付治強(qiáng)，劉國慧，肖成志

(1.天津市公路工程設(shè)計研究院，天津市東興路218號 300170；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津市北辰區(qū)西平道5340號 300401)

現(xiàn)有大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前95%的中小跨徑橋梁采用混凝土板梁結(jié)構(gòu)，在日益增加的交通流量和重載作用下，板梁病害和養(yǎng)護(hù)維修成為研究重點(diǎn)。當(dāng)前，粘貼鋼板和碳纖維板是橋梁維修工程中兩種常用的加固方法。粘貼鋼板和碳纖維板加固橋梁具有施工快捷、質(zhì)量易于保證、耐久性好等優(yōu)良特性，因此，粘貼鋼板與碳纖維板加固技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于粘貼鋼板和碳纖維板加固混凝土板梁的應(yīng)用研究較多，并得到了一些具有重要參考價值的研究結(jié)果?；诶碚撆c工程實(shí)踐分析，劉來君等[1]研究了二次受力對粘貼鋼板加固橋梁承載力的影響，借助試驗(yàn)李鳳蘭等[2]研究粘貼鋼板加固鋼筋銹蝕混凝土梁的力學(xué)性能，結(jié)果表明粘鋼可有效提高梁體承載力。杜青等[3]借助數(shù)值方法研究粘鋼加固鋼筋混凝土梁體的各種性狀和破壞模式。林于東等[4]通過載荷試驗(yàn)研究粘貼鋼板對混凝土梁體抗剪承載力的影響。張海輝[5]、白云飛[6]等從不同角度研究了碳纖維板在混凝土橋梁加固中的應(yīng)用效果，研究結(jié)果均表明粘貼碳纖維板加固方法是一種較好的維修方法。劉建起等[7]通過荷載試驗(yàn)研究了粘貼碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力梁體對抗彎承載力的影響，并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)粘貼碳纖維板加固梁抗彎承載力的計算公式。此外，其他一些學(xué)者從不同角度研究了粘貼鋼板和碳纖維板加固混凝土梁的力學(xué)性能，并得出具有重要參考價值的結(jié)論[8-10]。

然而，目前針對采用鋼板和碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力空心板梁時，綜合采用梁體跨中撓度、受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變和梁腹部裂縫作為評價指標(biāo)來對比分析粘貼鋼板和碳纖維板加固效果的研究較少，這里通過開展大型載荷試驗(yàn)對比研究粘貼鋼板和碳纖維板應(yīng)用于加固普通公路橋梁上部混凝土預(yù)應(yīng)力空心板梁的維修加固效果，旨在為未來同類工程項(xiàng)目的加固維修提供理論支撐與施工指導(dǎo)。

1 預(yù)應(yīng)力空心板梁加固試驗(yàn)介紹

1.1 預(yù)應(yīng)力空心板梁

試驗(yàn)所用預(yù)應(yīng)力空心板梁是天津市外環(huán)線上某座橋梁上部混凝土板梁維修替換下的預(yù)應(yīng)力空心板梁，用于研究預(yù)應(yīng)力空心板梁分別采用粘貼鋼板和碳纖維板加固時的加固效果。為了確保靜荷載試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場通過仔細(xì)比對與分析選取具有相似裂縫分布的3片預(yù)應(yīng)力空心板梁，分別對其進(jìn)行不加固、粘貼鋼板與碳纖維板加固處理。

試驗(yàn)所用預(yù)應(yīng)力板梁截面尺寸和配筋圖如圖1所示。板梁尺寸為長10m×高0.6m×寬1.05m，混凝土標(biāo)號為C40，底部縱向受拉區(qū)鋼筋除兩邊側(cè)鋼筋為Φ14HRB335外，其余中部10根縱向鋼筋均為Φ18HRB400，頂部縱向受壓區(qū)兩邊側(cè)與中間鋼筋為Φ16HRB335，其余2根為Φ12HRB335。

(a)預(yù)應(yīng)力空心板梁現(xiàn)場圖 (b)預(yù)應(yīng)力空心板梁截面尺寸及配筋圖

1.2 預(yù)應(yīng)力空心板梁加固方案

選定相同強(qiáng)度和裂縫分布的3片預(yù)應(yīng)力空心板梁，分別采用不加固、粘貼鋼板和粘貼碳纖維板加固3種方式處理。試驗(yàn)中采用鋼板加固空心板梁時，需要高膠結(jié)劑和高強(qiáng)螺栓等材料用于粘貼和固定鋼板，鋼板型號為Q235，彈性模量和泊松比分別為200GPa和0.25，密度為7.85g/cm3，螺栓型號為M12×130。

