预应力钢板用于桥梁或梁板加固技术

殷树芳

(岩土科技股份有限公司，浙江 杭州 310014)



预应力钢板用于桥梁或梁板加固技术

殷树芳

(岩土科技股份有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：浙江省是桥梁大省，桥梁总数位居全国第三。同时，由于早期修建的桥梁技术标准低，交通流量大，以及超载的运行，使桥梁出现了大量病害。在常规的该类病害加固中，采用粘贴普通钢板、碳纤维布、预应力碳纤维板等是主要的加固方法。但这些加固方法由于受加固方法特点的影响，存在加固材料恒载不受力，结构刚度提高有限，结构裂缝不能恢复等缺陷。在此，提出一种新的对粘贴的普通钢板预施加预应力技术，消除加固钢板材料的活载受力滞后现象，同时，也可一定程度上弥合原有结构裂缝，提高结构的整体刚度和耐久性，从而使后加固材料与旧梁板完整结合，恒载、活载均共同受力，并提高加固效果。

关键词：桥梁工程；预应力钢板；加固技术

1概述

据统计，浙江省普通干线公路每年3类以下的桥梁近400座，高速公路近100座，桥梁维修加固的任务非常繁重。

在各种病害的桥梁中，早期修建的钢筋混凝土空心板及等截面钢筋混凝土连续梁占主要部分，病害的普遍形式是结构出现大量裂缝，结构刚度和耐久性受到严重影响。常规加固方法很大程度上是对结构的一种安全储备，并不能有效改善结构的整体受力状况。在一些边通车边加固的项目中，新加固材料更难发挥应有的作用。

本项目的研究，通过室内理论建模分析、对比梁板的破坏性试验、实桥荷载试验等手段，建立不同跨径、结构的预应力钢板加固计算方法，以及对承载能力的影响的定量分析。为结构恢复设计标准，或提高设计荷载等级提供理论依据。

在研究试验的基础上，结合实际桥梁的施工经验，提出预应力钢板加固的施工工艺及工法。主要包括：预应力的施加方法及适用条件，预应力荷载的保持方法及其损失值的估算，与常规加固方法进行技术经济比较，为后续推广奠定基础。

2项目研究的必要性

2.1研究目的

由于使用年限、环境恶化、设计缺陷及使用不当等因素，桥梁梁板会出现大量裂缝，不仅会大大缩短桥梁的使用寿命，而且严重威胁车辆、行人的安全。普通粘贴钢板以其优异的性能，现已广泛应用于桥梁、建筑物、隧道、涵洞及其他各种混凝土结构加固修复项目中，但还存在很多缺点。为了克服上述背景技术中的不足，本课题拟开发一种预应力粘贴钢板的方法。该方法能增加桥梁承载能力，提高结构刚度，最大限度发挥钢板的材料力学性能，同时具有实施简便、费用较低、不影响结构外形的特点。通过理论分析，研究预应力的大小及其对承载能力的影响；通过足尺模型对比试验，验证分析实际效果，进而提出一套对不同跨径梁板的预应力钢板加固计算方法和施工工艺或工法，用以指导今后的桥梁加固。

2.2推广应用前景

浙江省钢筋混凝土结构桥梁量大面广，对其病害的合理处置是桥梁加固维修中亟待解决的课题。通过本课题的研究，可以为浙江省桥梁加固维修技术提供技术先进、经济合理、安全适用的新型实用技术，具有广阔的推广前景。

2.3项目实施的可行性

2.3.1钢板预应力的施加技术

钢板是热的良导体，当钢板加热时，根据热胀冷缩原理，长度会增加，采用这个原理，可预先将钢板沉浸在热的液体中，受热膨胀，长度增长，这时在保持温度的情况下贴(或锚栓)在清理过的梁板底面，当钢板冷缩时，钢板与梁板间产生应力。在梁板上安装钢板，产生预应力后进行注胶，使钢板和梁板形成一个整体，共同受力，提高承载力。

