预应力混凝土空心板梁粘贴钢板与碳纤维板加固效果试验研究

付治强，刘国慧，肖成志

(1.天津市公路工程设计研究院，天津市东兴路218号 300170；2.河北工业大学 土木与交通学院，天津市北辰区西平道5340号 300401)

现有大量统计数据表明，当前95%的中小跨径桥梁采用混凝土板梁结构，在日益增加的交通流量和重载作用下，板梁病害和养护维修成为研究重点。当前，粘贴钢板和碳纤维板是桥梁维修工程中两种常用的加固方法。粘贴钢板和碳纤维板加固桥梁具有施工快捷、质量易于保证、耐久性好等优良特性，因此，粘贴钢板与碳纤维板加固技术在国内外被广泛应用。国内外现有关于粘贴钢板和碳纤维板加固混凝土板梁的应用研究较多，并得到了一些具有重要参考价值的研究结果。基于理论与工程实践分析，刘来君等[1]研究了二次受力对粘贴钢板加固桥梁承载力的影响，借助试验李凤兰等[2]研究粘贴钢板加固钢筋锈蚀混凝土梁的力学性能，结果表明粘钢可有效提高梁体承载力。杜青等[3]借助数值方法研究粘钢加固钢筋混凝土梁体的各种性状和破坏模式。林于东等[4]通过载荷试验研究粘贴钢板对混凝土梁体抗剪承载力的影响。张海辉[5]、白云飞[6]等从不同角度研究了碳纤维板在混凝土桥梁加固中的应用效果，研究结果均表明粘贴碳纤维板加固方法是一种较好的维修方法。刘建起等[7]通过荷载试验研究了粘贴碳纤维板加固预应力梁体对抗弯承载力的影响，并在试验基础上推导粘贴碳纤维板加固梁抗弯承载力的计算公式。此外，其他一些学者从不同角度研究了粘贴钢板和碳纤维板加固混凝土梁的力学性能，并得出具有重要参考价值的结论[8-10]。

然而，目前针对采用钢板和碳纤维板加固预应力空心板梁时，综合采用梁体跨中挠度、受拉区钢筋应变和梁腹部裂缝作为评价指标来对比分析粘贴钢板和碳纤维板加固效果的研究较少，这里通过开展大型载荷试验对比研究粘贴钢板和碳纤维板应用于加固普通公路桥梁上部混凝土预应力空心板梁的维修加固效果，旨在为未来同类工程项目的加固维修提供理论支撑与施工指导。

1 预应力空心板梁加固试验介绍

1.1 预应力空心板梁

试验所用预应力空心板梁是天津市外环线上某座桥梁上部混凝土板梁维修替换下的预应力空心板梁，用于研究预应力空心板梁分别采用粘贴钢板和碳纤维板加固时的加固效果。为了确保静荷载试验的准确性，现场通过仔细比对与分析选取具有相似裂缝分布的3片预应力空心板梁，分别对其进行不加固、粘贴钢板与碳纤维板加固处理。

试验所用预应力板梁截面尺寸和配筋图如图1所示。板梁尺寸为长10m×高0.6m×宽1.05m，混凝土标号为C40，底部纵向受拉区钢筋除两边侧钢筋为Φ14HRB335外，其余中部10根纵向钢筋均为Φ18HRB400，顶部纵向受压区两边侧与中间钢筋为Φ16HRB335，其余2根为Φ12HRB335。

(a)预应力空心板梁现场图 (b)预应力空心板梁截面尺寸及配筋图

1.2 预应力空心板梁加固方案

选定相同强度和裂缝分布的3片预应力空心板梁，分别采用不加固、粘贴钢板和粘贴碳纤维板加固3种方式处理。试验中采用钢板加固空心板梁时，需要高胶结剂和高强螺栓等材料用于粘贴和固定钢板，钢板型号为Q235，弹性模量和泊松比分别为200GPa和0.25，密度为7.85g/cm3，螺栓型号为M12×130。

粘贴钢板加固图如图2所示。由图2可知，除了在板梁底部纵向粘贴钢板外，为了增强钢板的加固效果，还需用高强螺栓对其进行锚固，板梁底部是通长加固。粘贴的2条钢板尺寸均为长6m×宽0.2m×厚0.08m，钢板两端距离梁端为1.5m，两条纵向钢板间隔为0.2m。对粘贴的2条纵向钢板进行锚固时采用高强螺栓锚固方式，间隔为0.2m，具体分布如图2(c)所示。

(a)粘钢加固梁体正截面图 (b)粘钢加固平面图

(c)粘贴钢板加固立面图 (d)粘贴钢板加固现场图

对于粘贴碳纤维板加固的预应力空心板梁，粘贴的4条纵向碳纤维板尺寸均为长9m×宽0.1m×厚0.0014m，碳纤维两端距离梁端为0.5m，相邻的2条纵向碳纤维板间隔为0.1m。对4条纵向碳纤维板粘贴完毕后，在垂直方向采用横向贯通板梁底面的碳纤维布进行覆盖粘贴，碳纤维布尺寸为宽0.2m×厚0.0014m，间隔为1.5m。加固梁体所用碳纤维板抗拉强度和弹性模量分别为2400MPa和200GPa，属于高强度、高弹性碳纤维板。粘贴碳纤维板加固板梁图如图3所示。

