叢曉輝 張?jiān)讫? 李 杰 王 靜

(吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

摘要：從我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展實(shí)際來看,在進(jìn)行新橋修建的同時(shí),對(duì)危舊橋梁的補(bǔ)修,、加固成為一項(xiàng)重要內(nèi)容.為了更好地了解我國(guó)現(xiàn)階段舊橋加固研究情況,閱讀了大量文獻(xiàn)及資料,對(duì)我國(guó)目前常用舊橋加固方法的概念、特點(diǎn)及其理論研究方法和研究進(jìn)程進(jìn)行了總結(jié),并在此基礎(chǔ)上展望了今后該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),為舊橋加固領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)實(shí)踐提供了具有一定參考意義的階段性總結(jié).

關(guān)鍵詞：橋梁工程,；舊橋加固,；加固方法及理論；理論發(fā)展進(jìn)程

0 引言

我國(guó)是世界橋梁大國(guó),至2014年底,全國(guó)公路橋梁達(dá)75.71萬座.與此同時(shí),隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展,交通荷載量不斷增加,再加上舊橋的年久老化,、破損程度愈加嚴(yán)重以及受橋梁建造時(shí)施工技術(shù)水平的約束,使得部分橋梁開始出現(xiàn)一定程度的損傷,產(chǎn)生不同程度的病害,降低了承載能力,出現(xiàn)了大量的危舊橋梁,使人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全受到威脅.因此,在進(jìn)行新橋修建的同時(shí),對(duì)這些危舊橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸桃蕴岣咂涑休d能力,成為我國(guó)目前橋梁養(yǎng)護(hù)中的首要任務(wù).通過對(duì)國(guó)內(nèi)外橋梁加固方法的系統(tǒng)性分析,對(duì)橋梁的加固方法進(jìn)行總結(jié),大致分為3大類[1]:加強(qiáng)薄弱構(gòu)件,、增加輔助構(gòu)件,、改變結(jié)構(gòu)體系.又可具體分為:粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料法、體外預(yù)應(yīng)力加固法,、預(yù)應(yīng)力粘鋼法,、橋面補(bǔ)強(qiáng)層法、簡(jiǎn)支梁改變?yōu)檫B續(xù)梁體系法以及聯(lián)合加固等多種補(bǔ)修,、加固方法[2-4].具體工程中要針對(duì)不同橋型,、不同加固位置,考慮施工條件、經(jīng)濟(jì)花費(fèi)等綜合因素選取不同的加固方法.本文將針對(duì)幾種常見的加固方法的概念,、特點(diǎn)及其理論研究進(jìn)展進(jìn)行具體介紹,并列舉出目前已有的舊橋加固方法.

1 粘貼纖維復(fù)合材料加固法

粘貼纖維復(fù)合材料加固法興起于20世紀(jì)80年代末90年代初,由歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家最先提出并采用,是一項(xiàng)通過在主梁底部粘貼纖維復(fù)合材料層來有效抑制主梁裂縫開展,使其整體剛度提高,從而提高橋梁承載能力的新型加固補(bǔ)修技術(shù).其主要優(yōu)點(diǎn)有[5]:

(1) 充分利用纖維復(fù)合材料高彈性模量,、高強(qiáng)度的特點(diǎn),能大幅度提高橋梁的承載能力,高強(qiáng)高效;

(2) 適用于各種類型的橋梁,可用于橋梁的各個(gè)受拉區(qū)部位、各種結(jié)構(gòu)形式,適用性強(qiáng);

(3) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)量薄且輕,不增加原結(jié)構(gòu)尺寸及自重,并且施工便捷,施工質(zhì)量容易得到保障;

(4) 纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性,、耐久性能好,更換周期長(zhǎng),節(jié)約維修費(fèi)用.

