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关于碳纤维预应力板对既有空心桥梁横向加固的探索

2020-09-16 292 上传者：管理员

摘要：针对装配式空心板梁桥铰缝开裂、破损的问题，采用碳纤维预应力板对桥梁横向进行加固。以某立交桥为工程背景进行了加固设计及实施，并在加固过程中进行了实桥试验。结果表明，采用横向预应力加固后，桥梁的整体性得到加强，最大受力梁体的挠度降低9.5%～10.2%，横向分布系数降低5.5%～8.5%。

关键词：
公路水路运输
加固
梁体
装配式空心板桥
铰缝
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装配式空心板梁桥构造简单、建筑高度低、施工方便、造价低，在中小跨径桥梁中被广泛应用。这种桥梁横向多以混凝土企口缝进行连接，然而在长期的重车荷载作用下，容易出现铰缝开裂、破损的病害，影响板梁之间的横向联系，甚至出现单板受力的情况，对桥梁的运营安全构成威胁[1]。2011年杭州钱江三桥引桥发生桥梁断裂、车辆坠毁事故，其主要原因就是桥梁铰缝破坏形成了单板受力，在重载交通下形成破坏。由此可见，铰缝破坏对于装配式空心板桥的整体受力性能有着严重的影响。另一方面，铰缝破坏会导致桥面出现纵向裂缝，使得雨水可以直接侵蚀桥梁主体，从而影响桥梁结构的耐久性。因此，必须采取有效的措施对这类病害的桥梁进行加固。

常见的加固方法有:化学灌浆法、重新灌注铰缝、铺装补强加固、横向粘贴钢板加固、横向预应力加固等。施宏侣[2]提出了大直径螺杆加固法，沿着空心板铰缝纵向每隔一定间距植入一根大直径螺杆，并在上表面和下表面进行对拉锚固，依靠植筋胶结力及锚固力将各板横向紧紧联系在一起，但该方法对桥梁结构自身造成了较大的损伤。孟科坦[3]提出采用一种新型装配式U型夹板加固技术来实现铰缝传力性能的恢复，但该方法的工程实用性不强。黄民水等[4]在分析了荷载横向分布规律后，提出了采用增加桥面板、配置双向钢筋的同时增加铰缝钢筋的加固方案，但该方案需要断交施工。不少学者开展了横向预应力加固技术研究[4,5]，即在梁底增加横向预应力，增大板梁和铰缝间的压力，从而增大铰缝处混凝土间的摩擦力，增强板梁之间的横向联系。

本文以某装配式空心板梁桥为工程背景，通过有限元分析设计了加固方案，对实桥实施了加固，并在加固前后进行了荷载试验，通过试验对比研究了实际加固效果。

1、工程背景

津同跨线桥位于津同公路上，桥梁总长321.84m，跨径布置为16×20m。桥宽11.75m，横向布置为0.5m(防撞墙)+10.0m(车行道)+1.25m(人行道)，横断面布置如图1所示。空心板宽1.24m，高0.9m，板梁之间采用小铰缝连接;桥面铺装采用6cm中粒式沥青混凝土+8cm现浇混凝土。该桥设计荷载为汽超—20，挂—120。

图1横断面布置图（单位：cm)

该桥于2002年5月建成通车，根据桥梁技术状况调查，主要病害有:桥面铰缝处纵向裂缝，铰缝普遍渗水、钙化(见图2)。这主要是因为该桥的铰缝为小铰缝，在重车荷载作用下，铰缝逐渐出现开裂、破损;此后桥梁的横向联系仅由桥面铺装承担，而桥面铺装刚度不足，车辆荷载作用下各梁变形不一致，导致桥面铺装出现纵向裂缝;桥面铺装的开裂进一步使得横向联系变弱，形成恶性循环。

图2桥梁主要病害

2、加固过程

2.1加固方案

针对津同跨线桥出现的病害，为增强桥梁的横向联系，采用横向体外预应力进行加固。由于预应力碳纤维板具有轻质、高强、高能量吸收能力、高耐腐蚀和耐疲劳性能，因此选择其作为加固材料。

本试验中采用抗拉强度为1000MPa的碳纤维板，厚2mm，宽10cm，单板极限拉力为200kN，由于本方案为研究性方案，故采用保守的150kN为张拉上限。纵桥向，在跨中附近桥梁的横向联系较为薄弱，因此选择在距离跨中较近的范围内进行加固。

