橋梁結(jié)構(gòu)加固與維修技術(shù)淺析
2015-08-26
1、引言
橋梁自身在施工過程中或多或少存在一些無法控制、難以克服或極易疏忽的不利因素，在建成后運(yùn)營(yíng)過程中又受到車輛荷載的不斷沖擊，以及風(fēng)、雨、水流等外力的侵蝕，并且長(zhǎng)期受溫度、濕度變化的影響，甚至遭到地震的嚴(yán)重?fù)p害，使得其承載能力與交通需求的矛盾日益突出。因此，在確保橋梁的安全性能的基礎(chǔ)上，充分考慮項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性、合理性，對(duì)現(xiàn)有橋梁存在的相關(guān)缺陷和隱患進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)與維修改造是很有必要的，本文對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行了總結(jié)，簡(jiǎn)要淺析了橋梁加固與維修技術(shù)，并通過實(shí)例，介紹和展示了橋梁的加固與維修工作。
2、橋梁加固與維修的目的和基本原則
橋梁加固與維修的根本目的是為了消除和降低橋梁的安全缺陷、質(zhì)量隱患，保證橋梁的正常通行功能。因此其基本的處理原則要堅(jiān)持從實(shí)際出發(fā)、消除隱患、全面比較、協(xié)同受力、預(yù)防損壞、有序?qū)嵤?br />
3、橋梁加固與維修的常用技術(shù)方案和處置方法
常用的加固改造技術(shù)方案有：減輕橋梁恒載、加固臨界構(gòu)件、替換更新構(gòu)件、改善原結(jié)構(gòu)受力體系等方法，以達(dá)到增大橋梁承受活載的能力，維系橋梁體系的健康運(yùn)行，改善原橋梁服務(wù)性能和延長(zhǎng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)使用壽命，也都起著重要作用，其常見的處置方法如下：
3.1增大構(gòu)件截面加固法
增大構(gòu)件截面加固法又稱外包混凝土加固法，它是增大構(gòu)件的截面和配筋，用以提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，也可用來修補(bǔ)裂縫等，適用于梁式橋和拱式橋。
3.2粘貼（鋼板、碳纖維、錦綸纖維）加固法
粘貼加固法即粘鋼法，粘鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強(qiáng)度高的材料粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、提高橋梁承載能力的目的。
3.3體外預(yù)應(yīng)力加固法
對(duì)于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁或板，采用對(duì)受拉區(qū)施以體外預(yù)應(yīng)力加固，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載的作用，從而能較大幅度地提高梁的承裁能力。體外須應(yīng)力加固法優(yōu)點(diǎn)是：
3.3.1在自重增加很小的情況下，能夠大幅度改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高承重結(jié)構(gòu)的剛度、抗裂性能；
3.3.2由于承重結(jié)構(gòu)自更增加小，故對(duì)墩臺(tái)及基礎(chǔ)受力狀況影響很小，可節(jié)省對(duì)墩臺(tái)及基礎(chǔ)的加固；
3.3.3對(duì)橋梁營(yíng)運(yùn)影響較小，可在不限制通行的條件下加固施工；
3.3.4預(yù)應(yīng)力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時(shí)加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級(jí)的措施。
4、橋梁的加固維修實(shí)例
4.1項(xiàng)目概況
合肥市WLD立交橋工程橋體共計(jì)四層，分地上三層、地下一層，橋梁面積4萬㎡，占地8.9公頃。為雙“Y”定向式加環(huán)型匝道的四層互通式立交，分五個(gè)交叉道向四周輻射，解決了17個(gè)流向的交通。
4.2存在的主要病害
橋梁建成后運(yùn)行十幾年，期間經(jīng)過不間斷的定期檢測(cè)評(píng)估，該橋已發(fā)現(xiàn)不同程度的病害：
?。?）橋面瀝青鋪裝層厚度普遍偏薄，部分縱向裂縫間斷性貫穿橋面，墩頂橫向開裂；
?。?）較多空心板底部有縱向裂縫，部分板梁底部有橫向裂縫，底板厚度偏??；
?。?）部分孔跨空心板梁間鉸縫失效，有向單板受力發(fā)展的趨勢(shì)；
?。?）多處墩頂橫向裂縫處對(duì)應(yīng)整體化混凝土開裂和滲水；
?。?）部分支座缺失、脫空；
?。?）部分板底部有不同程度露筋、銹脹和保護(hù)層厚度不足；
（7）現(xiàn)澆連續(xù)梁裂縫較多，箱梁的跨中部分出現(xiàn)大面積裂縫，其裂縫的發(fā)展從底板延伸到腹板，且裂縫超標(biāo)，裂縫最大寬度達(dá)到0.5㎜。
4.3本次維修加固主要內(nèi)容和方法
針對(duì)具體病害狀況、機(jī)理，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果和通行狀況，本次維修主要包括：橋面鋪裝層更換改造、連續(xù)大箱梁加固、空心板梁加固（局部更換）、裂縫修補(bǔ)、支座更換維修、通道橋改造、引道維修和交通工程等，采用粘貼（碳纖維）加固法進(jìn)行維修加固。
4.4粘貼加固法的特點(diǎn)及原理