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)粘貼纖維復(fù)合材料后簡(jiǎn)支梁的理論研究主要采用層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)理論,即考慮各種材料的非線性本構(gòu)關(guān)系,采用分步分層換算截面法對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo).但由于大部分都是采用平截面假定,并不考慮材料交界面處的滑移,因此并不能正確表達(dá)構(gòu)件受力,、變形性能.因此,有關(guān)學(xué)者在此基礎(chǔ)上利用接觸理論對(duì)考慮纖維材料層與混凝土結(jié)構(gòu)滑移特性的加固理論進(jìn)行研究:任慧韜[6]通過對(duì)FRP片材與混凝土試件(123根)的剪切粘結(jié)試驗(yàn)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上對(duì)粘結(jié)滑移問題進(jìn)行了討論,給出了粘結(jié)面的應(yīng)力分布特點(diǎn)、有效粘結(jié)長(zhǎng)度的確定方法以及粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系等;劉小燕、歐陽劍等[7]給出了碳纖維布加固舊橋后結(jié)構(gòu)正截面強(qiáng)度的計(jì)算方法;劉寒冰,、馬輝等[8]推導(dǎo)了考慮界面滑移效應(yīng)復(fù)合梁的解析解,并對(duì)加固梁在受力過程中的各階段進(jìn)行了力學(xué)性能分析,將纖維增強(qiáng)材料加固舊橋的理論進(jìn)一步完善.基于層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)理論推導(dǎo)出來的計(jì)算公式,只有在結(jié)構(gòu)的各種材料均處于線彈性范圍內(nèi)時(shí)才是合理的,并不完全適用于結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況,使得層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)理論的基本假設(shè)存在一定的系統(tǒng)誤差.隨著理論研究的進(jìn)一步發(fā)展,采用有限元法對(duì)復(fù)合梁進(jìn)行理論計(jì)算和受力分析的思想開始出現(xiàn),因?yàn)槠渚哂羞m用范圍廣,、能夠計(jì)算變截面等特點(diǎn)而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[9-10].

目前，尚待解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題及理論發(fā)展方向:

(1) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā),不僅要求纖維材料在強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量上有一定的保證,同時(shí)要求成品質(zhì)量,、材料均勻性得到保障;

(2) 需要制定適應(yīng)我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀的完整標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程,疲勞性,、耐久性、延性等關(guān)鍵性技術(shù)問題有待于進(jìn)一步研究;

(3) 理論方面,采用實(shí)體模型法對(duì)復(fù)合梁進(jìn)行仿真受力分析時(shí),由于體單元的結(jié)點(diǎn)較多,計(jì)算量過大,目前只適用于科研領(lǐng)域,不易于在實(shí)際工程中得到廣泛推廣.

因此,尋求更加簡(jiǎn)單,、適用的計(jì)算理論成為下一個(gè)研究熱點(diǎn).

2 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固法是將預(yù)應(yīng)力筋布置于需要加固的舊橋主梁之外,并通過錨固端及轉(zhuǎn)向器與結(jié)構(gòu)主體連接,從而達(dá)到加固效果的常用加固方法[11].1928年德國(guó)學(xué)者F.Dischinger第一次進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的實(shí)踐,并加固了Saale橋. 其主要優(yōu)點(diǎn)有[12-15]:

(1) 提載效果明顯,可將原結(jié)構(gòu)承載能力提高30%～40%;

(2) 預(yù)應(yīng)力筋置于結(jié)構(gòu)外,減小摩擦損失;

(3) 檢查,、更換預(yù)應(yīng)力筋方便,損失掉的應(yīng)力可以補(bǔ)拉回來;

(4) 補(bǔ)修加固時(shí)施工工序及設(shè)備簡(jiǎn)單,可以不限制交通,經(jīng)濟(jì)效益明顯;

(5) 對(duì)原橋結(jié)構(gòu)損傷小,不增加原橋的截面尺寸.

對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力加固法的理論部分:一方面,由于混凝土梁與預(yù)應(yīng)力筋之間無粘結(jié)作用,致使兩者之間不能協(xié)調(diào)變形,理論計(jì)算時(shí)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的方法不能得到沿用,只能通過結(jié)構(gòu)總體變形來求解預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量;另一方面,預(yù)應(yīng)力筋與混凝土梁在豎直方向上的變位不再相等,使其理論計(jì)算同有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)別開來[16],目前我國(guó)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的理論研究都是建立在考慮預(yù)應(yīng)力增量及二次影響的基礎(chǔ)上.杜世生、葉見曙等[17]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了采用體外預(yù)應(yīng)力法進(jìn)行加固后簡(jiǎn)支梁橋的抗彎承載能力計(jì)算方法;黃喬,、張樹仁[18]進(jìn)行了12片采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固的鋼筋混凝土梁的靜載試驗(yàn)研究,分析了正常使用階段加固后梁的應(yīng)力,、撓度以及裂縫的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,分析了加固后梁的破壞機(jī)理,給出了加固后橋梁極限承載能力的計(jì)算方法;王彤等[19]基于能量變分原理,求解了加固梁在外荷載作用下的體外預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力增量的計(jì)算方法,研究了加固梁截面變形參數(shù)沿梁長(zhǎng)變化規(guī)律,得到了控制截面的內(nèi)力平衡方程及各控制截面內(nèi)力的求解方法.體外預(yù)應(yīng)力筋的布置較為靈活,可應(yīng)用于多種形式的橋梁結(jié)構(gòu)，因此,體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景.