另外，通过对梁板中部进行顶升或对梁板的上部铺装层进行减载或在梁板上部两端安装支架后对梁板中部进行拉抬，使得梁板下扰减少或使梁板处于水平直线状态，相当于在粘贴钢板前，对梁体反向卸载，然后清理板底面，再粘贴钢板，需要时同时用锚栓固定。当撤去千斤顶、或增加表面铺装、或撤销梁板中部的拉力时，钢板受梁板的重力产生应力。

2.3.2钢板预应力的计算

通过UNSYS、MIDAS等大型通用有限元分析软件，可以建立实体模型，对梁板不同预应力大小对结构的影响进行弹性及非线性分析，合理取用预应力值，取得最大的承载能力提高系数，同时又保证结构的安全、耐久。

2.3.3实验验证

通过旧有空心板的普通粘钢及预应力粘钢，进行现场荷载加载试验，测定梁板的弹性、非线性响应特性，并与理论模型进行比对分析，合理确定设计参数。通过等截面连续箱型梁粘钢加固的现场荷载试验，验证实际桥梁的弹性响应特征，合理确定设计参数。

3发展现状及研究热点

3.1现状与问题

3.1.1国外研究的现状

20世纪60年代中期，粘钢加固最早出现于法国和南非。在当时，研究者用环氧树脂将钢板粘贴于混凝土梁受拉表面，以提高梁的抗弯承载能力，取得了很好的效果。进入20世纪70年代后，随着各种性能更加优良的建筑结构胶相继出现，该项技术被应用于各种类型的建筑工程加固中。比如美国在1971年，于圣佛兰多大地震的灾后修复过程中，就广泛采用了粘钢加固技术。如今，粘钢加固技术逐步在世界许多国家被推广，并被广泛应用于建筑结构工程、水利工程、交通工程和军事设施等加固和维护工程中。目前国外已完成的研究主要有：1967年，南非的King和Fleming完成了素混凝土梁外粘钢板的试验，这是粘钢加固技术用于加固的首次尝试，开启了对粘钢加固技术的探索之路。1988年英国学者R. Jones对粘钢加固混凝土梁的钢板端部进行锚固试验研究，对钢板、粘合胶与混凝土界面之间的相互作用做了理论分析，对该技术提出了许多新的见解[1]。1990年J. H. Basumbal等人做了粘钢加固和其他传统加固方法的对比试验研究，对各种结构加固方法的优缺点做了全面的介绍。1992年Oehles，Deric John对粘钢加固混凝土梁的早期剥离破坏做了相关理论探讨[2]。1995年R. N. Swamy等对粘钢加固梁进行了耐久性试验研究。1999年美国研究人员R. N. Swamy等人对粘钢加固混凝土梁的抗剪性能特点进行了对比研究，探究了各种因素对抗剪能力的影响。除此之外，还有Thomas T. C和CHoude J等国外学者在粘钢加固技术上也做出了大量的科研工作[3，4]

3.1.2国内研究现状

1991年湖北建筑科学研究设计院总结了武汉青岛路仓库粘钢加固的施工过程[5]，并对外粘钢加固结构技术的应用进行了介绍。1994年刘祖华等人根据弹性梁理论以及部分组合截面理论，推导出了粘钢加固梁钢板与混凝土之间剪应力的解析解，还推导出了钢板拉应力和加固梁挠度的关系。1995年韩继云等人分析了混凝土加固结构受力特征和破坏机理，提出了加固结构与原结构在设计理念上的本质差异，并提出不同的粘钢加固法应遵循的原则、设计构造及施工要点。1996年同济大学教授颜德恒及他的研究生通过理论计算分析和试验数据对比，探讨了粘钢加固结构的受力机理，并对RC等级、侧板高度和厚度等一些参数对梁的强度和刚度影响进行了分析，对粘钢加固技术的工程应用提出了许多建议。1998年吴耀辉通过粘钢加固梁的试验进行了粘贴滑移、锚固长度等方面的研究。同年，朱海峰通过粘钢加固梁试验对混凝土梁的受弯构件的短期刚度、挠度以及裂缝开展进行了研究[6]。2010年彭德喜、李大庆、吴德明等学者对预应力粘钢加固混凝土梁做了试验研究，探究了预应力粘钢加固对混凝土梁正常使用阶段受力状态的影响。这些年来，通过大量的试验研究和工程项目实践，粘钢加固技术得到了建筑工程界的普遍认可，针对粘钢加固技术的试验研究以及理论分析也取得了不错的进展。然而，钢板与混凝土梁之间胶层剥离问题、胶层老化问题、普通粘结对既有裂缝控制问题以及预应力施工工艺问题还有待进一步完善。除此之外，还应对粘钢加固法所用的粘结材料、锚固性能特点、二次受力和结构非线性分析等问题进行探究，以使该加固技术趋于完善。

