舊橋結(jié)構(gòu)加固關(guān)鍵技術(shù)與工藝探討

李 良 杰

(武漢輕工大學土建學院土木工程系，湖北 武漢 430023)

伴隨著公路運輸業(yè)的迅速發(fā)展，我國公路交通量和車輛荷載大幅增加，舊橋發(fā)生老化、損壞現(xiàn)象，承載能力明顯下降，危橋數(shù)量逐年增多。這些橋梁由于當初設(shè)計等級不高、運營年限較長，部分梁體破損嚴重。而選取合適的補強方案和路面拓寬方案，能夠還原與提升結(jié)構(gòu)的承重能力和交通通行流暢，提高結(jié)構(gòu)的服役年限。舊橋加固技術(shù)可以避免新修帶來的巨額投資，還可以收到良好的社會經(jīng)濟效益；對原有的舊結(jié)構(gòu)補強和改造，能夠有效地避免安全問題帶來的危險，同時是能夠提高結(jié)構(gòu)承載能力和服務(wù)水平的有效方法。引進和開發(fā)舊橋加固、改造的先進技術(shù)、材料和設(shè)備，合理確定加固、改造方案是確保橋梁健康運營的重要途徑。

1 加固方案設(shè)計

本文依據(jù)對四川省成都市立交橋的檢測和靜載試驗結(jié)果的分析，對實際工程舊立交橋加固方案設(shè)計和方案進行了評估，綜合考慮各種因素，工程采用粘貼鋼板法對舊橋主梁進行補強。

1.1 加固設(shè)計依據(jù)和原則

立交橋加固方案主要依據(jù)：

1)《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》；2)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》；3)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》。

立交橋加固設(shè)計目的在于恢復(fù)設(shè)計通行能力，所以加固后荷載等級標準按現(xiàn)行公路二級進行加固設(shè)計。

橋梁的加固維修原則：

1)維修補強方案和施工應(yīng)本著并充分利用原有結(jié)構(gòu)條件，盡量避免對原來結(jié)構(gòu)的損傷原則，應(yīng)該充分確保原來工程的余留構(gòu)件的安全性與耐久性。2)橋梁經(jīng)補強加固施工后，其結(jié)構(gòu)性能、承載能力及耐久性等必須滿足設(shè)計和使用的需求。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)常用補強方案

由于舊橋主梁梁體日積月累，多處嚴重破損，截面承載能力嚴重下降，不能滿足現(xiàn)實的需求。通常，工程上采用增加截面的慣性矩來提高截面的承載能力。但是這種方法在技術(shù)或經(jīng)濟上不夠合理，則可改變結(jié)構(gòu)體系或者增強主梁間的橫向聯(lián)系，以減少主梁中的內(nèi)力，也可施加體外預(yù)應(yīng)力或采用其他有效的加固方法。

提高主梁截面的承載能力，加固辦法通常有兩大種類的方案：一是通過增設(shè)體外受拉鋼筋或者增大主梁截面慣性矩，提高主梁承重能力；二是選用粘貼高強材料加固技術(shù)，也就是在混凝土受張力部位粘貼鋼板、鋼筋或碳纖維，提高主梁截面的抗彎、抗剪應(yīng)力的能力。本次加固設(shè)計對粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法和加大截面加固法這三種常用的加固方法進行了分析。

1.2.1粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板是粘貼加固中比較常見使用的一種方法，選用粘結(jié)劑主要是環(huán)氧樹脂類制劑，選取來粘貼的加固材料應(yīng)具備良好的抗拉性能，主要有三種材料：碳纖維布、鋼板、鋼筋。為了有效提升梁體的抗彎剛度，通常我們把這些增強材料布置在梁體的受拉區(qū)域，鋼板粘貼在梁體的側(cè)面和腹板處，方向為主拉應(yīng)力線上，此方法能夠降低結(jié)構(gòu)的開裂破壞程度，提升梁體的抵抗彎矩和剪力破壞的能力。近些年來粘貼鋼板加固法在結(jié)構(gòu)補強維修工作中被社會最為廣泛的采用。