體外預(yù)應(yīng)力加固舊橋中尚待解決的技術(shù)性問題及研究熱點(diǎn):

(1) 預(yù)應(yīng)力筋防腐措施需要完善,錨具可靠性,、耐久性保障有待提高;

(2) 理論計(jì)算上考慮材料非線性,、混凝土收縮及徐變、高溫等因素影響下的長(zhǎng)期荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力分析有待進(jìn)一步研究.

因此,包括對(duì)體外預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力性能,、耐久性,、抗疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵性能的研究將成為今后的研究熱點(diǎn).

3 預(yù)應(yīng)力粘鋼法

預(yù)應(yīng)力粘鋼加固法是建立在體外預(yù)應(yīng)力加固和粘鋼加固的基礎(chǔ)上,結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種新型加固方法.其原理是通過在結(jié)構(gòu)受拉側(cè)粘貼具有初拉應(yīng)力的鋼板,從而實(shí)現(xiàn)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土的效果,以達(dá)到提載加固的作用.其特點(diǎn)主要有[20-21]:

(1) 較常規(guī)的粘鋼加固方法相比,預(yù)應(yīng)力粘鋼法能有效地緩解加固鋼板應(yīng)力滯后的現(xiàn)象,從而使加固鋼板的強(qiáng)度得到充分利用;

(2) 預(yù)應(yīng)力粘鋼加固后結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)相類似;

(3) 原結(jié)構(gòu)與鋼板得以整體工作是通過交界面?zhèn)鬟f的剪力來實(shí)現(xiàn)的,所以初應(yīng)力的控制、粘貼部位的選取以及鋼板的粘貼錨固情況變得尤為重要.

在國(guó)內(nèi),對(duì)于常規(guī)粘鋼加固的方法已有學(xué)者進(jìn)行了大量研究:劉祖華,朱伯龍[22]在基本彈性理論以及接觸理論的理論基礎(chǔ)之上,給出了加固后簡(jiǎn)支梁撓度的解析解,并給出了加固鋼板拉應(yīng)力及其與混凝土結(jié)構(gòu)之間粘結(jié)剪應(yīng)力的解析解;王天穩(wěn),廖理?xiàng)頪23]對(duì)粘鋼加固梁的裂縫寬度,、錨固長(zhǎng)度以及粘結(jié)滑移,、抗震性能等進(jìn)行了試驗(yàn)性的研究.而國(guó)內(nèi)對(duì)于預(yù)應(yīng)力粘鋼法的研究還比較少,彭德喜、李大慶等[24]通過對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁(采用預(yù)應(yīng)力粘鋼進(jìn)行加固)的試驗(yàn)研究,，給出了該加固法對(duì)梁的承載能力略有提高但對(duì)正常使用階段內(nèi)加固梁的受力狀態(tài)改善明顯,能使鋼板的抗拉強(qiáng)度得到充分利用的試驗(yàn)結(jié)論;黃加坡,、李大慶等[25]在預(yù)應(yīng)力粘鋼加固試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了在適筋彎曲破壞時(shí)加固梁的受壓區(qū)高度計(jì)算公式和加固時(shí)所需鋼板的截面面積計(jì)算公式.

采用預(yù)應(yīng)力粘鋼加固后梁的極限承載力提高程度主要取決于混凝土的強(qiáng)度等級(jí).因此,預(yù)應(yīng)力粘鋼加固法更適用于梁混凝土強(qiáng)度高,而截面尺寸小,、配筋少的梁.我國(guó)對(duì)預(yù)應(yīng)力粘鋼加固法的試驗(yàn)及理論研究還有待于進(jìn)一步深化,而預(yù)應(yīng)力粘鋼加固梁的耐久性,、動(dòng)力性能、預(yù)應(yīng)力損失的種類及其計(jì)算等都是今后的研究熱點(diǎn).

4 聯(lián)合加固

聯(lián)合加固是在幾種常規(guī)加固方法的基礎(chǔ)上為了安全起見而提出的一種加固方法,是今后橋梁補(bǔ)修加固方法研究的熱門所在.目前國(guó)內(nèi)有關(guān)聯(lián)合加固的報(bào)道還比較少,筆者就目前國(guó)內(nèi)有關(guān)聯(lián)合加固的研究成果進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹.

