聚氨酯粉煤灰复合材料结合钢丝绳在T 梁桥中的加固应用

孙跃男

（甘肃天成道桥勘察设计有限公司,甘肃 兰州 730070）

0 引言

聚氨酯粉煤灰复合材料主要由多异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰和必要的改性剂组成。相关试验表明在桥梁加固的聚氨酯粉煤灰复合材料，各项指标如下：抗压强度40 MPa、抗弯拉强度31.5 MPa；抗剪强度26.6 MPa、弹性模量75 100 MPa；泊松比0.27，与混凝土黏结性较好。该材料近年在桥梁加固中得以应用，经后期荷载试验验证，加固效果较好[1]。

当前现有钢筋混凝土旧桥中普遍存在抗弯承载力不足的问题。引发这样问题的原因有两方面：首先，旧桥的原设计等级较低不能满足当下的使用要求；其次，早期的施工方法及工艺不够完善对成桥后的承载力存在一定影响等。

1 工程概况

某简支混凝土T梁桥位于黑龙江省伊春市S312线上，其桥垮布置为5×20 m，桥梁全长105.6 m，重力式桥墩，扩大基础，横断面布置为0.5 m 路缘带+7 m 行车道+0.5 m路缘带，桥面为水泥混凝土铺装。该桥1983 年竣工通车，运营期内进行过小中修，但近年来又出现不同病害，主要包括主梁腹板出现竖向及斜向裂缝、梁底横向裂缝，桥墩剥蚀露骨、支座老化等病害。

2 主要加固措施

为了更好地模拟桥梁加固前后的受力情况，该次采用桥梁结构分析软件Midas/FEA 模拟该桥的空间有限元结构模型并进行分析计算，如图1~2 所示。根据现场调查及模型计算结果综合分析，采取以下加固措施：①梁肋底面布置单层5 根高强预应力钢丝绳；②梁肋及底面粘贴聚氨酯水泥复合，位置沿跨中左右各8 m；③桥墩外包混凝土；④同步顶升更换全桥支座等[2]。

图1 Midas/FEA 计算模型（一）

图2 Midas/FEA 计算模型（二）

根据现场调查及模型计算结果综合分析，采取以下加固措施提高钢筋混凝土T 梁的抗弯承载力、抗剪能力及并替换失效支座：

（1）梁肋底面布置单层5 根高强预应力钢丝绳，钢丝绳直径为4 mm。

预应力钢丝绳材料，必须满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224—2014）中的相关规定，材料应具备高强度、高拉伸应变、低松弛、抗腐蚀能力强的性质。该次加固采用高强度镀锌钢丝，硫、磷含量均不大于0.03%，预应力结构安装必须满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》（JGJ 85—2010）[2]。

（2）梁肋及底面粘贴聚氨酯水泥复合材料，位置沿跨中左右各8 m，T 梁底部材料厚度为5 cm，侧面高度为15 cm；聚氨酯水泥复合材料的施工过程：该材料一般在桥梁加固现场进行制作，制作前根据现场模板数量，计算每次制作量。质量比按照多异氰酸酯：改性聚醚多元醇：水泥=1 ∶1 ∶2，第一步：将适量的改性聚醚多元醇、催化剂、阻燃剂等原料倒入容器中搅拌3 min；第二步：按照配合比将多异氰酸酯和水泥倒入容器中，混合充分搅拌3 min；第三步：将拌和均匀的聚氨酯水泥复合材料倒入模板内，自然养生24 h。浇筑聚氨酯水泥复合材料时，严禁雨天施工，并且为了彻底隔绝水分，水泥要现场烘干。桥梁加固后现场如图3~4 所示。