1.2.2粘貼高強纖維加固法

碳纖維為高強纖維，其比強度極高，利用環(huán)氧樹脂結(jié)合成一體后，在纖維方向上具有很高的抗拉強度，抗腐蝕性能也好，與此同時具備良好的抗疲勞、抗老化能力。碳纖維在加固補強工作中被采用于增加抗拉應(yīng)力能力，通常布置在梁體的受拉區(qū)域。粘貼纖維材料加固的方法近年來使用較廣。

1.2.3加大截面法

由于對截面的增加區(qū)域存在差異，擴大截面法既可以從梁板結(jié)構(gòu)的上部加強，也可以從梁體的下部分加強。

1)從梁體結(jié)構(gòu)的上部分加固。

可將梁橋原橋面鋪裝和三角墊層上傳力結(jié)構(gòu)改為受力結(jié)構(gòu)。在橋面板上澆筑新的混凝土，使其與原T梁形成組合截面，增大主梁抗彎剛度。采用從梁板結(jié)構(gòu)的上部加大截面(加厚橋面板)的加固方法。

2)從梁板結(jié)構(gòu)的下部加強。

從梁板結(jié)構(gòu)的下部加強，也是常用的加固方法之一。此法是在梁體的下部分增設(shè)鋼板鋼筋，用來提升結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，其中補強用的鋼筋綁置在主筋上。

1.3 “T梁”加固方案選擇

結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計，當有多個補強設(shè)計方案進行比較對比時，應(yīng)該服從如下原則：1)計算分析校核應(yīng)簡單、施工方案合理易操作、技術(shù)路線務(wù)必成熟易復(fù)制。2)施工過程中粉塵、噪聲、建筑垃圾等對周圍的影響要小。3)施工要因地制宜易于操作、工藝要成熟、質(zhì)量和工期要易于控制。4)施工的同時，要確保人身安全、行車安全和結(jié)構(gòu)安全。5)工程造價應(yīng)合理。6)加固后的結(jié)構(gòu)耐久性要好，后期維護保養(yǎng)的費用要低，便于管理。

同時在比選過程中要滿足下列要求：1)各加固設(shè)計方案應(yīng)進行同等深度的比選。2)針對以上比選原則，應(yīng)列表進行綜合比選。

立交橋上部結(jié)構(gòu)為T梁，經(jīng)過多年運營，多處出現(xiàn)了病害：橫隔板焊接鋼板開裂、腹板端部剪切裂縫。梁腹板端部剪切裂縫是由于其抗剪強度不足引起，可采用加大截面、粘貼鋼板等方法加固。加大截面需要植筋、綁扎鋼筋網(wǎng)、澆筑混凝土，由于操作空間小，混凝土很難澆筑密實，加固效果不好，一般采用粘貼鋼板加固。

由于荷載標準增大或超載引起的橫隔板焊接鋼板開裂，橫隔板承擔的橫向彎矩超過其抗彎強度，出現(xiàn)連接鋼板焊縫開裂。連接鋼板焊縫開裂后，不再能承擔橫向彎矩，橫向彎矩轉(zhuǎn)由橋面板承擔，因橋面板有效高度比橫隔板小很多，必然出現(xiàn)橋面板縱向開裂的單板受力現(xiàn)象，此時橋梁的橫向分布系數(shù)m=0.5，T梁內(nèi)力增加很多，從而易產(chǎn)生單板破壞，容易導致橋梁坍塌的重大事故。

橫隔板補強主要有加大截面、粘貼鋼板、體外預(yù)應(yīng)力等方法。加大截面需要鑿除原橫隔板混凝土，露出鋼筋，將鋼筋焊接并增加鋼筋網(wǎng)后，澆筑混凝土，鑿除原橫隔板混凝土使T梁間橫向聯(lián)系完全解除，這需要封閉交通施工，橋下澆筑混凝土操作空間小，橫隔板頂部混凝土難以澆筑密實。而體外預(yù)應(yīng)力加固是在T梁腹板下部鉆孔，安裝預(yù)應(yīng)力束，由于T梁下部鋼筋布置密集，鉆孔難以避免破壞鋼筋，且鉆孔不可能對中在一條直線上，這樣就造成預(yù)應(yīng)力鋼束局部彎曲，易出現(xiàn)疲勞斷裂等病害。而粘貼鋼板工藝成熟，可在確保通行條件下施工，所以方案選用粘貼鋼板法。