(1) 徐文平等[26]對(duì)粘鋼-體外預(yù)應(yīng)力聯(lián)合加固方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究,將分別采用粘鋼加固,、體外預(yù)應(yīng)力加固和粘鋼-體外預(yù)應(yīng)力聯(lián)合加固的混凝土T梁的極限承載能力,、裂縫寬度等結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行對(duì)比,并給出了試驗(yàn)結(jié)論:聯(lián)合加固有“1+1>2”的加固效果;

(2) 陸偉等[27]進(jìn)行了碳纖維布-體外預(yù)應(yīng)力聯(lián)合加固的試驗(yàn)研究,通過對(duì)單獨(dú)采用碳纖維和體外預(yù)應(yīng)力加固及兩者聯(lián)合加固的T梁的研究分析,給出了聯(lián)合加固梁的受力規(guī)律:① 聯(lián)合加固與單獨(dú)加固相比大大地提高了梁的極限荷載、開裂荷載以及屈服荷載;② 聯(lián)合加固構(gòu)件的受力過程中,碳纖維的利用率高于體外預(yù)應(yīng)力筋的利用率,在受力前期碳纖維布發(fā)揮作用較大,后期則是體外預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生較大作用;

(3) 張?jiān)讫圼28]在理論上對(duì)碳纖維-體外預(yù)應(yīng)力聯(lián)合加固的方法進(jìn)行了解析,運(yùn)用經(jīng)典彈性理論結(jié)合接觸理論,推導(dǎo)出了采用該聯(lián)合加固方法加固后橋梁撓度的解析解,通過與試驗(yàn)值的對(duì)比證明了理論及其解析解的正確性,并在此基礎(chǔ)上分析了各主梁協(xié)同工作的情況,給出了聯(lián)合加固后的簡(jiǎn)支T梁橋,、板橋的橫向分布系數(shù)的計(jì)算方法,為工程實(shí)踐提供可靠的理論支撐.

對(duì)于聯(lián)合加固法加固舊橋的試驗(yàn)和理論研究還有很大的發(fā)展空間,尤其是聯(lián)合加固舊橋的疲勞問題,、振動(dòng)問題和可靠度設(shè)計(jì)等方面仍然需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和理論研究.

5 其他舊橋加固方法的列舉

對(duì)于舊橋上部結(jié)構(gòu)的加固方法,除了上述具體介紹的4種加固方法外，還有增大截面尺寸加固法,、增補(bǔ)受拉鋼筋加固法,、增加輔助構(gòu)件加固法、改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法,、有粘結(jié)外包鋼加固法,、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、環(huán)氧樹脂砂漿加固、錨噴混凝土加固法,、拱圈增設(shè)套拱加固法,、雙曲拱調(diào)整恒載加固法等[29-31].

6 結(jié)論

(1) 本文通過對(duì)大量文獻(xiàn)和資料的歸納、分析,總結(jié)出了我國(guó)在危舊橋梁養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域中常用的維修,、加固方法;

(2) 對(duì)粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,、體外預(yù)應(yīng)力加固、預(yù)應(yīng)力粘鋼,、聯(lián)合加固4種加固方法進(jìn)行了具體介紹,其中包括:這4種加固方法的基本概念,、特點(diǎn)、理論發(fā)展進(jìn)程及其尚待解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題,并在此基礎(chǔ)上對(duì)今后研究熱點(diǎn)進(jìn)行了展望;

(3) 本文為舊橋加固領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)實(shí)踐提供了具有一定參考意義的階段性總結(jié).

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Survey on Method and Theory of Old Bridge Reinforcement

CONG Xiao-hui,，ZHANG Yun-long,，LI Jie，WANG Jing

(School of Transportation Science and Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun,China 130118)

Abstract：From the actual development of transportation in our country,strengthening old bridges becomes an important content when building new bridges.In order to understand the research situation of old bridge reinforcement better at the present stage in our country,this article has presented the concepts and characteristics of many old bridge reinforcement methods as well as their theoretical research methods and research processes.On this basis,author has predicted the research focus in this field.It provides a periodic summary which has certain

reference s：ignificances of scientific research and production practice in the field of bridge reinforcement.

Keywords：bridge engineering,；old bridge reinforcement,；reinforcement method and theory；the development of theory process

收稿日期：2016-04-25.

基金項(xiàng)目：吉林省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(20090150).

作者簡(jiǎn)介：叢曉輝(1991～),男,吉林省通化市人,在讀碩士研究生.

*通訊作者：張?jiān)讫?，男,，吉林省長(zhǎng)春市人，副教授,，博士.E-mail:[email protected]

中圖分類號(hào)：U 445.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2016)05-0008-05