综上所述，国内外对梁底粘贴预应力钢板加固桥梁的研究鲜有报道，工程实例极少。多见的是普通钢板粘贴加固桥梁的技术已比较成熟。

3.2热点及关键技术

3.2.1拟解决关键问题

1)解决传统普通粘钢加固钢板恒载不受力，活载受力滞后的问题。

2)解决传统粘钢加固钢板不能有效弥合减少梁板原有裂缝，结构刚度弱的问题。

3)解决预应力钢板加固提高钢筋混凝土梁板整体刚度，增强全截面受力，减少原梁板底混凝土拉力，提高结构承载能力。

4)通过试验，解决适用于预应力钢板加固用的力学性能好、施工方便、有效时间最持久的钢板粘贴工艺。

3.2.2实施的具体内容

本课题主要实施以下项目的研究。

1) 钢板预应力加固对结构承载能力影响的理论分析通过建立不同结构实体理论模型，计算分析预应力钢板对结构抗弯、抗剪承载能力的影响，预应力对原有混凝土结构内力的影响分析，确保施加合理的预应力之后，既满足提高承载能力又保证旧混凝土结构内力在合理限度内。分析计算施加预应力之后，对结构旧有裂缝弥合的影响，以及提高梁板正常使用极限状态的计算分析方法。

2) 钢板预应力的施加技术主要从反向卸载顶升、钢板预热两方面来使钢板取得合理的预应力，并尽可能减少预应力损失。

3) 实体模型的试验验证预先选取具有典型病害特征的旧钢筋混凝土梁板，进行普通粘钢及不同预应力钢板粘钢的模拟，布设应变计、挠度计等传感器，分级加载，测试梁板的弹性及非线性反应，加载至破坏状态，比较两种加固方法对梁板内力及变形的影响，以及对极限荷载能力的影响。

3.3关键技术

主要的施工工艺设想如下。

3.3.1桥梁顶升预应力粘贴钢板实施内容及方案

实施方案顺序：顶升→粘贴面处理→加压固定及卸荷系统准备(根据实际情况和设计要求，卸荷步骤有时省去)→胶粘剂配制→涂胶和粘贴→固化、卸加压固定系统→梁板回落→检验→维护。

3.3.1.1桥梁整体顶升方案

1)顶升设备配置顶升设备采用德国西门子同步顶升系统，本系统由双向液压系统(油泵、油缸、高压油管、高压接头等)、监测传感器、双作用薄型液压千斤顶、计算机控制系统等几个部分组成。具体见图1。

图1　同步顶升系统示意图

2)顶升方案。

①操作平台：围绕墩柱搭设简易双排脚手架，脚手架采用4.0～6.0 m、φ48mm的普通钢管，沿墩柱四周成抱箍状，确保支架稳固后再进行引桥更换支座施工。

②反作用力基础：梁底与盖梁底的空间高度满足200mm，利用盖梁作为反力基础，将薄型千斤顶放置在盖梁和梁板之间，用PLC整体顶升系统进行纵向逐联、横向同步顶升梁体，取出原支座，换入新支座。

③顶升控制点布置：根据桥梁的结构特点，我们将按照桥梁体系3跨或4跨为一联进行整体顶升，每个桥墩分为2个控制点、桥台处为1个控制点，每个控制点放置14台双作用千斤顶(200t)，分为一组。单片梁板两端各放置2个200t超薄型液压千斤顶，每片梁板可以提供800t的顶升力，满足施工要求。在不封路面、车辆正常行驶、不损坏桥体的的情况下进行桥梁底部支座的更换。