(a)粘贴碳纤维加固平面图 (b)粘贴碳纤维板加固现场图

1.3 静荷载加载及监测方案

试验过程中需要监测的项目有梁体跨中挠度、受拉区钢筋应变和梁腹部裂缝宽度。其中受拉区钢筋被梁底部混凝土保护层所包裹，无法测量其应变变化，故可通过测量梁底部混凝土表面应变用于分析受拉钢筋的应变变化，即试验中所测梁底部混凝土拉应变视为梁底部受拉区钢筋应变。

为了监测梁体挠度和应变的变化，需在梁体上表面安装位移计进行挠度监测，在其下表面粘贴应变片进行应变监测。在预应力空心板梁的上部受压侧混凝土表面，沿着梁的中轴线每隔1.5m布置一个位移计，以监测梁的沉降情况。而在梁的下部受压侧，混凝土表面沿着中轴线每隔1.5m布置一个应变片，以监测梁表面的应变变化。试验示意图和室内试验分别如图4(a)和图4(b)所示。

室内试验准备工作完毕之后，开始分别对各梁进行正截面抗弯静力加载试验。试验加载时，以跨中位置为中心对其进行逐级施加静荷载，每级荷载为10kN，每级荷载之间的停留时间不少于5min，待仪表数据稳定后进行数据采集，然后继续加载。在加载后期出现梁无法持荷时，则改用位移控制继续试验，直至梁出现较大裂缝停止试验。

(a)试验示意图 (b)室内试验图

2 静荷载试验结果分析

2.1 挠度监测结果分析

对未加固、粘贴钢板与碳纤维板加固预应力板梁分别进行正截面抗弯荷载试验，试验过程中发现板梁跨中最大挠度随着荷载等级的增加而增加，直至试验中止，荷载-挠度曲线图如图5所示。由图5可知，粘贴碳纤维板、钢板的梁挠度要小于未加固的梁挠度。在加载初期，三片梁的挠度十分接近，但随着荷载的增大，未加固的梁挠度增长较快。

图5 荷载-挠度曲线Fig.5 The curves of load-deflection

未加固、粘贴钢板与碳纤维板加固梁在设计荷载(20t)、理论破坏荷载(30t)和临界破坏荷载(35t)作用下的梁体跨中挠度监测结果如表1所示。由表1可知，相对于未加固的梁体，粘贴钢板和碳纤维板能够有效减小梁体的跨中挠度，且粘贴钢板加固梁体跨中挠度又明显小于粘贴碳纤维板加固梁体跨中挠度。分析原因主要是粘贴钢板比粘贴碳纤维板能够使梁具有更大的抗弯刚度，更有效地抵抗外界荷载所引起的变形，故粘贴钢板梁的挠度小于粘贴碳纤维梁的挠度。

表1 梁体挠度及减少幅度表Tab.1 Deflection and change proportion

此外，由表1还可知，粘贴钢板、碳纤维板的梁挠度减小幅度均随荷载增加而逐渐增加。在设计荷载作用下，粘贴钢板和碳纤维的挠度减小幅度分别为16%和5%，差值仅为11%。而在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下却分别达到38%和12%及41%和14%，差值分别高达26%和27%，明显大于在设计荷载作用下的减少幅度及其差值。由此可知，与未加固板梁相比，加固梁的挠度减小幅度随荷载增大逐渐增大，而粘贴钢板与碳纤维板在设计荷载作用下减少幅度比较接近，在理论破坏荷载和临界破坏荷载作用下，粘贴钢板效果明显优于粘贴碳纤维板加固。分析原因主要是梁在工作荷载作用下，外界荷载还不足以使梁产生较大变形，粘贴碳纤维板或钢板的抗弯作用尚未明显发挥出来，粘贴钢板比碳纤维板能使梁具有更大抗弯刚度也未明显显示出来。但随着外界荷载不断增大，梁体变形也逐渐增大，碳纤维板和钢板抗弯作用也愈加明显，尤其是钢板加固梁效果十分突出。

2.2 应变监测结果分析

试验中未加固、粘贴钢板与碳纤维板加固预应力板梁跨中混凝土应变监测结果如图6所示。由图6可知，梁体跨中混凝土拉应变随荷载增加而增加，但在同一荷载作用下，未加固梁混凝土拉应变明显大于加固梁，由此可知，加固梁增加了强度安全储备。

图6 荷载-钢筋应变曲线Fig.6 The curves of load-strain

未加固、粘贴钢板与碳纤维板加固梁的挠度在设计荷载(20t)、理论破坏荷载(30t)和临界破坏荷载(35t)作用下的跨中受拉区钢筋应变监测结果如表2所示。由表2可知，相对于未加固的梁体，粘贴钢板和碳纤维板加固能够有效减小梁体跨中钢筋拉应变，且粘贴钢板加固梁体跨中钢筋拉应变又明显小于粘贴碳纤维板加固梁体跨中钢筋拉应变。