2 立交橋加固方案

針對橋梁主要病害，立交橋的加固方案如下：

1)立交橋上部結(jié)構(gòu)為T梁，經(jīng)過多年運營，出現(xiàn)了腹板端部剪切裂縫、橫隔板焊接鋼板開裂等病害，設(shè)計對腹板端部和橫隔板部分進行了粘貼鋼板加固補強，提高橫向整體性。

2)對橋梁進行了兩側(cè)加寬，提高了其承載能力和通行能力。

3)鑿除原有所有的橋面鋪裝，重新澆筑混凝土橋面鋪裝，更換伸縮縫。

4)對主梁肋板裂縫采用灌漿法或環(huán)氧膠泥進行封閉。

5)原護欄予以拆除，改為墻式防撞護欄。

6)對主梁、蓋梁外露銹蝕鋼筋、脫落混凝土及其他部位混凝土缺損，采用丙乳砂漿進行填充。

3 粘貼加固施工

3.1 粘貼鋼板加固工藝

粘貼鋼板法采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑先涂在鋼板上，然后將其壓貼于破損處的裂縫位置上的方法。

施工工藝流程：施工準備→混凝土基面處理→植錨固螺栓→鋼板下料、粘貼面處理→配膠、涂膠→鋼板粘結(jié)→施壓固定→表面防腐防潮處置→養(yǎng)護。

1)粘貼增強材料處的混凝土表面處理。

根據(jù)設(shè)計圖紙，在粘鋼加固補強區(qū)表面放出鋼板位置大樣，使梁體粗骨料外露，用角磨機安裝金剛石圓鋸片打磨去除粘貼區(qū)域表面6 mm左右厚的表層，并形成平整的粗糙面，對混凝土缺陷部位用DSJ修補膠進行事先修補，固化后再磨平。最后用壓縮空氣吹凈表面粉塵，采用工業(yè)酒精擦拭表面，保持干凈。還應(yīng)對所使用的鋼材、配套粘接劑、施工機具進行檢查，做好施工準備工作。

2)植埋螺桿。

按設(shè)計要求，在粘貼區(qū)域沿粘貼鋼板長度方向以不大于30 cm布置孔位，避開主裂縫，鉆孔植埋M12膨脹螺栓，保證螺栓離粘貼鋼板區(qū)域在7 cm左右。當螺栓孔的位置與板內(nèi)鋼筋交叉時，孔位可以沿軸線方向移動，移動范圍不大于4 cm。盲孔直徑為16 mm左右，孔深度為60 mm。對于施工前預(yù)制的盲孔采用壓縮空氣將孔底向孔外排出孔內(nèi)的浮塵，采用無水酒精清洗盲孔，晾干后向盲孔內(nèi)注入60%孔深的環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠，將螺桿緩慢轉(zhuǎn)動插入，然后立即填充樹脂結(jié)構(gòu)膠，使孔洞被填充滿。

3)鋼板構(gòu)件制備和處理。

對A3鋼板構(gòu)件進行一次切割成型。由于在施工過程中，材料受高溫變形，可采用局部降溫措施，仍有變形的局部采用人工整平。在螺桿埋設(shè)處粘貼鋼板并且放樣鉆孔，接著利用角磨機對鋼板的粘貼面進行去銹和打磨操作，打磨至出現(xiàn)金屬光澤，打磨過程中，其方向必須與鋼板受力方向保持90°，打磨完畢后采用工業(yè)酒精將鋼板粘貼面清理干凈。如果長時間不用，可在鋼板表面涂一層環(huán)氧基液防銹。