4跨1联作业见图2。液压顶升泵站4台，每台泵站控制2个控制点，将泵站放置在两个桥墩立柱之间。

每组千斤顶设2个监控点，每个监控点配置1台拉线式传感器，精度为0.01mm，顶升过程中实时检测并控制顶升高度及顶升速度。系统共提供16个位移检测装置，液压顶升泵站将每片梁板的实际顶升高度采集，传输到控制系统中供电控系统作顶升位置闭环控制。用1台主控系统控制4台液压顶升泵站，提供计算机工控界面。

云南电网作为清理规范转供电环节电价的主要配合单位，按照云南省物价局下发文件精神，积极作为，主动服务，广泛宣传，指导各州市供电局通过实体营业厅、网上营业厅、微信公众号、95598热线、短信等多种渠道和方式，宣传一般工商业降价政策及清理规范转供电环节加价政策。全力配合当地价格主管部门，按照商业综合体、产业园区、物业、写字楼等类型清理排查转供电主体名单，将转供电主体上年用电量、用电平均电价，以及今年以来云南省4次降价政策、2个清理规范转供电加价政策送达转供电主体，同时也向终端用户宣传。

图2　PLC同步顶升更换支座示意图

3.3.1.2同步顶升监控方案

1)顶升施工监控的目的桥梁顶升施工监控的最基本要求是保证施工过程中桥梁结构的安全，施工结束后的桥梁线形和内力状态符合设计要求。

2)顶升施工监控的方法①梁体监控的内容：梁体结构监控包含竖向位移监控、纵横向位移监控及应力监控。竖向位移及沉降监控采用直线数码位移传感器和苏光DS05精密水准仪；纵横向位移监控采用徕卡TM30高精密全站仪，应力监控采用数码应变表面传感器。②梁体监控的方法：a.梁板竖向位移监控梁板各顶升点顶升高度的不一致将在结构内产生附加内力，因此在顶升过程中对结构的竖向位移进行监测是至关重要的。b.主梁应力监控

根据桥梁的受力特点，若支点处产生不均匀竖向位移时，在中间横隔梁部位将产生较大附加弯矩，因此梁板应力监控点布置在横隔板下缘与梁板相交的位置,全桥共布置19个监测截面，每跨1个。每个截面沿横向布置4个应力监测点。应力监测采用HY-65B3000B数码应变表面传感器。它直接以数码方式将测量值传送给专门配置的数显表或计算机显示。有线/无线传送距离可达1km或更远。c.监测频率根据桥梁顶升工程的施工步骤，对以下施工工况实施监测。

桥梁称重：根据桥梁上部结构自重的分布特点，各顶升点承受的结构自重并不完全相同，因此为了防止结构发生不均匀竖向位移，在顶升施工实施之前应对上部结构进行称重，合理分配各顶升点的顶升力。

主梁顶升：在各顶升循环过程中，将对梁体竖向位移进行实时监测，监测数据由计算机通过专门的数据采集软件采集并实时显示，采样频率为5次/min。

顶升阶段完成：将主梁每升高1mm设为一个顶升阶段，最大高度控制在10mm以内。每一阶段顶升完成后，对桥面标高进行一次测量，确定各测点实际标高与设计控制值的误差。并通过液压系统对高程进行相应的调整。

顶升全部完成：根据以往经验，顶升至6～8mm后，可取出支座，对桥面标高进行一次测量，并通过液压系统对高程进行相应的调整，直至满足预定要求为止。

d.施工监控目标施工监控总目标是支座更换完成后桥面曲线高程与设计值误差控制在±3mm以内。在顶升过程中，主梁每顶升1mm为一个阶段，每阶段桥面曲线高程与设计值误差纵向控制在±1mm以内，横向控制在±2mm以内。