图3 跨中截面挠度对比图（mm）

（3）为提高T 梁端部的抗剪能力，在桥跨两侧端部3 m 范围内，粘贴8 mm 厚钢板。

（4）桥墩外包混凝土。

（5）同步顶升更换全桥支座等。

3 加固前、后荷载试验分析

3.1 加载工况及荷载

该次荷载试验分析采用静载试验数据进行对比分析，根据现场勘查，桥梁第一桥跨下水流较小，障碍物少，试验条件较好，故选取第一跨进行荷载试验。

根据软件计算分析，该次静载试验共布置如下2 个工况：

工况1：对称加载，加固前后的荷载效率分别为1.00和1.01；

工况2：偏载，加固前后的荷载效率分别1.02 和1.04，共需32 t 重车两辆[3]。

以上两种工况的效率符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定的建议值0.95~1.05，说明试验选取的加载值满足规范要求。

3.2 试验跨挠度变化分析

通过对工况2 偏载下加固前、后桥梁挠度值的理论值和试验值进行对比，确认加固前后桥梁刚度变化情况。跨中截面的各测点挠度如表1、图3 所示。

表1 跨中截面挠度实测值与理论值对比表

由表1、图3 表明，桥梁加固前实测挠度值部分大于理论值，最大校验系数1.06，无安全储备；加固后实测挠度值平均下降26.6%，理论值平均下降38.1%，并且检验系数均小于1，试验表明加固后该桥梁的纵向刚度得到提高并满足设计要求[4]。

3.3 试验跨应变变化分析

通过对工况2 偏载下加固前、后桥梁应变理论值和试验值进行对比，了解桥梁应力变化，结构受力等情况。跨中截面的各测点应变如表2、图4 所示。

表2 跨中截面应变实测值与理论值对比表

图4 工况2 跨中截面应变对比图（με）

由表2、图4所示，该桥加固前校验系数大部分大于1，说明跨中截面的受拉区混凝土已经远离正常工作状态。该桥加固后应变理论值最大下降16.1%，应变实测值最大下降31.6%，其测点的实测值均小于理论值，校验系数最大为0.89，符合规范要求且安全储备较好。以上表明聚氨酯水泥复合结合预应力钢丝绳加固起到提高桥梁强度的效果，完成了预期的目标。

3.4 结构承载能力评定对比分析

该文通过有限元软件模拟旧桥现状截面抗力和加固后截面抗力，并进行极限状态验算对比分析，对比结果如表3~4 所示。

表3 主梁承载能力极限状态验算对比表

桥梁加固前后均按公路－Ⅱ级验算，由表3 可知，该桥加固前后荷载等级安全系数最大为1 990.3/2 134.0=0.89，已无安全储备。该桥处于重要公路段，结构已安全不能满足使用要求；加固后安全系数最小为2 712.2/2 134.0=1.27，满足加固设计要求，且有足够的安全储备[5]。

由表4 可知，该桥加固前L/2、3L/8、5L/8 断面裂缝宽度分别为0.23 mm、0.21 mm、0.21 mm，

表4 主梁正常使用极限状态裂缝验算对比表

均超过规范要求限值，不满足要求；加固后裂缝宽度小于规范要求限值，满足要求。且使用阶段裂缝平均下降37%，表明采用聚氨酯水泥复合结合预应力钢丝绳对桥梁进行加固，能有效地限制裂缝出现。

4 结论

该文通过实际桥梁维修加固工程为背景，首先通过有限元软件进行理论计算，再通过加固后桥梁的荷载试验数据验证加固效果，得到以下结论：

（1）桥梁加固前，通过静力荷载试验得出实测挠度值、实测应变值部分大于理论值，说明现桥梁已不能满足原公路－Ⅱ级设计荷载标准。

（2）桥梁加固后，通过静力荷载试验得出实测挠度值、实测应变值均小于理论值，满足规范要求，表明结构的强度和刚度满足加固设计要求。

（3）聚氨酯水泥复合结合预应力钢丝绳与原结构形成整体，共同承受荷载，加固效果明显，满足汽车荷载等级公路－Ⅱ级，符合加固设计要求，保证了桥梁的正常运营。

（4）桥梁加固实测的数据与模型中预期的理论值存在差异，分析原因：一方面，有限元计算软件的计算结果和桥梁真实状态存在差异，如对旧桥承载能力折减，其中需要对混凝土和钢筋进行折减，规范中给出的系数与实际情况不可能完全相符；另一方面，在加固过程中人为因素、环境因素都会影响加固的实际效果。