粘貼鋼板加固圖如圖2所示。由圖2可知，除了在板梁底部縱向粘貼鋼板外，為了增強(qiáng)鋼板的加固效果，還需用高強(qiáng)螺栓對其進(jìn)行錨固，板梁底部是通長加固。粘貼的2條鋼板尺寸均為長6m×寬0.2m×厚0.08m，鋼板兩端距離梁端為1.5m，兩條縱向鋼板間隔為0.2m。對粘貼的2條縱向鋼板進(jìn)行錨固時采用高強(qiáng)螺栓錨固方式，間隔為0.2m，具體分布如圖2(c)所示。

(a)粘鋼加固梁體正截面圖 (b)粘鋼加固平面圖

(c)粘貼鋼板加固立面圖 (d)粘貼鋼板加固現(xiàn)場圖

對于粘貼碳纖維板加固的預(yù)應(yīng)力空心板梁，粘貼的4條縱向碳纖維板尺寸均為長9m×寬0.1m×厚0.0014m，碳纖維兩端距離梁端為0.5m，相鄰的2條縱向碳纖維板間隔為0.1m。對4條縱向碳纖維板粘貼完畢后，在垂直方向采用橫向貫通板梁底面的碳纖維布進(jìn)行覆蓋粘貼，碳纖維布尺寸為寬0.2m×厚0.0014m，間隔為1.5m。加固梁體所用碳纖維板抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為2400MPa和200GPa，屬于高強(qiáng)度、高彈性碳纖維板。粘貼碳纖維板加固板梁圖如圖3所示。

(a)粘貼碳纖維加固平面圖 (b)粘貼碳纖維板加固現(xiàn)場圖

1.3 靜荷載加載及監(jiān)測方案

試驗(yàn)過程中需要監(jiān)測的項(xiàng)目有梁體跨中撓度、受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變和梁腹部裂縫寬度。其中受拉區(qū)鋼筋被梁底部混凝土保護(hù)層所包裹，無法測量其應(yīng)變變化，故可通過測量梁底部混凝土表面應(yīng)變用于分析受拉鋼筋的應(yīng)變變化，即試驗(yàn)中所測梁底部混凝土拉應(yīng)變視為梁底部受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變。

為了監(jiān)測梁體撓度和應(yīng)變的變化，需在梁體上表面安裝位移計進(jìn)行撓度監(jiān)測，在其下表面粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測。在預(yù)應(yīng)力空心板梁的上部受壓側(cè)混凝土表面，沿著梁的中軸線每隔1.5m布置一個位移計，以監(jiān)測梁的沉降情況。而在梁的下部受壓側(cè)，混凝土表面沿著中軸線每隔1.5m布置一個應(yīng)變片，以監(jiān)測梁表面的應(yīng)變變化。試驗(yàn)示意圖和室內(nèi)試驗(yàn)分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

室內(nèi)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完畢之后，開始分別對各梁進(jìn)行正截面抗彎靜力加載試驗(yàn)。試驗(yàn)加載時，以跨中位置為中心對其進(jìn)行逐級施加靜荷載，每級荷載為10kN，每級荷載之間的停留時間不少于5min，待儀表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后繼續(xù)加載。在加載后期出現(xiàn)梁無法持荷時，則改用位移控制繼續(xù)試驗(yàn)，直至梁出現(xiàn)較大裂縫停止試驗(yàn)。

(a)試驗(yàn)示意圖 (b)室內(nèi)試驗(yàn)圖

2 靜荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 撓度監(jiān)測結(jié)果分析

對未加固、粘貼鋼板與碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力板梁分別進(jìn)行正截面抗彎荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)板梁跨中最大撓度隨著荷載等級的增加而增加，直至試驗(yàn)中止，荷載-撓度曲線圖如圖5所示。由圖5可知，粘貼碳纖維板、鋼板的梁撓度要小于未加固的梁撓度。在加載初期，三片梁的撓度十分接近，但隨著荷載的增大，未加固的梁撓度增長較快。

