粘贴附加物加固桥梁设计效能分析
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摘要：阐述了粘贴附加物在旧桥加固设计、施工中的特点，并通过对X575线某桥梁加固设计研究，对比分析了粘贴钢板和粘贴碳纤维加固桥梁在强度、承载力、刚度及在设计、施工、造价等方面的优缺点。结果表明，粘贴钢板的加固效果优于粘贴纤维，但在经济性和施工操作性方面不如后者。
中图分类号：S611 文献标识码： A
旧桥病害的发生和发展直接影响桥梁结构的适用性和耐久性，严重时直接危及桥梁的运营安全。桥梁加固后，可以延长桥梁的使用寿命，用少量的资金投入，使桥梁满通量需求，缓解桥梁投资的集中性。加固桥梁还可以预防和避免桥梁坍塌造成物资损失和人员伤亡，通过合理可行的技术和施工工艺对旧桥加以改造与加固，充分利用旧桥的承载力，不仅可以获得更大的经济效益和社会效益，而且可以在一定程度上降低交通安全隐患。
粘贴附加物加固是旧桥加固中常用的方法，当用于受弯构件或大偏心受压构件的受拉区开裂不严重的情况时有良好的效果。在工程应用中最常用的是粘贴钢板和碳纤维布加固受弯构件。
1、两种加固方法对受弯构件的效率分析
针对X575线某桥梁加固实例，分别采用粘贴钢板和碳纤维加固，通过计算分析比较这两种粘贴材料在强度、承载力、刚度等方面的加固效果，再比较其在经济性和施工方面的特点。
该桥为钢筋混凝土7×20 m跨简支T形梁，桥宽7 m+2×0.75 m，主梁间距1.6m，共5片梁，计算跨径19.5 m，采用C30混凝土，设计荷载为汽―20级，挂―100及人群荷载2.5 kN/m2。原T梁的梁肋宽18 cm，翼缘板平均厚11cm，梁高1.3m，受拉主筋为10Ф32，抗拉设计强度取280 MPa。主要病害为各梁跨中部分有较多由下而上的竖向裂缝，有1/3的裂缝宽度超过0.25 mm，桥面铺装破损严重，横向联系也严重开裂。边跨跨中恒载弯矩Mg=757.5 kN・m，活载控制弯矩Mq=1158.3 kN・m。采用中断交通施工，凿除旧铺装层混凝土后，再浇筑10 cm厚C40混凝土铺装，考虑8 cm厚铺装层参与主梁受力，分别采用梁底粘贴钢板或碳纤维布进行跨中正截面加固。钢板采用Q235，宽16 cm、厚8 mm，抗拉设计强度取195 MPa。碳纤维布采用2层，每层厚0.167 mm、宽18cm，抗拉设计强度根据《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367―2006）取1600 MPa。截面各材料的强度计算采用加固前自重产生的应力加上加固后活载及铺装层重产生的应力。跨中正截面加固的计算结果见表1、2所列。
表1 粘贴两种材料时跨中截面抗弯承载能力
加固后希望能降低原主拉钢筋的拉应力，并尽量发挥新增受拉材料的抗拉能力，从而减少原材料的受力负担。由表2可知，如果以主拉材料的抗拉设计强度作为基准进行比较，粘贴钢板时，正截面抗弯承载力提高11.3%；粘贴碳纤维时，正截面抗弯承载力提高4.2%。从截面受力情况看粘贴钢板加固效果优于碳纤维布。
从抗弯刚度分析，刚度与截面材料的弹性模量E和惯性距I有关，截面上的钢板和碳纤维都可根据它们的弹性模量与混凝土弹性模量的比值换算为同一材料混凝土后，再计算截面的抗弯刚度EI。从钢板和碳纤维的弹性模量及截面尺寸可判断：钢板的弹性模量=210 GPa，普通碳纤维的弹性模量=230 GPa，两者相差不大，本例中钢板的厚度8 mm是2层碳纤维厚度2×0.167=0.334 mm的23.9倍，取C25混凝土的弹性模量=28 GPa，则8 mm厚度钢板相当于8×=8×7.5=60 mm厚的混凝土，即相当于用混凝土把梁加高6 cm，而两层碳纤维只相当于0.344×=2.7 mm厚的混凝土。可见贴碳纤维加固对梁底刚度提高可几乎忽略不计。
再从经济性和施工方便性比较。目前市场上粘贴碳纤维的综合单价为800～1 000元/m2，粘贴钢板的综合单价为1 700～1 800元/m2，贴钢板的造价是贴碳纤维的2倍之多。从施工的工序、难度、用胶量来看，贴钢板多出了除锈、焊接钻孔定位、加压工序，此外钢板重，操作起来不太方便，用胶量也较多。
2、结语
本文简要阐述了在某桥梁实际加固设计中的一些心得体会，通过对比分析，介绍了粘贴钢板加固和粘贴碳纤维加固这两种不同的旧桥加固方法，在实际工作中，应根据桥梁结构不同的需求，选取合适的加固方法。本文得到的结论有以下两点。
（1）粘贴钢板加固受弯构件在材料强度、截面承载能力、构件刚度方面都要优于粘贴碳纤维加固，但在经济性及施工方便性方面不如贴碳纤维。因此在桥梁的混凝土及钢筋质量完好，受力性能也能基本满足要求，但有一些非受力裂缝和少量缝宽不超过0.2 mm的受力裂缝，加固的主要目的是阻止或延缓裂缝的发展时，可多采用贴碳纤维布加固。如果受力裂缝中有少量超过0.2mm，受力性能稍差时则应倾向于采用粘贴钢板加固。
（2）从桥梁加固的目的和机理上讲，桥梁加固是在桥梁本身已承受其自重的过程中，对桥梁承受移动荷载和其他外荷载的影响起到补充和加强的作用。所以，无论粘贴何种材料加固桥梁结构，在加固施工过程中一定要中断交通，这样才能起到良好的加固效果。若在不中断交通的情况下做桥梁加固，则完全失去了桥梁加固的实际意义。
参考文献：
[1] 中华人民共和国交通运输部.JTG/T J22-2008公路桥梁加固设计规范【S】.北京：人民交通出版社，2008.
[2]单成林.旧桥加固设计原理及计算示例【M】.北京：人民交通出版社，2007.
[3] 中华人民共和国交通部.JTG D62―2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范【S】.北京：人民交通出版社，2004.
[4] 中华人民共和国建设部.GB 50367―2006混凝土结构加固设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2006.
作者简介：
梁建猛（1984.10―），男，河北省沧州市人，大学本科，工程师。目前在天津市北辰区公路管理局从事公路与城市道路施工技术研究。