此外，由表2还可知，粘贴钢板和碳纤维板加固梁的钢筋拉应变减小幅度随荷载增加逐渐增加。例如，在设计荷载作用下，粘贴钢板和碳纤维板的钢筋拉应变减小幅度分别为26%和23%，差值仅为3%。而在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下却分别达到39%和28%及45%和32%，差值分别高达11%和13%，明显大于在设计荷载作用下的减少幅度及其差值。由此可知，与未加固板梁相比，加固梁的钢筋应变减小幅度随荷载增大逐渐增大，并且粘贴钢板与碳纤维板在设计荷载作用下减少幅度比较接近，而在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下，粘贴钢板加固效果明显优于粘贴碳纤维板加固。

表2 钢筋应变及减少幅度表Tab.2 Strain and change proportion

2.3 裂缝监测结果分析

为了对比粘贴钢板和碳纤维板对梁腹部裂缝影响，未加固、粘贴钢板和碳纤维板加固梁腹部最大裂缝监测结果如图7所示。由图7可知，梁体在加载初始阶段并未产生裂缝，而在荷载达到一定水平时，裂缝才开始逐渐出现。未加固梁裂缝出现最早，并且增长速度也最快。在加载后期，未加固和粘贴碳纤维板梁腹部出现裂缝突增现象，而粘贴钢板加固梁却未出现此现象。分析其原因主要是未加固和粘贴碳纤维板加固梁在进入破坏阶段时，发生脆性破坏，致使梁腹部裂缝宽度迅速增大。而粘贴钢板加固梁增加了梁的抗弯刚度，具有良好的塑性变形能力，故未出现裂缝宽度突增现象。

图7 荷载-裂缝曲线Fig.7 The curves of load-crack

未加固、粘贴钢板和碳纤维板加固梁在设计荷载(20t)、理论破坏荷载(30t)及临界破坏荷载(30t)作用下的腹部裂缝最大宽度及其相应的减小幅度如表3所示。由表3可知，相对于未加固梁，加固梁的腹部最大裂缝宽度明显减小，并且加固梁的腹部裂缝最大宽度减小幅度随荷载增加而逐渐增加，尤其在临界破坏荷载作用下，粘贴钢板和碳纤维板加固梁的裂缝宽度减小幅度分别高达72%和50%。

此外，通过表3对比粘贴钢板和碳纤维板加固梁裂缝宽度及其减小幅度可知：设计荷载作用下，粘贴钢板与碳纤维板加固梁腹部裂缝宽度减小幅度分别为26%和35%，差值仅为9%；而在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下却分别达到65%、48%和72%、50%，差值分别高达17%和22%，明显大于在设计荷载作用下的减少幅度及其差值。由此可知，与未加固板梁相比，加固梁的腹部裂缝宽度减小幅度随荷载增大逐渐增大，并且粘贴钢板与碳纤维板在设计荷载作用下减少幅度比较接近，而在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下，粘贴钢板加固效果明显优于碳纤维板加固。

表3 梁腹部裂缝及减少幅度表Tab.3 Crack and change proportion

根据试验分析结果可知，在设计荷载作用下，虽然粘贴钢板比粘贴碳纤维板加固预应力板梁可以减小梁跨中挠度、钢筋应变和腹板裂缝宽度，但减小幅度微小。由此说明设计荷载作用下粘贴钢板比粘贴碳纤维板加固预应力板梁效果稍微明显，但考虑到粘贴碳纤维板具有施工方便、造价低等优良特性，建议设计荷载作用下采用粘贴碳纤维板加固预应力板梁。而在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下，粘贴钢板比粘贴碳纤维板加固预应力板梁可以较大幅度减小梁跨中挠度、钢筋应变和腹板裂缝宽度，说明粘贴钢板效果明显优于粘贴碳纤维板加固，故而建议在理论破坏荷载、临界破坏荷载作用下采用粘贴钢板加固预应力板梁。

3 结论

(1)针对采用粘贴钢板、碳纤维板加固和未加固的预应力空心板梁开展现场载荷试验对比分析，试验结果表明粘贴钢板比粘贴碳纤维板加固空心板梁能更有效减小梁体跨中挠度、受拉区钢筋拉应变和有效抑制梁腹部裂缝的开展，表明采用粘贴钢板加固普通公路混凝土预应力板梁桥比采用粘贴碳纤维板加固效果更好。

(2)通过对比分析粘贴钢板与粘贴碳纤维板加固预应力空心板梁的跨中挠度、受拉区钢筋应变和梁腹部裂缝宽度的减小幅度可知，相对于未加固梁而言，粘贴钢板或粘贴碳纤维板加固梁的跨中挠度、受拉区钢筋应变和梁腹部裂缝宽度的减小幅度随荷载增大而逐渐增大，说明粘贴钢板或粘贴碳纤维板的加固效果随荷载增加而愈加显著。