橋梁加固方法與技術(shù)措施
2015-07-20
橋梁使用一定年限之后，由于施工質(zhì)量和橋梁設(shè)計(jì)等方面的原因，使得橋梁的檢測和加固成為必要，更因?yàn)榻▏詠硭藿ǖ牟簧倥f橋，由于受到當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)、材料、施工等方面的影響和局限，先天不足，加上不能適應(yīng)目前交通量的迅猛增長，使得舊橋的檢測和加固技術(shù)顯得非常迫切。必須予以修補(bǔ)，使之恢復(fù)到原有設(shè)計(jì)的承載能力。
1橋梁病害分析
1.1橋梁設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營對橋梁的影響。在橋梁的建造過程中，設(shè)計(jì)不合理，截面尺寸和鋼筋位置不符合力學(xué)要求，施工達(dá)不到質(zhì)量要求，原材料使用不當(dāng)、品質(zhì)不良，施工養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等這些問題的出現(xiàn)，都會導(dǎo)致橋梁在使用過程中存在質(zhì)量隱患。
1.2環(huán)境因素對橋梁病害產(chǎn)生的影響。嚴(yán)寒酷暑的的溫度、氣候、洪水的沖擊等橋梁外部環(huán)境對橋梁會產(chǎn)生影響。其中邊梁破壞嚴(yán)重，鋼筋嚴(yán)重銹蝕，混凝土保護(hù)層脫落開裂。另外部分橋梁長期處于海水干濕作用，溶蝕嚴(yán)重。
1.3超載超限對橋梁的危害。車輛的超載超限對橋梁的損傷很大，會致使橋面板坑洼不平，梁板出現(xiàn)裂縫、斷裂、受力鋼筋外漏、銹蝕。車輛的超載超限已成為嚴(yán)重的公路橋梁的殺手。超限產(chǎn)生過大的彎矩和剪力使梁板產(chǎn)生過大彎曲變形和剪力破壞，產(chǎn)生彎曲裂縫，支座附近產(chǎn)生剪切裂縫。過大的荷載使裝配式板橋的鉸縫混凝土開裂，導(dǎo)致橋面橫向分布削弱，橋板承受荷載增加;嚴(yán)重時(shí)鉸縫混凝土破壞，形成單塊板受力，使橋板斷裂，產(chǎn)生險(xiǎn)情，嚴(yán)重威脅橋梁和行車安全，如不及時(shí)采取措施，將形成事故。
1.4地震對混凝土橋梁的破壞。地震因其發(fā)生的突然性和巨大破壞力而被列為各種自然災(zāi)害之首。道路交通是國民經(jīng)濟(jì)大動脈也是抗震救災(zāi)生命線工程之一。從歷次破壞地震中，調(diào)查得到的橋梁震害產(chǎn)生的主要原因有以下幾類:1)支承連接件失效;2)下部結(jié)構(gòu)失效;3)軟弱地基失效等。
1.5梁式橋出問題，多半是上部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造缺陷。而拱橋上部構(gòu)造，施工階段是風(fēng)險(xiǎn)最大的時(shí)期，拱橋建成時(shí)，安全度比較大，拱橋出問題多半是基礎(chǔ)變形造成的。因?yàn)楣皹虻慕Y(jié)構(gòu)合理性和內(nèi)力的削減是推力起作用，而基礎(chǔ)的變形，又必定是朝向推力減弱方向發(fā)生的。梁式橋加固時(shí)，結(jié)構(gòu)改造的空間很小，拱橋加固是，結(jié)構(gòu)改造的空間較大，可采用預(yù)應(yīng)力增補(bǔ)；拱橋結(jié)構(gòu)加固，采用預(yù)應(yīng)力處理結(jié)構(gòu)很困難。梁式橋加固中，減少靜重的可能新極小，拱橋加固中可以尋求減輕靜中的途徑。
2橋梁加固方案
2.1加固的思路
2.1.1加固和維修養(yǎng)護(hù)所起的作用是不同的，維修養(yǎng)護(hù)是橋梁保持正常運(yùn)營狀態(tài)的保護(hù)性和預(yù)防性的工作，而加固卻是從承載受力的角度來處理的。
2.1.2第一類加固需求，橋梁不能承受原設(shè)計(jì)荷重要求，應(yīng)該通過加固恢復(fù)其原有的承載力。原設(shè)計(jì)的荷載標(biāo)準(zhǔn)不能滿足現(xiàn)在的交通要求，要求提高到一個新的標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.3橋梁要通過一次性的特重荷載，要求采用臨時(shí)性措施通過特重荷載而不使原結(jié)構(gòu)受到破壞，過后恢復(fù)正常。一般來說加固方案可以考慮減少內(nèi)力或增大斷面，也可以應(yīng)用加固新材料。
