橋梁加固與維修
2010-09-10
隨著我國公路交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，公路交通量不斷增加，超載重車輛不斷出現(xiàn)，公路橋梁負荷日趨加重。而公路橋梁本身在施工過程中受到一些難以控制的不利因素的影響，在建成運營中又受到風、雨、水流的侵襲，溫度、濕度變化的影響，通過車輛荷載及沖擊的作用，甚至遭到地震、船舶撞擊的嚴重損害，使得其承載能力與交通需求的矛盾日益突出。為逐步解決這一矛盾，在現(xiàn)有的國民經(jīng)濟條件下，對有缺陷的橋梁進行加固補強與技術(shù)改造已成為公路養(yǎng)護與設(shè)計研究部門的當務之急。
公路橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷種類眾多，情況復雜，但無論是梁橋結(jié)構(gòu)、拱橋結(jié)構(gòu)或是索橋結(jié)構(gòu)，也不論是橋梁上部結(jié)構(gòu)還是下部結(jié)構(gòu)，歸結(jié)起來，也不外乎有裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)破壞、承載能力不足以及結(jié)構(gòu)的局部損壞等缺陷。若是預應力結(jié)構(gòu)，還有無粘結(jié)預應力混凝土的若干問題、預應力索失效等缺陷。同時，橋梁附屬結(jié)構(gòu)包括橋面鋪裝、防水層、伸縮縫、支座等均存在各自的缺陷和病害。下面主要介紹幾種橋梁加固的常用方法及實例。
1.體外預應力加固法
1.1 概述
鋼筋混凝土梁橋，當其存在結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是承載能力不足或需要提高荷載等級，即需要對橋梁主要受力結(jié)構(gòu)進行加固時，可在梁體外部(梁底和梁兩側(cè))設(shè)置預應力加勁鋼絲索或預應力粗鋼筋補強，并分別錨固在梁的兩端，通過設(shè)置一定的聯(lián)結(jié)構(gòu)件使預應力拉桿(鋼絲索或預應力粗鋼筋)與梁體構(gòu)成一個桁架體系，成為一次超靜定結(jié)構(gòu)，從而抵消部分恒載應力，起到卸載作用，從而較大幅度地提高橋梁的承載能力。體外預應力加固法比梁底增焊(或粘貼)鋼筋(或鋼板)的加固方法相比，不需清鑿混凝土保護層，且損傷梁體程度小，加固時不影響或少影響交通，能恢復或提高橋梁的荷載等級，經(jīng)濟效果較明顯。但對于梁體外的預應力筋和有關(guān)構(gòu)件應采取切實有效的防護措施，否則在溫度、腐蝕等外界條件作用下，容易造成預應力筋斷裂而使加固工作失敗。
通過在梁體外布設(shè)鋼材的拉桿或撐桿并與被加固的梁體錨固連接，然后施加預應力，強迫后加的拉桿或撐桿受力，從而改變原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，并降低原結(jié)構(gòu)應力水平，使結(jié)構(gòu)總承載力顯著提高，且可減少結(jié)構(gòu)的變形、裂縫寬度縮小甚至完全閉合。這就是體外預應力加固梁橋，并能提高其承載能力的機理。
1.2 加固實例
廣州市丫髻沙特大橋副航道橋為86m+160m+86m連續(xù)剛構(gòu)。2000年3月竣工，6月通車運營。運營3年多后，發(fā)現(xiàn)使用中出現(xiàn)橋面下?lián)?，并在隨后進行的梁體外觀檢查中發(fā)現(xiàn)剛構(gòu)中跨跨中區(qū)域梁體底板及腹板開裂現(xiàn)象嚴重，中跨跨中底板橫向裂縫寬度在0.15mm-0.3mm之間，最大裂縫達0.5mm；腹板出現(xiàn)斜裂縫，主要分布在邊跨現(xiàn)澆合攏段和中跨0.3L-0.45L，0.55L-0.70L位置，最大裂縫寬0.45mm；中跨跨中最大下?lián)隙?2.23cm。
