一种对简支空心板主梁抗弯加固的方法

摘要

一种对简支空心板主梁抗弯加固的方法，其施工步骤为：拆除桥面附属设施，凿除主梁间铰缝和桥面现浇层，保留主梁；在桥下搭设施工用操作平台对主梁进行表面处理；在保证主梁安全性的前提条件下用千斤顶顶升主梁，卸载主梁跨中恒载弯矩；主梁恒载弯矩卸载后粘贴钢板；浇筑铰缝和桥面现浇层混凝土，达到养护时间后同步卸载千斤顶，使主梁坐落在支座上，然后移出千斤顶；浇筑铰缝及桥面现浇层混凝土；恢复桥面附属设施，完成主梁抗弯加固。该方法采取对主梁跨中恒载弯矩卸载后粘贴钢板，使钢板不仅可以参与承担汽车荷载和后加恒载，而且还能参与承担所卸载的恒载弯矩，能有效提高主梁的抗弯承载能力；同时在主梁跨中受拉区钢筋的应变应力降低时粘贴钢板，可使加固钢板的材料性能得到较为充分发挥。

说明书

技术领域

本发明涉及公路桥梁，具体为一种对既有简支空心板主梁进行抗弯加固的方法。

背景技术

空心板梁桥是小跨径桥梁10～20m最常用的结构形式之一，多数以简支梁为主，适合工 厂化批量生产，装配式施工。空心板梁桥断面由多片主梁组成，主梁间设置铰缝，主梁架设 完毕后，铰缝同桥面现浇层混凝土一并浇筑后，多块主梁、铰缝及桥面现浇层形成一个整体， 承受汽车等荷载。在桥梁纵向上，主梁是最主要的受力构件。

然而，在空心板梁桥投入运营后，主梁底板常出现横向裂缝，主要表现为：发生在主梁 跨中底板附近，间距最小可达100～200mm，根据裂缝深度的大小，分为浅缝和贯穿主梁内部 的深度裂缝两种情况，尤其后者危害大，伴随主梁顶板的损坏，常常引起主梁内积水、渗水 等次生病害。横向裂缝发生的主要原因是由于主梁抗弯承载力不足，主梁底板的弯曲应力超 过混凝土的极限抗拉强度。

当空心板主梁底板发生横向裂缝后，需要进行加固维修，以保证结构的安全性和耐久性。 常采用的加固方法是直接在主梁底板粘贴钢板进行加固，这种加固形式的不足之处是钢板不 能参与承担加固前已经作用在主梁上的恒载弯矩，只能参与承担汽车荷载和后加恒载引起的 内力，主梁的抗弯承载力提高有限。钢板与主梁既有的受拉钢筋相比，其应力应变相对滞后， 在极限状态时，其应力应变远达不到抗拉强度设计值，但主梁的受拉钢筋已经达到其抗拉设 计强度，因而造成钢板不能充分发挥其材料性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种对既有简支空心板主梁进行抗弯加固的方法，以克服上述直接 在主梁的底板粘贴钢板加固方法存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明采取将简支空心板主梁加固前存在的跨中恒载弯矩卸载后粘贴 钢板的方法进行加固，其施工步骤如下：

步骤1、拆除桥面附属设施，凿除主梁间铰缝和桥面现浇层，保留主梁；

步骤2、在桥下搭设施工用操作平台；

步骤3、对主梁进行表面处理：

先对裂缝进行封闭或灌封；达到养护时间后凿除2～8mm厚混凝土表层，使坚实的混凝 土内层露出；然后用斩斧轻斩露出的混凝土表面，形成平整的粗糙面；除去表面上的粉尘； 对表面较严重的凹凸不平用环氧树脂砂浆修补；

步骤4、卸载主梁跨中恒载弯矩：

在主梁底板下、距两侧支座分别为主梁跨径的1/4处安装两个千斤顶，利用千斤顶将主 梁顶起，使主梁与支座完全分离，主梁荷载由原来的支座承担转为由千斤顶承担，此时原简 支的受力体系转变为简支体带悬臂的受力体系，受力体系转换后主梁跨中恒载弯矩变为0， 主梁跨中恒载弯矩被卸载；

