案均对梁体的受力有所改善，加固后跨中的应力和挠度有不同程度的减小。粘贴钢板加固和粘贴碳纤维筋加固均为在构件受力薄弱的位置增设受拉材料，新增加的材料须在结构构件受荷载变形之后才能发挥作用，属于被动加固，所以只能承受车辆等移动荷载和后加的恒荷载所引起的构件内力，但对结构刚度的承载力都有所提高。简支转连续加固方法为主动加固方法，由于改变原结构的受力体系，使支点处产生负弯矩，抵消一部分跨中的正弯矩，增加构件的抗弯能力，同时，对结构刚度和承载力有明显的提升，所以加固效果最好。

5 结论

(1)在本文论述分析的3种加固方法中，对预应力空心板桥梁的承载力提升幅度方面，简支转连续加固方法优于粘贴钢板加固方法，优于粘贴碳纤维筋加固方法。

(2)在活荷载下，简支转连续加固方法对预应力空心板桥的挠度降低最大，粘贴碳纤维筋加固及粘贴钢板加固方法对预应力空心板桥的挠度降低幅度相似。3种加固方法对预应力空心板桥的延性均有所提升。

(3)3种加固方法对预应力空心板桥板底裂缝均有抑制作用，有效提升桥梁的耐久性。

(4)由于简支转连续加固方法在施工时将连续端预应力空心板空心部分填实，增大连续端处的梁截面面积，对预应力空心板桥桥墩处截面的抗剪性能有一定程度的提升。

(5)桥梁加固前后实测数据与有限元模型计算所得的理论数据存在偏差，出现偏差的原因有：该批桥梁均为预应力空心板桥，所以在建立模型分析时未考虑普通钢筋的受力，而进行实桥荷载试验时，普通钢筋实际上有参与受力；实测数据存在人为因素及环境因素带来的误差，可能与桥梁的真实受力状态有些许偏差。

根据本文3种加固方法的加固效率研究，简支转连续加固方法的加固效率最高，对结构延性提升最大，该方法可以应用于提载为主要目标的桥梁加固中；粘贴碳纤维筋和粘贴钢板加固方法，对桥梁的承载力提高效果不大，可以主要用于以加固为目标的空心板桥梁改造工程中。