1.2.1 體外預應力索布置
根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)的受力特點，僅在中跨沿兩腹板外側(cè)布置預應力索，為折線形布置，每側(cè)4束，全橋兩幅共16束。體外索通過雙薄壁墩頂0號塊腹板外側(cè)設(shè)置的兩對錨箱錨固，所有體外索均在1號錨箱完成轉(zhuǎn)向，1號索和3號索在1號錨箱錨固，2號索和4號索在2號錨箱錨固。在跨中每根索對稱跨徑中心線設(shè)置兩個轉(zhuǎn)向點。在體外束直線段，為防止橋面行車引起鋼束過大振動，沿體外束縱向每隔10 m左右設(shè)置一道防振限位裝置，此外在跨中轉(zhuǎn)向點處，為防止未轉(zhuǎn)向索振動時與轉(zhuǎn)向點鋼箱加勁板相碰應設(shè)置保護措施。
1.2.2 主要施工工藝
(1)0號塊錨固點：a．搭設(shè)施工支架(平臺)；b．清理和修整混凝土表面；e．在腹板錨固鋼箱位置鉆孔植螺桿；d．安裝箱內(nèi)鋼板；e．吊裝焊接好的錨固鋼箱，并將腹板內(nèi)側(cè)鋼板及外部錨固鋼箱用板
材用環(huán)氧粘接劑和錨栓連接在腹板上，此時須擰緊螺栓并初張拉橫向預應力鋼絞線，最后在箱內(nèi)澆筑混凝土，待澆筑的混凝土達到設(shè)計強度后將橫向預應力張拉到設(shè)計值。
(2)體外索轉(zhuǎn)折點：a．在預制轉(zhuǎn)向鋼箱的同時在梁體的錨固位置種植化學螺栓；b．將制作好的鋼箱安裝在箱梁底板上；e．將一幅橋的兩側(cè)鋼箱在箱底用焊接型鋼連接。
(3)體外索張拉：體外索應對稱逐級張拉(張拉時一幅橋的8根索應同步對稱張拉)，每級不超過張拉設(shè)計值的30%，在每張拉完一級時要仔細檢查每個錨固點及轉(zhuǎn)向點的受力情況，是否有新的裂縫及過大變位出現(xiàn)，如有不良病害出現(xiàn)立即停止張拉，查明原因采取補強措施后再進行張拉；當張拉到設(shè)計值的50%時，查看跨中底板裂縫的閉合情況及跨中開裂區(qū)是否產(chǎn)生壓應力；如裂縫閉合且開裂區(qū)有小的壓應力出現(xiàn)可進行裂縫灌漿，灌漿完畢后將體外索張拉至設(shè)計值，讀取跨中下緣應力及上撓值，與設(shè)計預計值對比。
(4)體外索防振設(shè)施：采用在腹板外側(cè)打孔埋栓方式與索上的減振器連接(索夾)。
2.粘鋼法加固
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力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高橋梁承載能力的目的。一般將鋼板粘貼在被加固橋梁結(jié)構(gòu)受力部位的外邊緣，以便充分發(fā)揮粘貼的鋼板強度與作用，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土變形，從而有效地提高被加固構(gòu)件的剛度和抗裂性。
(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鋼板，使鋼板與原結(jié)構(gòu)形成整體來受力，此時以鋼板與混凝土粘結(jié)處的混凝土局部抗剪切強度控制設(shè)計。合理與安全的設(shè)計應控制在鋼板發(fā)生屈服變形前，粘結(jié)處混凝土不出現(xiàn)剪切破壞。
(2)當橋梁結(jié)構(gòu)的主拉應力區(qū)斜筋不足，為了加固和增加結(jié)構(gòu)的抗剪切強度時，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(斜度一般為45º-60º)，以承受主拉應力。