为确保桥梁的安全性，该卸载主梁跨中恒载弯矩的方法必须同时具备以下A、B两个条 件才可采用(不同时具备A、B两个条件则不能采用本发明加固方法)：

A、施工过程中，在千斤顶作用位置处主梁产生的最大负弯矩(q₁+q₂)l²/32不能大于主 梁的极限抗弯承载能力M_u：

(q₁+q₂)×l²/32≤M_u

式中：

M_u：千斤顶作用位置处主梁的极限抗弯承载力(kNm)，由《公路钢筋混凝土及预应力 混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第5.2.3条求得，

q₁：主梁的恒载荷载集度(kN/m)，

q₂：铰缝和桥面现浇层的湿重荷载集度(kN/m)；

B、施工过程中，在千斤顶作用位置处主梁产生的最大负弯矩(q₁+q₂)l²/32产生的裂缝 W_fk不能大于主梁最大裂缝宽度限值W_u：

$W_{\mathrm{fk}}=1.5\times C_1\frac{\frac{(q_1+q_2)\times l^2}{{0.87A}_s{h}_0}}{E_s}\left(\frac{30+d}{0.28+10\rho }\right)\le W_u$

式中：

W_u：最大裂缝宽度限值，Ⅰ类和Ⅱ类环境最大裂缝宽度限值为0.2mm，Ⅲ类和Ⅳ类环境 最大裂缝宽度限值为0.15mm，

E_s：纵向受拉钢筋的弹性模量(N/mm²)，对R235钢筋E_s＝2.1×10⁵N/mm²，对HRB335 钢筋E_s＝2.0×10⁵N/mm²，

A_s：千斤顶作用位置处主梁的上缘纵向受拉钢筋截面面积(mm²)，

h₀：千斤顶作用位置处主梁的有效高度(mm)，

C₁：钢筋表面形状系数，光面钢筋，C₁＝1.4；带肋钢筋，C₁＝1.0，

ρ：纵向受拉钢筋配筋率，其中b为截面腹板宽度，b_f为构件受拉 翼缘的宽度，h_f为构件受拉翼缘的厚度，当计算值ρ＞0.02时，取ρ＝0.02，当ρ＜0.006时， 取ρ＝0.006，

d：千斤顶作用位置处主梁的上缘纵向受拉钢筋直径(mm)；

步骤5、在主梁底板粘贴和固定钢板：

在主梁恒载弯矩卸载后，先对钢板的粘合面进行清理，使粘合面出现金属光泽，再经打 磨，形成粗糙的粘合面，用丙酮将粘合面擦干净；然后用粘结剂粘贴和固定钢板：粘结剂采 用环氧类粘结剂，将粘结剂同时涂抹在已处理好的主梁底板和钢板粘合面上，涂抹厚度为 1～3mm；然后将钢板贴于预定位置；粘贴好钢板后，轻轻敲击钢板，如无空洞声，表示已粘 贴密实，有空洞声，表示有空气，未粘贴密实，应剥下钢板，补粘结剂后重新粘贴；钢板粘 贴好以后立即加以顶撑，顶撑压力保持0.05～0.1MPa，使粘结剂恰好从钢板的边缝中挤出为 度(若用膨胀螺栓固定，此时膨胀螺栓是钢板的永久附加锚固，膨胀螺栓的埋设孔洞和钢板 钻孔需在涂抹粘结剂前完成)，然后在20℃以上常温下使粘结剂固化24小时，固化期间不得 对钢板有任何扰动；固化后拆除支撑；

步骤6、浇筑铰缝和桥面现浇层混凝土，达到养护时间后进行下步操作；

步骤7、同步卸载千斤顶，使主梁坐落在支座上，将主梁荷载由千斤顶承担转为由原来 的支座承担；然后移出千斤顶；浇筑铰缝及桥面现浇层混凝土；恢复桥面附属设施，完成对 简支空心板主梁抗弯加固。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用在主梁下设置千斤顶顶升主梁使结构的受力体系由简支体系转变为以两个顶升点 支承的简支体带悬臂的受力体系，通过悬臂段主梁恒载对跨中弯矩进行卸载，卸载后粘贴钢 板进行加固，使粘贴的钢板不仅可以参与承担汽车荷载和后加恒载，而且还能参与承担体系 转换所卸载的恒载弯矩，能有效提高主梁的抗弯承载能力。