圖5 荷載-撓度曲線Fig.5 The curves of load-deflection

未加固、粘貼鋼板與碳纖維板加固梁在設(shè)計荷載(20t)、理論破壞荷載(30t)和臨界破壞荷載(35t)作用下的梁體跨中撓度監(jiān)測結(jié)果如表1所示。由表1可知，相對于未加固的梁體，粘貼鋼板和碳纖維板能夠有效減小梁體的跨中撓度，且粘貼鋼板加固梁體跨中撓度又明顯小于粘貼碳纖維板加固梁體跨中撓度。分析原因主要是粘貼鋼板比粘貼碳纖維板能夠使梁具有更大的抗彎剛度，更有效地抵抗外界荷載所引起的變形，故粘貼鋼板梁的撓度小于粘貼碳纖維梁的撓度。

表1 梁體撓度及減少幅度表Tab.1 Deflection and change proportion

此外，由表1還可知，粘貼鋼板、碳纖維板的梁撓度減小幅度均隨荷載增加而逐漸增加。在設(shè)計荷載作用下，粘貼鋼板和碳纖維的撓度減小幅度分別為16%和5%，差值僅為11%。而在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下卻分別達(dá)到38%和12%及41%和14%，差值分別高達(dá)26%和27%，明顯大于在設(shè)計荷載作用下的減少幅度及其差值。由此可知，與未加固板梁相比，加固梁的撓度減小幅度隨荷載增大逐漸增大，而粘貼鋼板與碳纖維板在設(shè)計荷載作用下減少幅度比較接近，在理論破壞荷載和臨界破壞荷載作用下，粘貼鋼板效果明顯優(yōu)于粘貼碳纖維板加固。分析原因主要是梁在工作荷載作用下，外界荷載還不足以使梁產(chǎn)生較大變形，粘貼碳纖維板或鋼板的抗彎作用尚未明顯發(fā)揮出來，粘貼鋼板比碳纖維板能使梁具有更大抗彎剛度也未明顯顯示出來。但隨著外界荷載不斷增大，梁體變形也逐漸增大，碳纖維板和鋼板抗彎作用也愈加明顯，尤其是鋼板加固梁效果十分突出。

2.2 應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

試驗(yàn)中未加固、粘貼鋼板與碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力板梁跨中混凝土應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，梁體跨中混凝土拉應(yīng)變隨荷載增加而增加，但在同一荷載作用下，未加固梁混凝土拉應(yīng)變明顯大于加固梁，由此可知，加固梁增加了強(qiáng)度安全儲備。

圖6 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig.6 The curves of load-strain

未加固、粘貼鋼板與碳纖維板加固梁的撓度在設(shè)計荷載(20t)、理論破壞荷載(30t)和臨界破壞荷載(35t)作用下的跨中受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如表2所示。由表2可知，相對于未加固的梁體，粘貼鋼板和碳纖維板加固能夠有效減小梁體跨中鋼筋拉應(yīng)變，且粘貼鋼板加固梁體跨中鋼筋拉應(yīng)變又明顯小于粘貼碳纖維板加固梁體跨中鋼筋拉應(yīng)變。

此外，由表2還可知，粘貼鋼板和碳纖維板加固梁的鋼筋拉應(yīng)變減小幅度隨荷載增加逐漸增加。例如，在設(shè)計荷載作用下，粘貼鋼板和碳纖維板的鋼筋拉應(yīng)變減小幅度分別為26%和23%，差值僅為3%。而在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下卻分別達(dá)到39%和28%及45%和32%，差值分別高達(dá)11%和13%，明顯大于在設(shè)計荷載作用下的減少幅度及其差值。由此可知，與未加固板梁相比，加固梁的鋼筋應(yīng)變減小幅度隨荷載增大逐漸增大，并且粘貼鋼板與碳纖維板在設(shè)計荷載作用下減少幅度比較接近，而在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下，粘貼鋼板加固效果明顯優(yōu)于粘貼碳纖維板加固。

