粘貼鋼板法進(jìn)行雙曲拱橋加固的研究
2015-06-24
1粘貼鋼板法加固雙曲拱橋概述
1.1可行性
許多早期修建的雙曲拱橋,普遍存在設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低、結(jié)構(gòu)整體性差的缺點(diǎn),由于長期的超載作用,大部分都出現(xiàn)了不同程度的破損,使結(jié)構(gòu)的承載力大大降低。因此,對(duì)雙曲拱橋進(jìn)行加固改造具有重要現(xiàn)實(shí)意義 。在隨之產(chǎn)生的眾多加固維修方法中,粘貼鋼板法便是行之有效的一種。
粘貼鋼板加固法是采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在石拱橋構(gòu)件的受拉區(qū)或薄弱部位表面,使之與結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力,從而達(dá)到加固增強(qiáng)、提高橋梁承載能力的目的。
根據(jù)不同的加固部位和加固要求,粘貼鋼板法可設(shè)計(jì)為在拱肋上一側(cè)、兩側(cè)、三側(cè)粘貼鋼板加固和在拱腳上粘貼和焊接角鋼加固法。
粘貼鋼板加固法的優(yōu)點(diǎn)是:粘貼鋼板所占空間小,基本上不減少橋梁的凈空,能在橋下施工,不中斷交通,施工方便,工期短,加固工作量小,加固效果卻很明顯。
外貼鋼板相當(dāng)于提高了混凝土結(jié)構(gòu)的含鋼量,因而能起到減少裂縫擴(kuò)展,改善原結(jié)構(gòu)受力,提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪的能力。在構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí),用于抗彎能力補(bǔ)強(qiáng)的鋼板尺寸應(yīng)盡可能薄而寬,厚度一般為4～6mm,較薄的鋼板可有足夠的彈性來適應(yīng)構(gòu)件表面形狀。用于提高抗剪能力的鋼板厚度宜厚點(diǎn),一般采用10～15mm。
1.2加固類型
針對(duì)不同病害類型,粘貼鋼板法對(duì)主拱圈進(jìn)行加固常見的有兩種情況:
(1)由于拱肋強(qiáng)度不足而引起的徑向裂縫。
此時(shí)可僅在拱肋底面粘貼鋼板或底面和側(cè)面都粘貼鋼板,使拱肋下部形成一側(cè)加固或三側(cè)加固。
(2)不僅拱肋出現(xiàn)徑向裂縫,而且在拱腳出現(xiàn)環(huán)向裂縫。
此時(shí)在拱肋底面和側(cè)面都粘貼鋼板的基礎(chǔ)上,選擇尺寸適宜的角鋼,將角鋼一側(cè)與拱肋上已粘貼的鋼板焊接,另一側(cè)粘貼在墩臺(tái)上,并用錨栓錨固。
對(duì)于上述情況,在粘貼鋼板之前要特別注意運(yùn)用灌漿封縫的方法處理裂縫。
1.3施工工藝
粘貼鋼板法的施工工藝一般為:
(1)鋼板制作。制作用于粘貼加固的鋼板,并對(duì)其表面進(jìn)行處理。
(2)表面處理。將混凝土破碎部分清除,鑿平鑿毛,清除浮塵,鋼板表面去油污,除銹,用丙酮擦洗干凈,涂環(huán)氧樹脂薄漿。
(3)粘貼鋼板。先在混凝土、鋼板表面刷環(huán)氧樹脂膠,再在鋼板上鋪環(huán)氧樹脂砂漿。將鋼板貼到混凝土表面上,旋緊螺絲進(jìn)行加壓。固化后卸除螺帽,截去外露的螺絲桿。
(4)加壓方式。混凝土粘貼面埋設(shè)螺栓,鋼板設(shè)孔,把鋼板粘貼到混凝土表面后立即旋緊螺帽進(jìn)行加壓。
(5)檢查粘貼質(zhì)量。用肉眼觀察,如發(fā)現(xiàn)鋼板與混凝土表面之間有空隙,填入膠結(jié)劑補(bǔ)貼。
(6)防護(hù)處理。鋼板表面先涂環(huán)氧樹脂薄漿,再涂防銹漆進(jìn)行保護(hù)。
2工程實(shí)例
2.1工程概況
某雙曲拱橋修建于1972年,橋梁全長246.26m,橋面寬度為凈7.0+2�.25m安全帶。雙向各一車道,無人行道,原設(shè)計(jì)荷載為汽車-13級(jí),掛-60。該橋上部結(jié)構(gòu)為4�0.4米空腹式鋼筋混凝土雙曲拱橋,主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱,矢跨比為1/9,拱軸系數(shù)m=3.5。拱肋為矩形截面,主拱圈由6根拱肋、5根拱波組成。拱肋底寬20cm,各肋間凈距1.26m,每跨用25道鋼筋混凝土橫系梁聯(lián)系。本橋下部構(gòu)造為重力式墩、空心臺(tái)、沉井基礎(chǔ)。
由于長期的超載作用,橋梁眾多部分都出現(xiàn)了不同程度的破損,承載力大大降低。拱肋出現(xiàn)多道縱向裂縫,拱腳處混凝土開裂。
為保證結(jié)構(gòu)及行車安全,必須進(jìn)行加固處理。
2.2加固要求
(1)加固后橋梁荷載等級(jí)提高到公路-II級(jí)標(biāo)準(zhǔn);(2)盡量不破壞原有結(jié)構(gòu);(3)盡量減少中斷交通時(shí)間;(4)便于施工和養(yǎng)護(hù)。
2.3加固方法
根據(jù)以上要求決定采用粘貼鋼板法加固此橋:
(1)對(duì)拱肋進(jìn)行三側(cè)加固,即拱肋底面粘貼6mm的補(bǔ)強(qiáng)鋼板,兩側(cè)粘貼10mm的補(bǔ)強(qiáng)鋼板,加固長度貫通拱肋全長。對(duì)于起橫向連接作用的橫系梁也采用和拱肋同樣的加固方法。
(2)拱腳處在拱肋底面和側(cè)面都粘貼鋼板的基礎(chǔ)上,選擇140�40�6型角鋼,將角鋼一側(cè)與拱肋上已粘貼的鋼板焊接,另一側(cè)粘貼在墩臺(tái)上,并用 30�00的錨桿錨固。
2.4加固材料
混凝土:拱腹填料采用C10貧混凝土,其他采用C20,C30混凝土,所用混凝土必須嚴(yán)格按照相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行配制和施工。
鋼板:采用10mm、6mm厚16Mn鋼,其技術(shù)要求應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》(GB/T19879-2005)的規(guī)定,為保證焊接質(zhì)量,鋼板采用Q235-B級(jí)鋼板。螺桿:采用全螺紋非焊接螺桿,材料采用Q235級(jí)。
膠劑:本橋加固均采用A級(jí)膠,其性能應(yīng)符合《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T J22-2008表4.6.2,表4.6.4,表4.6.5,表4.6.6的規(guī)定。
焊接材料:焊接材料及焊接工藝應(yīng)滿足公路鋼橋施工規(guī)范的要求。
3 結(jié)構(gòu)建模計(jì)算
利用有限元軟件計(jì)算分析加固前后橋梁受力情況,判斷加固效果。
3.1計(jì)算所用原理
粘貼鋼板法內(nèi)力計(jì)算主要按以下幾條原理進(jìn)行:
(1)恒載內(nèi)力及活載內(nèi)力用粘貼后的組合體截面模量計(jì)算內(nèi)力,即鋼板與原混凝土作為一個(gè)整體計(jì)算,對(duì)不同的混凝土標(biāo)號(hào)和粘貼的補(bǔ)強(qiáng)鋼板按其彈性模量進(jìn)行截面換算;
(2)按彈性理論進(jìn)行計(jì)算;
3.2材料和主拱圈截面
主拱圈為250號(hào)鋼筋混凝土,腹拱圈為200號(hào)混凝土,腹拱橫墻為150號(hào)片石混凝土,墩臺(tái)身為150號(hào)片石混凝土。
3.3荷載和約束
由于原橋建成時(shí)間較長,不考慮收縮徐變的作用。主要考慮的作用有:恒載(加固前和加固后增加的恒載)、汽車荷載(考慮沖擊力)。按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合1.2恒載+1.4汽車(考慮沖擊力)。
約束條件為:主拱圈拱腳與墩臺(tái)、腹拱圈與墩臺(tái)和側(cè)墻均為固結(jié)。
3.4結(jié)構(gòu)建模計(jì)算
利用MIDAS Civil軟件對(duì)橋臺(tái)間的4跨建立模型,共分為889個(gè)單元,681個(gè)結(jié)點(diǎn)。主拱圈、腹拱圈及橫墻、橋面系及拱上填料、墩臺(tái)均用梁單元模擬。輸入相應(yīng)的截面、材料、邊界條件及荷載后,計(jì)算加固前后的結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力,并進(jìn)行分析。
3.5計(jì)算結(jié)果比較分析
根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果,選取主拱圈的拱腳、拱頂、1/4跨截面內(nèi)力結(jié)果分析加固前后的受力情況。
從截面抗力與軸力的比值可以看出:原橋在公路-II級(jí)荷載作用下,主拱圈拱腳截面不能滿足提載后的承載力要求;加固后該橋在公路-II級(jí)荷載作用下,主拱圈各截面滿足了提載后的承載能力要求。表明通過粘貼鋼板法加固拱肋后,該橋的承載能力得到了明顯的提高。
4現(xiàn)場檢測結(jié)果
對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)反映的是橋梁在動(dòng)荷載作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征和動(dòng)力響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果如下:
4.1 自振頻率
對(duì)加固前后大橋的自振頻率進(jìn)行比較。
由表3可以看出,大橋加固后的自振頻率的實(shí)測值均大于加固前,說明橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力剛度得到明顯提高。
4.2沖擊系數(shù)
對(duì)加固前后大橋的沖擊系數(shù)進(jìn)行比較。
由表4可以看出,大橋加固后的沖擊系數(shù)的實(shí)測值均小于加固前,并且小于規(guī)范理論值,說明橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)要求。
5結(jié)語
采用粘貼鋼板法加固雙曲拱橋效果顯著。既不較少橋梁凈空,又不中斷交通,并且大大改善橋梁的受力情況,使結(jié)構(gòu)受力更加合理。施工簡單,成本較低,值得進(jìn)行推廣。