2.2加固方案和方法
目前，關(guān)于混凝土橋梁加固方法主要有：1、結(jié)構(gòu)性加固，如采用體外預(yù)應(yīng)力、在結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)粘貼鋼板或增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)支撐；2、非結(jié)構(gòu)性加固，如對裂縫進(jìn)行封閉或壓漿處理；3、最近幾年國外采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）取代鋼板，使加固技術(shù)發(fā)生了根本的變化。
2.3加固的材料和工藝
碳纖維復(fù)合材料是一種新型的材料，可以取代鋼板應(yīng)用在橋梁的加固工程中，因此受到人們的廣泛重視。我國對這種新型的材料是在98年開始實(shí)際應(yīng)用的，目前對它的應(yīng)用和研究正在深化和發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的特點(diǎn) 1）不增加恒載及斷面尺寸；2）不減少橋下凈空；3）施工方便，成型方便，可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀。4）環(huán)氧樹脂黏結(jié)，不需要錨固螺栓，對原結(jié)構(gòu)無新的損傷。5）可根據(jù)受力需要粘貼若干層。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）主要有三種，即碳素纖維、高分子聚合纖維、和玻璃纖維。
3具體加固方法與技術(shù)措施
3.1體外預(yù)應(yīng)力的加固另外的加強(qiáng)措施
3.1.1彎曲加強(qiáng)
采用體外預(yù)應(yīng)力加固法可提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受彎承載力,預(yù)應(yīng)力筋布置應(yīng)符合優(yōu)化布置原則,即加固筋外形與外荷載產(chǎn)生的彎矩圖形相似,因此,加固梁式結(jié)構(gòu)時(shí),體外預(yù)應(yīng)力筋多采用折線形連續(xù)筋,以充分發(fā)揮加固筋的抗拉強(qiáng)度。體外筋的靈活布置,可以有效地補(bǔ)強(qiáng)加固不同受力情況的簡支梁和連續(xù)梁。若連續(xù)梁中僅有個別跨需要加固,則可采取在這些跨上單獨(dú)布置預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行局部加固;若連續(xù)梁普遍較差,則可用各跨布置給予整體加固,若連續(xù)梁普遍較弱,但個別跨更弱,則可采取通長布置與局部布置相結(jié)合的辦法進(jìn)行加固。
3.1.2剪切加強(qiáng)
梁的剪切強(qiáng)度可通過外部加設(shè)扁鋼、鋼板和鋼箍等方法來提高，扁鋼通常箍在構(gòu)件上用后張法拉緊并已開發(fā)了一種后張不銹鋼鋼箍的方法，后張法能使新材料平分恒載及活載，這樣就能更有效地利用新增材料。提高剪切強(qiáng)度的另外一種方法為采用后張的附加預(yù)應(yīng)力鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼筋可以加在垂直和傾斜方向上，而且既可安裝在梁腹板內(nèi)，又可安裝在箱內(nèi)，施加預(yù)應(yīng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)小心謹(jǐn)慎，避免結(jié)構(gòu)某些部分出現(xiàn)超限應(yīng)力。若構(gòu)件中存在裂縫，一個好的實(shí)施方法是在施加預(yù)應(yīng)力之前,先在裂紋上注射環(huán)氧樹脂。
3.2擴(kuò)大或增加原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面