顶升过程中，主梁附加应力处于合理范围内，不出现新的裂缝，原有裂缝宽度无明显增大，满足相关规范要求。

3.3.1.3粘贴钢板横梁加固采用5mm厚Q345热轧扁带钢板，采用8.8级M10高强螺栓连接。粘钢胶采用专门配制的改性环氧树脂胶粘剂，其各项性能指标应达到A级胶标准。根据设计图纸钢板的规格采购合适规格的钢板,在正式下料前应进行下料试拼,钢板原则上要求整块,必要时可进行焊接,但每块钢板上可允许有两个焊缝(即只允许一块钢板拼接两块小钢板组成),钢板焊缝饱满,焊接质量应符合要求，焊缝不应布置在受力最大处，且应与受力方向垂直，焊条型号、质量应符合现行国家标准《低合金钢焊条(GB/T5118—2012)》的规定。横梁上钻孔应根据设计要求进行布孔，用钢筋定位仪检查孔位处的钢筋分布情况，如孔位处有钢筋，可对孔位进行适当调整，但不得超过50mm，以避免破坏原结构钢筋，对孔位有调整的钢板，应进行编号登记，并调整钢板上预留孔位。钢板上钻孔采用台式钻床进行施工，孔径12mm，钻孔前应先根据在横梁上孔样情况用油漆在钢粘板上确定孔位，然后才能钻孔施工。横梁混凝土表面用钢丝球进行清理、打磨平整，有不平整的地方用找平胶或环氧砂浆进行修补并保持混凝土粘合面干燥清洁状态；钢板接触面用钢丝刷清除浮锈，用金钢砂轮片打磨钢板表面，直至出现金属光泽,钢板粘合面有一定粗糙度,打磨纹路应与钢板受力方向垂直,以满足钢板与粘贴胶之间的粘贴要求。胶液两个组分的配合比例按该胶的说明书采用,称量必须准确,拌合时应按同一方向进行,避免产生气泡和水分进入容器。粘贴时选择睛朗、干燥的天气操作，将新鲜配好拌和均匀的建筑结构胶用刮刀紧密、均匀地分别涂抹在做过表面清洁处理的混凝土粘合面和钢板粘合面上，并使之充分浸润在粘合面上；然后再把结构胶涂抹在钢板粘合面上，使在板宽中央胶的厚度达3mm，两侧可稍薄一些，并由多人共同托住钢板对准螺栓向混凝土粘合面上(以上过程必须两面同时进行)，迅速拧紧螺栓锚固钢板，拧螺栓扳手采用测力扳手，使高强螺栓的拉力达到设计要求，并使钢板与混凝土粘合面紧密粘合，挤出多余粘钢胶。粘贴胶的性能满足设计和规范要求，胶缝厚度控制在3～5mm，粘贴完毕待胶液完全固化后用小锤进行检查，如无空洞声钢板面积≥95%，即表示已粘贴密实，发现有不合格的进行返工处理，本工程螺栓孔距较大，施工时采用钢夹具对钢板进行临时固定，以保证粘贴密实。钢板外表尚须进行防护处理，涂刷前，钢板必须除锈，呈金属光泽；防护处理采用泰诺钢结构阻锈剂TC10VAP，采用人工涂刷或机械喷涂。

3.3.1.4桥梁回落检查支座安放情况，待梁底结构胶完全固化，确保无误后再次顶升梁板，取出临时支撑，落梁时，控制千斤顶的一次回落量，缓慢分级卸载，密切关注各个支座处的位移传感器数据的变化，保持梁体同步回落，直至稳固。梁体回落的过程中，粘贴的钢板逐渐增加预应力。

3.3.2钢板加热热胀冷缩预应力粘贴钢板

3.3.2.1实施方案顺序粘钢区域混凝土表面处理→钻孔植埋螺杆→待粘贴钢板打孔与表面处理→钢板加热→配制结构胶粘贴钢→加压固定→钢板表面防腐处理。

3.3.2.2施工工序

1)表面处理根据设计图纸的要求并结合现场测量定位，在需粘贴钢板加固混凝土表面放出位置大样，深度凿至7mm左右，宽度以能放入钢板为宜，表面不平的地方应用尖凿轻凿整平，再用钢丝刷清除表面浮浆，剔除表层疏松物，最后用无油压缩空气吹除表面粉尘或清水冲洗，待完全干燥后用脱脂棉沾丙酮擦拭表面。