4.4.1為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力，一般在構(gòu)件的受拉緣表面粘貼碳纖維、鋼板等，使之與原結(jié)構(gòu)形成整體來受力，此時(shí)以其與混凝土粘結(jié)處的混凝土局部抗剪切強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)。合理與安全的設(shè)計(jì)應(yīng)控制在介質(zhì)發(fā)生屈服變形前，粘結(jié)處混凝土不出現(xiàn)剪切破壞；
4.4.2當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力區(qū)斜筋不足，為了加固和增加結(jié)構(gòu)的抗剪切強(qiáng)度時(shí)，可將鋼板粘貼在結(jié)構(gòu)的側(cè)面，并垂直于剪切裂縫的方向斜向粘貼，以承受主拉應(yīng)力；
4.4.3補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，鋼板可作為鋼筋的斷面來考慮，將鋼板換算成鋼筋，原有構(gòu)件承受恒載與活載，增加的鋼板承受原有構(gòu)件承受不了的那部分活載；
4.4.4在構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，加固用的碳纖維或鋼板可按實(shí)際需要采用不同的形狀，但鋼板的厚度必須比計(jì)算出的厚度大些。用于抗彎能力補(bǔ)強(qiáng)的鋼板尺寸盡可能薄而寬，厚度一般為4～6 mm，較薄的鋼板可有足夠的彈性來適應(yīng)構(gòu)件表面形狀；
4.5 主要施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)
4.5.1表面缺陷修補(bǔ)措施
?。?）對(duì)于面積小于（25×25）cm2，深度小于5㎝時(shí)的混凝土表面缺損，鑿除松動(dòng)混凝土，外露骨料，鋼筋除銹，用聚合物水泥基修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)； （2）對(duì)于缺損面積大于（25×25）cm2，深度大于5㎝時(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)表面缺損，鑿除松動(dòng)混凝土，外露骨料，鋼筋除銹，噴涂界面劑，采用干軋混凝土修補(bǔ)；
?。?）對(duì)于淺層缺陷，采用涂抹聚合物水泥基修補(bǔ)。
4.5.2粘貼鋼板加固施工工藝
?。?）碳纖維、膠粘劑及底膠材料要求
1）加固用碳纖維材料必須采用聚丙烯腈基（PAN基）12K或12K以下的小絲束纖維，嚴(yán)禁使用大絲束纖維。纖維復(fù)合材料FRS必須采用連續(xù)纖維與改性環(huán)氧樹脂膠粘劑復(fù)合而成。技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)
品名 抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa） 受拉彈性模量（MPa） 伸長(zhǎng)率（%） 彎曲強(qiáng)度（MPa） 層間剪切強(qiáng)度（MPa） 仰貼條件下纖維復(fù)合材料與混凝土正拉粘結(jié)強(qiáng)度（MPa） 單位面積質(zhì)量（g/㎡）
單向織物（布） ≥3100 ≥2.1×105 ≥1.5 ≥600 ≥35 ≥Max{2.5，ftk}，且為混凝土內(nèi)聚破壞 300
2）粘貼碳纖維的膠粘劑必須采用專門配制的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，其膠粘劑的基本性能達(dá)到A級(jí)膠的要求且為浸漬/粘結(jié)與修補(bǔ)兼用的單一膠粘劑。
3）粘貼碳纖維的底膠為浸漬/粘貼與修補(bǔ)兼用的單一膠粘劑
（2）工藝程序
構(gòu)件表面處理→貼片前基層處理→用環(huán)氧裂縫修補(bǔ)劑FCS對(duì)構(gòu)件表面殘缺修補(bǔ)→涂膠粘劑→貼碳纖維片→養(yǎng)護(hù)→涂裝
?。?）工藝要求
粘貼碳纖維工藝的關(guān)鍵在于碳纖維粘貼的緊密、牢固性，保證與原結(jié)構(gòu)形式成整體，能夠共同工作。同時(shí)，碳纖維粘貼及養(yǎng)護(hù)固化期內(nèi)，橋面不宜行車。
施工工藝為滿足上述要求，需正確的掌握工藝流程，每道工序都要有利于保證碳纖維粘貼緊密。
?。?）施工質(zhì)量要求
1）碳纖維片材已按規(guī)定裁剪；
2）氣溫、空氣濕度、構(gòu)件表面含水率符合規(guī)定；
3）底涂和環(huán)氧膩?zhàn)舆_(dá)到指觸干燥（樹脂表面達(dá)到固化硬結(jié)）；
4）環(huán)氧樹脂的類型和施工時(shí)的氣溫適合，主劑和固化劑按規(guī)定的比例稱量準(zhǔn)確，裝入容器用攪拌器拌合均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完；
5）碳纖維片材規(guī)格、貼片位置、長(zhǎng)度、寬度、纖維方向、層數(shù)符合設(shè)計(jì)規(guī)定。
6） 養(yǎng)護(hù)嚴(yán)格遵守自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間要求。
5、結(jié)語
橋梁加固是一項(xiàng)系統(tǒng)而繁雜的工程。隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施的逐步投入，大型、特大型的橋梁工程已經(jīng)相當(dāng)普及，在負(fù)荷運(yùn)行一定時(shí)期后，必然會(huì)出現(xiàn)一系列的缺陷和通病，因此舊橋的加固、維修工作將是后期項(xiàng)目建設(shè)的大趨勢(shì)。橋梁的維修加固是一項(xiàng)技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的舉措，也是一項(xiàng)節(jié)約能耗、注重環(huán)保的工程。