擴(kuò)大或增加原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面以提高原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度;該方法雖然能提高結(jié)構(gòu)承載力,但也會因而加大結(jié)構(gòu)自重。自重加大產(chǎn)生的內(nèi)力增量會消抵部分或全部結(jié)構(gòu)承載能力的提高。且新增結(jié)構(gòu)面積或體外施加的預(yù)應(yīng)力與原結(jié)構(gòu)體的界面能否良好結(jié)合。
增大截面、粘貼鋼板(碳纖維)、體外預(yù)應(yīng)力等加固方法都屬于二次超靜定受力結(jié)構(gòu)。加固前原結(jié)構(gòu)已經(jīng)承受荷載(即第一次受力),特別是當(dāng)承載能力不足時(shí),加固前原結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力、應(yīng)變水平一般都很高。新加固部分加固后并不立即承受荷載,而是在新荷載(即二次加載)下才開始受力。從而導(dǎo)致整個加固結(jié)構(gòu)在其后的第二次受力過程中新加部分的應(yīng)力、應(yīng)變始終滯后于原結(jié)構(gòu)的累計(jì)應(yīng)力、應(yīng)變,這決定了此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)加固計(jì)算分析不能夠完全按普通結(jié)構(gòu)概念進(jìn)行。加固結(jié)構(gòu)的承載力與新舊兩部分的應(yīng)力差值或應(yīng)變差值直接相關(guān),與原結(jié)構(gòu)的極限變形值有關(guān),與兩部分材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系有關(guān)。
3.3粘貼法
粘貼碳纖維法與鋼板粘貼加強(qiáng)法基本原理是一致的,均是將其增強(qiáng)材料粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉邊緣或薄弱部位,使之與結(jié)構(gòu)形成整體,代替需增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋,提高梁的承載能力達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。
3.3.1粘貼碳纖維法
碳纖維加固橋梁構(gòu)件的部位:用粘結(jié)材料將碳纖維材料有序地纏繞粘貼于構(gòu)件表面,實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件變形的約束并因此提高構(gòu)件的極限強(qiáng)度和承載能力。在橋梁加固%考試大%運(yùn)用中,可粘貼在混凝土梁的頂面或底板上,以提高混凝土梁的截面強(qiáng)度和剛度:也可粘貼在梁的腹板上,以提高其抗剪強(qiáng)度
3.3.2具體的施工工藝
1)處理結(jié)構(gòu)混凝土表面,涂敷基底樹脂并整平；2)涂刮整平膠并對其表面作砂光處理；3)滾刷粘結(jié)劑粘結(jié)碳纖維；4)對已貼的碳纖維作壓面處理；5)表面整飾(如抹砂漿等)。
粘貼鋼板(碳纖維)法：1)對結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪加固效果明顯,但對結(jié)構(gòu)靜剛度影響不大(靜剛度包括等直桿件扭轉(zhuǎn)剛度、受彎梁的彎曲強(qiáng)度、薄板受彎曲載荷作用、薄殼變形計(jì)算)。2)在借用橋面鋪裝層參與受力時(shí),新老混凝土的可靠連接,始終存在問題如粘結(jié)劑的老化問題。
此外粘貼鋼板法存在以下自己特殊的缺點(diǎn)：1)鋼板面積大,剛度大,適型性差,很難與原結(jié)構(gòu)緊密粘接,此外,自重很大,加上銹跡等原因,底、側(cè)粘貼很易脫落(鋼板易受腐蝕或脫落)；2)對于大跨度梁來說,鋼板的重量可能太重。
4結(jié)束語
橋梁的加固是一項(xiàng)綜合繁雜的工程，要積極引進(jìn)和開發(fā)路橋加固、改造的先進(jìn)技術(shù)、材料和設(shè)備，合理確定加固、改造方案,讓有限資金發(fā)揮更大的效益。