表2 鋼筋應(yīng)變及減少幅度表Tab.2 Strain and change proportion

2.3 裂縫監(jiān)測結(jié)果分析

為了對比粘貼鋼板和碳纖維板對梁腹部裂縫影響，未加固、粘貼鋼板和碳纖維板加固梁腹部最大裂縫監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，梁體在加載初始階段并未產(chǎn)生裂縫，而在荷載達(dá)到一定水平時，裂縫才開始逐漸出現(xiàn)。未加固梁裂縫出現(xiàn)最早，并且增長速度也最快。在加載后期，未加固和粘貼碳纖維板梁腹部出現(xiàn)裂縫突增現(xiàn)象，而粘貼鋼板加固梁卻未出現(xiàn)此現(xiàn)象。分析其原因主要是未加固和粘貼碳纖維板加固梁在進(jìn)入破壞階段時，發(fā)生脆性破壞，致使梁腹部裂縫寬度迅速增大。而粘貼鋼板加固梁增加了梁的抗彎剛度，具有良好的塑性變形能力，故未出現(xiàn)裂縫寬度突增現(xiàn)象。

圖7 荷載-裂縫曲線Fig.7 The curves of load-crack

未加固、粘貼鋼板和碳纖維板加固梁在設(shè)計荷載(20t)、理論破壞荷載(30t)及臨界破壞荷載(30t)作用下的腹部裂縫最大寬度及其相應(yīng)的減小幅度如表3所示。由表3可知，相對于未加固梁，加固梁的腹部最大裂縫寬度明顯減小，并且加固梁的腹部裂縫最大寬度減小幅度隨荷載增加而逐漸增加，尤其在臨界破壞荷載作用下，粘貼鋼板和碳纖維板加固梁的裂縫寬度減小幅度分別高達(dá)72%和50%。

此外，通過表3對比粘貼鋼板和碳纖維板加固梁裂縫寬度及其減小幅度可知：設(shè)計荷載作用下，粘貼鋼板與碳纖維板加固梁腹部裂縫寬度減小幅度分別為26%和35%，差值僅為9%；而在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下卻分別達(dá)到65%、48%和72%、50%，差值分別高達(dá)17%和22%，明顯大于在設(shè)計荷載作用下的減少幅度及其差值。由此可知，與未加固板梁相比，加固梁的腹部裂縫寬度減小幅度隨荷載增大逐漸增大，并且粘貼鋼板與碳纖維板在設(shè)計荷載作用下減少幅度比較接近，而在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下，粘貼鋼板加固效果明顯優(yōu)于碳纖維板加固。

表3 梁腹部裂縫及減少幅度表Tab.3 Crack and change proportion

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果可知，在設(shè)計荷載作用下，雖然粘貼鋼板比粘貼碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力板梁可以減小梁跨中撓度、鋼筋應(yīng)變和腹板裂縫寬度，但減小幅度微小。由此說明設(shè)計荷載作用下粘貼鋼板比粘貼碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力板梁效果稍微明顯，但考慮到粘貼碳纖維板具有施工方便、造價低等優(yōu)良特性，建議設(shè)計荷載作用下采用粘貼碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力板梁。而在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下，粘貼鋼板比粘貼碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力板梁可以較大幅度減小梁跨中撓度、鋼筋應(yīng)變和腹板裂縫寬度，說明粘貼鋼板效果明顯優(yōu)于粘貼碳纖維板加固，故而建議在理論破壞荷載、臨界破壞荷載作用下采用粘貼鋼板加固預(yù)應(yīng)力板梁。

3 結(jié)論

(1)針對采用粘貼鋼板、碳纖維板加固和未加固的預(yù)應(yīng)力空心板梁開展現(xiàn)場載荷試驗(yàn)對比分析，試驗(yàn)結(jié)果表明粘貼鋼板比粘貼碳纖維板加固空心板梁能更有效減小梁體跨中撓度、受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)變和有效抑制梁腹部裂縫的開展，表明采用粘貼鋼板加固普通公路混凝土預(yù)應(yīng)力板梁橋比采用粘貼碳纖維板加固效果更好。

(2)通過對比分析粘貼鋼板與粘貼碳纖維板加固預(yù)應(yīng)力空心板梁的跨中撓度、受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變和梁腹部裂縫寬度的減小幅度可知，相對于未加固梁而言，粘貼鋼板或粘貼碳纖維板加固梁的跨中撓度、受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變和梁腹部裂縫寬度的減小幅度隨荷載增大而逐漸增大，說明粘貼鋼板或粘貼碳纖維板的加固效果隨荷載增加而愈加顯著。