2)植埋螺栓依照设计图纸的要求，放出需钻孔的位置，用钢筋混凝土保护层测试仪查明混凝土钢筋布置，然后钻孔。应避免钻孔打孔时碰及钢筋，用压缩空气清理孔内浮尘，再用丙酮清孔，在孔内灌注三分之二孔深的结构胶，用丙酮清洗螺栓，之后安装锚固螺栓，要求埋设牢固，具有可靠的抗拔力，以保持粘贴钢板时有效地加压，同时还可以帮助钢板克服剪切，有利于粘贴得牢固耐久。

3)钢板打孔与表面处理依据现场混凝土上的实际放样进行粘贴钢板下料，并依据现场植埋的螺栓，先对待粘贴的钢板进行配套打孔，然后对钢板的粘贴面用钢丝刷磨机或磨光砂轮机进行除锈和粗糙处理，打磨粗糙度越大越好，打磨纹路应与钢板受力方向垂直。

4)钢板加热钢板在-20 ℃～40 ℃时，线膨胀系数为12×10-6，10m长的钢板，假使安装时气温在20 ℃左右，当加温至40 ℃，钢板延长约为10mm。

当钢板加热时，根据热胀冷缩原理，长度会增加，在常温20 ℃计算，当长3m的钢板，加热至60 ℃～100 ℃时，长度延伸10mm。当钢板回到常温时，钢板冷缩，会对附着的梁板产生预应力，与梁板共同作用产生承载力。温度变化范围及线膨胀系数见表1。

表1　温度变化范围及线膨胀系数

采用这个原理，在梁板上安装钢板，产生预应力后进行注胶，使钢板和梁板形成一个整体，共同受力，提高承载力。

纵向钢板选用Q345C型钢板，规格为7 800mm(长)×200mm(宽)×10mm(厚)。横向钢板选用Q345C型钢板，规格为990mm(长)×100mm(宽)×10mm(厚)。纵、横钢板粘贴施工方法基本相同。

5)粘贴钢板用丙酮清洗混凝土表面和钢板粘贴面，并待其挥发干燥。将粘钢结构胶按照供应商提供的产品说明书要求的比例重量比准确称量，搅拌均匀，在事先已确认的可操作时间内再用抹刀将该结构胶抹在已处理好的混凝土表面以及粘贴钢板表面上，为使胶能充分浸润、渗透、扩散、黏附于结合面，宜先用少量胶在结合面来回刮抹数遍，再添抹至所需厚度(2～4mm)，中间厚边缘薄，然后将钢板贴于预定位置，对粘贴钢板与混凝土贴面之间结构胶要求绝对饱满，保证两者之间紧密联接。

6)将钢板贴到混凝土表面，加垫片，紧固螺母，交替拧紧各加压螺栓进行加压，使多余的结构胶沿板边挤压出来，达到密贴的程度，之后检查钢板与混凝土的粘贴质量，在有空隙的地方应及时注入胶结剂补贴。

7)待粘结剂达到强度后，钢板表面用钢丝刷除锈。

8)为了防止钢板产生锈蚀以及美观的要求，钢板表面须做防腐处理，涂装体系的选择、涂层厚度及施工工艺严格按照《铁路钢桥保护涂装(TB/T1527—2004)》的规定执行。

4结语

对高速公路桥梁因超载、自然环境、设计、施工及自身结构等原因，产生裂缝、混凝土表面缺陷、桥台沉降等一系列病害成因进行分析并采取应对措施，改善桥梁结构承载力，恢复桥梁的使用功能，免除拆除重建带来的巨大经济损失，对桥梁的安全运行起着举足轻重的作用。

参 考 文 献

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[5]罗竟宁，顾慧娟著.钢筋混凝土梁粘钢补强试验研究[J].工业建筑，1991(2):1-16.

[6]朱海峰.混凝土受弯构件短期刚度的分析研究及粘钢加固混凝土梁裂缝和短期刚度的试验研究[D].南京：东南大学，1998.

收稿日期：2015-12-28

作者简介：殷树芳(1971—)，女，山东滨州人，高级工程师，从事岩土工程、特种加固工程的咨询、设计、施工工作。

中图分类号：TU375

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)04-0010-06

Strengthening Technique of the Prestressed Steel PlateApplied for Bridges and Beam Plates

YIN Shufang