(3)補強設(shè)計時，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)在構(gòu)造設(shè)計時，加固用的鋼板可按實際需要采用不同的形狀，但鋼板的厚度必須比計算出的厚度大些。用于抗彎能力補強的鋼板尺寸盡可能薄而寬，厚度一般為4mm-6mm，較薄的鋼板可有足夠的彈性來適應構(gòu)件表面形狀。用于抗剪能力提高的鋼板厚度宜厚些，依設(shè)計而定。
(5)設(shè)計鋼板長度時，應將鋼板的兩端延伸到低壓力區(qū)，以減少鋼板錨固段的粘結(jié)應力集中，防止粘結(jié)部位構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或粘貼鋼板被拉脫現(xiàn)象的發(fā)生。
(6)粘貼法加固橋梁，如何確保鋼板和被加固構(gòu)件形成整體受力是加固成功與否的關(guān)鍵，所以，在補強設(shè)計時，除應考慮鋼板具有足夠的錨固長度、粘結(jié)劑具有足夠的粘結(jié)強度和耐久性外，為避免鋼板在自由端脫膠拉開，端部可用夾緊螺栓固定，或設(shè)置U型箍板、水平錨固板等，并在鋼板上按一定的距離用螺栓固定，確保鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力滿足抗拉或抗剪強度的需要。
3.外包混凝土法加固
外包混凝土加固法又稱加大截面加固法，它是增大構(gòu)件的截面和配筋，用以提高構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，也可用來修補裂縫等，適用于梁式橋和拱式橋。
根據(jù)不同的加固目的和要求，可分為加大截面為主加固和加配筋為主的加固，或兩者同時采用的加固。加固中應將新舊鋼筋以焊接，或用錨桿聯(lián)結(jié)補強鋼筋和原構(gòu)件，同時將舊混凝土表面鑿毛清洗干凈，確保新舊混凝土良好結(jié)合。外包混凝土加固法使用普通混凝土，強度等級不低于C20，當加固層較薄，鋼筋較密時，可用細石子混凝土，在條件許可的情況下亦可采用鋼纖維混凝土加固，配置的鋼材除普通鋼筋外還可采用型鋼和鋼板。外包混凝土加固法缺點是現(xiàn)場濕作業(yè)工作量大，養(yǎng)護期較長，并對結(jié)構(gòu)外觀和凈空有一定影響。
外包混凝土加固法的構(gòu)造要求：1)新澆混凝土的最小厚度不應小于40mm，用噴射混凝土施工時不應小于50mm。2)配制混凝土用的石子宜用堅硬耐久的卵石或碎石，其最大粒徑不宜大于20mm。3)當采用鋼筋補強時，縱向受力鋼筋的直徑不宜小于12mm；封閉式箍筋直徑不宜小于8mm，U型箍筋直徑宜與箍筋直徑相同。4)當采用型鋼和鋼板補強時，應將其和原結(jié)構(gòu)的鋼筋進行聯(lián)結(jié)，或采用錨栓與原結(jié)構(gòu)聯(lián)系，切實保證力的有效傳遞和能夠參與原結(jié)構(gòu)共同受力。5)加固的受力鋼筋與原構(gòu)件的受力鋼筋間的凈距不應大于20mm，并應采用短筋焊接連接；箍筋應采用封閉的或U型箍筋。
4.結(jié)語
舊橋的加固、維修工作應當說是一項技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的舉措，但也存在許多實際困難，如舊橋原始資料難以查找，缺乏資金和成熟的技術(shù)支持，使得舊橋加固工作難以開展。然而，隨著我國高速公路的建設(shè)和發(fā)展，將逐步建成全國干線和高速公路網(wǎng)絡，其中原有的公路將發(fā)揮干線到支線、到各地分散物流的重要作用。因此，研究延長既有橋梁使用壽命的方法，力求加以充分利用，使有限的建設(shè)資金用于當前亟需的工程，是一項十分重要而有意義的工作。