2、所选取的千斤顶顶升位置(主梁底板下距两侧支座分别为主梁跨径1/4处)能保证顶 升主梁及浇筑铰缝和桥面现浇层两个施工阶段主梁跨中弯矩均得到卸载(为0)。顶升前主梁 跨中弯矩为(q₁₊q₂)l²/8，顶升后主梁跨中弯矩为0，主梁恒载作用下的跨中弯矩得到完全卸 载，同时在浇筑铰缝和桥面现浇层产生湿重时，主梁跨中弯矩不变(仍为0)。

3、在主梁的恒载弯矩卸载后，主梁跨中的受拉区钢筋的应变应力得以减小，加固钢板在 受拉区钢筋应力应变的初始值降低时参与受力，钢板应力应变滞后的问题基本得到解决，有 效提高了钢板加固能力的利用率。

4、对卸载主梁恒载弯矩的施工条件进行了限定，可确保在实施千斤顶顶升时主梁的安全 性不受影响。

5、后浇的铰缝和桥面现浇层与主梁在拆除支架后在同一时间一起受力，铰缝和桥面现浇 层可以参与承担主梁恒载弯矩，改变了以往后浇的铰缝和桥面现浇层只能参与承担汽车荷载 和后加恒载的受力情形，进一步提高了主梁的抗弯承载能力。

6、该加固方法采用常用施工机具，工艺成熟，现场施工简便，成本低廉，尤其适合桥下 净空10m以下、搭设支架方便的空心板主梁加固。

附图说明

附图给出本发明一个实施例的示意图，其中：

图1为待加固空心板梁桥的断面图；

图2为本发明施工方法参考图；

图3为图2中A—A剖面图；

图4(a)为跨度为l的简支体系在荷载集度为(q₁+q₂)作用下的弯矩图；图4(b)为悬 臂为l/4、跨度为l/2的简支体带悬臂体系在荷载集度为(q₁+q₂)作用下的弯矩图。

图中：1–主梁，2–铰缝，3–桥面现浇层，4–支座，5–操作平台，6–千斤顶，7– 粘结剂，8–钢板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例为对图1所示由六块主梁1组成的空心板梁桥进行加固。该桥的主梁1长宽高 尺寸为(12960╳990╳700)mm，主梁之间有浇筑混凝土的铰缝2，主梁上面为混凝土桥面现 浇层3。加固前空心板的铰缝局部位置存在渗水、泛白，个别铰缝有开裂和脱落现象，多片 主梁跨中附近有多条横向裂缝，需要对主梁进行抗弯加固，重新浇筑铰缝。

施工前先通过如下计算确定该桥是否具备采用本发明加固方法的两个条件：

A、该空心板梁桥主梁上缘配置有7根Φ12的HRB335钢筋；翼缘宽度b_f＝795mm，翼 缘厚h_f＝120mm，截面腹板宽度b＝300mm，由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范》(JTG D62-2004)第5.2.3条相关规定求得M_u＝144kNm；

根据该桥跨径l＝12.6m，主梁的恒载荷载集度q₁＝9.5kNm，铰缝和桥面现浇层的湿重荷载 集度q₂＝4.2kNm，求得：

$\frac{(q_1+q_2)\times l^2}{32}=68.0\mathrm{KNm}<M_u=144\mathrm{kNm}$

具备施工过程中在千斤顶作用位置处主梁产生的最大负弯矩不大于主梁极限抗弯承载能力 M_u的条件。

B、基于该桥处于Ⅰ类和Ⅱ类环境，其最大裂缝宽度限值为W_u＝0.2mm；截面腹板宽 b＝300mm，主梁的有效高度h₀＝660mm；采用的HRB335，纵向受拉钢筋表面形状系数C₁＝1.0、 弹性模量E_s＝2.0×10⁵N/mm2；纵向受拉钢筋直径d＝12mm；构件受拉翼缘的宽度b_f＝795mm， 翼缘的厚度h_f＝120mm，千斤顶作用位置处主梁上缘纵向受拉钢筋的截面面积A_s＝7× 113.1mm²，