横向预应力的施加对梁体起着有利的改善，但也使边梁铰缝对应的桥面板产生拉应力，倘若根数增大到一定程度，势必引起相应位置的开裂。为保证在预应力荷载作用下不产生新的裂缝，将边梁铰缝顶面拉应力不超过1MPa为横向预应力根数上限的确定原则。根据分析，单根150kN置于跨中时其最大值为0.086MPa，若按此布置方式，在跨中布置11根才达到其拉应力上限值。本文从经济方面考虑，确定张拉数量为5根，分别布置在距跨中-1.5m,-0.5m,0m,0.5m,1.5m处。

2.2加固施工工艺

预应力碳纤维板加固施工流程为:施工准备→铰缝处板梁间隙处理→锚固区表面处理→千斤顶标定、锚固区定位→锚栓打孔、植筋→安装固定端及张拉端锚固体系→安装千斤顶、张拉碳纤维板→表面防护。

在加固施工过程中，有一些需要注意的事项:1)由于横向预应力钢筋需锚固于边板，张拉预应力时边板将承受较大的局部应力，因此需在预应力锚固区粘贴钢板以保护板梁;而值得注意的是，在准备阶段，需验算边板锚固区是否需要进行加固;2)锚栓打孔位置避开板梁钢筋以免破坏板梁;3)由于个别梁体间铰缝间距较大，为避免板梁发生变位，板梁间铰缝处缝隙采用填充材料进行充填(见图3)。

图3横向预应力加固施工

3、加固效果

3.1试验方案

本文通过加固前后板梁桥的静荷载试验来验证加固效果。试验采用跨中偏载、跨中对加载2个工况，加载车为30t的三轴车，轴距分别为3.5m和1.4m，横向车轮间距1.8m，加载车中轴作用于跨中断面。试验测试内容为应变和挠度，应变布设于每片梁的跨中，每片梁布设2个测点;挠度布设于每片梁的跨中和支点处。全桥一共18个应变测点，27个挠度测点。为了验证横向预应力大小对结构挠度及横向分布系数的影响，在预应力张拉至5t,10t和15的时候分别进行一次加载及测试。

3.2试验结果及分析

由于篇幅所限，本文仅列出挠度测试结果。加固过程各工况下测点的挠度如图4所示。从图4中可以看出，横向预应力的施加可以有效的改善桥梁的横向分布。工况1为偏载工况，荷载主要作用于8号梁。加固前8号梁的挠度为2.22mm，随着预应力大小的逐渐增加，其挠度逐渐变小，施加5根15t横向预应力后，其挠度为2.01mm，挠度值减少了9.5%。工况2为对称加载工况，挠度最大的梁为5号梁。加固前5号梁的挠度为2.56mm，加固后挠度为2.30mm，降低幅度为10.2%。

其中，ηk为第k片梁横向分布系数;fk为第k片梁挠度。

通过式(1)可以求出各梁在加载车作用下的实测横向分布系数。在工况1偏载工况中，挠度最大的8号梁的横向分布系数在加固前为0.2421，施加5根15t横向预应力后为0.2288，降幅5.5%;在工况2对称加载工况中，挠度最大的5号梁的横向分布系数在加固前为0.2368，加固后为0.2166，降幅8.5%。

从以上结果可以看出，施加横向预应力后，最大受载梁的挠度有效的减少，横向分布系数得以降低，这说明作用于该梁的荷载更多的分担到其他的梁上，桥梁的整体性能更好了。

图4不同预应力大小作用下挠度对比图

4、结语

在装配式空心板桥中，为了防治铰缝开裂导致桥梁横向联系削弱甚至“单板受力”，本文采用横向预应力对某桥进行加固。通过理论分析与实桥试验，得到如下结论:

1)施加预应力后桥梁的整体性得到加强。施加预应力后，各梁的挠度更加均匀，中梁的挠度减小，而边梁的挠度增加。

2)桥梁整体性的加强与横向体外预应力的大小及数量均存在正相关关系，以最大受力梁体的挠度为标准，施加横向体外预应力后最大受力梁体的挠度降低幅度为9.5%～10.2%，以横向分布为标准，最大受力梁体的横向分布降低幅度为5.5%～8.5%。

3)本文仅针对单辆35t荷载车作用下的施加横向预应力后的桥梁横向分布规律进行了研究，但对于桥梁的极限承载能力有待进一步研究。

参考文献：

[1]邓鸣,张建仁,王磊,等.预应力钢棒加固T梁桥横隔板试验研究[J].实验力学,2017,32(4):535-542.

[2]施宏侣.大直径螺杆法加固空心板铰缝的力学性能试验研究[D].武汉:华中科技大学,2018.

[3]孟科坦.装配式U型夹板加固空心板桥及UHPC铰缝研究[D].杭州:浙江工业大学,2018.

[4]黄民水,朱宏平.空心板梁桥“板受力”病害机理及其加固处治研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2008,36(2):118-121.