纵向受拉钢筋配筋率$\rho =\frac{A_s}{{\mathrm{bh}}_0+(b_f-b)h_f}=\frac{7\times 113.1}{300\times 660+(795-300)\times 120}=0.0031,$求得：

$W_{\mathrm{fk}}=1.5\times 1\frac{\frac{(q_1+q_2)\times {12600}^2}{0.87\times 7\times 113.1\times 660}}{2.0\times {10}^5}\left(\frac{30+12}{0.28+10\times 0.031}\right)=0.08\mathrm{mm}<W_u=0.2\mathrm{mm}$

具备施工过程中在千斤顶作用位置处主梁产生的最大负弯矩产生的裂缝W_fk不能大于主 梁最大裂缝宽度限值W_u的条件。

鉴于该桥同时具备上述两个条件，可以采用本发明方法进行加固。

参照图2至图4，其施工步骤为：

步骤1、拆除桥面附属设施，凿除主梁间铰缝2和桥面现浇层3，保留主梁1；

步骤2、在桥下搭设施工用操作平台5；

步骤3、对主梁1进行表面处理：

先对裂缝进行封闭或灌封；达到养护时间后在主梁底板两侧各350mm范围内凿除5mm 厚混凝土表层，使坚实的混凝土内层露出；然后用斩斧轻斩露出的混凝土表面，形成平整的 粗糙面；除去表面上的粉尘；对表面较严重的凹凸不平用环氧树脂砂浆修补；

步骤4、卸载主梁跨中恒载弯矩：

在主梁底板下、距两侧支座分别为3.15m(主梁跨径l的1/4)处安装两个千斤顶6，利 用千斤顶将主梁顶起，使主梁与支座4完全分开，主梁荷载由原来的支座承担转为由千斤顶 承担，此时原简支的受力体系转变为简支体带悬臂的受力体系，受力体系转换后主梁跨中恒 载弯矩变为0，主梁跨中的恒载弯矩被卸载；此时，千斤顶作用位置处主梁的弯矩为负弯矩 q₁l²/32，该弯矩由主梁的恒载引起；

步骤5、在主梁底板粘贴和固定钢板8：

在主梁恒载弯矩卸载后，先对两条钢板8的粘合面进行清理，使粘合面出现金属光泽， 再经打磨，形成粗糙的粘合面，用丙酮将粘合面擦干净；然后用粘结剂7粘贴和固定钢板： 粘结剂7采用环氧类粘结剂，将粘结剂同时涂抹在已处理好的主梁底板两侧的混凝土底板和 钢板的粘合面上，涂抹厚度为3mm；然后分别将钢板贴于预定位置；粘贴好钢板后，轻轻敲 击钢板，如无空洞声，表示已粘贴密实，有空洞声，表示有空气，未粘贴密实，应剥下钢板， 补粘结剂后重新粘贴；钢板粘贴好以后立即加以顶撑，顶撑压力保持0.1MPa，使粘结剂恰好 从钢板的边缝中挤出为度，然后在20℃以上常温下使粘结剂固化24小时，固化期间不得对 钢板有任何扰动；固化后拆除支撑；

步骤6、浇筑铰缝和桥面现浇层混凝土，铰缝和桥面现浇层混凝土的湿重由主梁承担， 此时在千斤顶作用位置处主梁出现施工过程中的最大负弯矩(q₁+q₂)l²/32(该弯矩由主梁的 恒载及铰缝和桥面现浇层混凝土的湿重引起)，待混凝土达到养护时间后进行下步操作；

步骤7、同步卸载千斤顶，使主梁坐落在支座上，将主梁荷载由千斤顶承担，转为由原 来的支座承担；然后移出千斤顶。浇筑铰缝及桥面现浇层混凝土，恢复桥面附属设施，至此 完成简支空心板主梁恒载弯矩卸载后的加固施工。