4)配制結(jié)構(gòu)膠。

根據(jù)材料使用說明，按比例制備粘鋼膠，力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 粘接膠性能參數(shù)

5)粘貼鋼板、加壓固定。

先用工業(yè)酒精清洗處理粘貼區(qū)域混凝土表面和鋼板粘貼面，然后再在鋼板粘貼表面均勻涂抹一層中間厚兩邊薄的5 mm左右的厚度結(jié)構(gòu)膠，膠的剪切強度應(yīng)大于混凝土的剪切強度且大于4 MPa，當埋植螺桿的張力達到設(shè)計強度的75%左右的時候，將鋼板貼合上，加墊片，緊固螺母，交替擰緊各加壓螺桿，使多余的結(jié)構(gòu)膠沿板縫及螺栓孔擠出，達到密貼程度。同時及時檢查鋼板下結(jié)構(gòu)膠的飽滿性。如果某些部位出現(xiàn)了膠液不足的情況，必須立即松開螺母，把膠液從鋼板側(cè)面填充入空隙處，始終保證鋼板平整密貼。螺栓擰緊次序應(yīng)按由內(nèi)向外、由中間向兩邊的原則進行。

6)粘貼效果檢驗。

粘貼施工完成1 d左右，采用小錘輕敲鋼板粘貼部位，從音響判斷粘貼效果，如果發(fā)現(xiàn)粘貼錨固區(qū)有效粘貼面積小于應(yīng)粘貼面的90%，非粘貼錨固區(qū)有效粘貼面積小于70%，則粘貼效果判定為無效，若發(fā)現(xiàn)空鼓量大或較為密集，則應(yīng)鏟除再重新粘貼。

7)局部防腐防潮處置。

粘貼施工完畢后，采用無水酒精清洗干凈，同時用角磨機打磨掉遺漏在鋼板表面的膠液，接著用鋼絲刷清理鋼板表面污漬和銹跡，最后反復(fù)涂刷防銹漆。使用水泥和107膠混合劑涂抹在補強鋼板表面上。

8)養(yǎng)護、固化。

在常溫下進行養(yǎng)護、固化，當環(huán)境溫度保持在10 ℃以上時，24 h后達到一定強度，72 h后可投入使用。

3.2 加固質(zhì)量控制要點

質(zhì)量控制應(yīng)當重點控制的幾個方面：鋼板粘貼面打磨無銹蝕，混凝土表面鑿毛并清洗干凈，粘貼面不小于98%，螺栓埋入深度適宜。

1)現(xiàn)場使用的鋼材、混凝土和砂漿性能，應(yīng)按工程項目取樣檢驗，試驗報告資料應(yīng)齊全，材料性能應(yīng)滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》和《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》的規(guī)定。2)施工采用的結(jié)構(gòu)膠必須滿足《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》和現(xiàn)行的國家標準及行業(yè)標準。3)錨栓的埋設(shè)深度必須嚴格符合設(shè)計要求，誤差不應(yīng)大于3 mm。4)粘接鋼板邊緣附件的溢膠，膠體必須確保固化。鋼板的有效粘結(jié)面積應(yīng)大于98%，采用敲擊法對其關(guān)鍵部分進行檢查。

3.3 粘貼加固效果

立交橋經(jīng)加固后，當?shù)毓凡块T對加固效果進行了評估，結(jié)論如下：立交橋的承載能力、使用狀況顯著提高，修補后的T梁經(jīng)過交通實際檢驗各項技術(shù)指標均符合設(shè)計和規(guī)范要求。通過對橫隔板連接處粘貼鋼板加固，加強了橋梁橫向聯(lián)系，對于跨中的主梁梁肋裂縫進行抗彎加固，對于處支點附近的梁肋裂縫采用抗剪加固，使腹板彎曲和剪切裂縫得到有效控制，結(jié)果顯示此次加固效果較好，腹板裂縫沒有擴展。加固效果見圖1。

4 結(jié)語

隨著粘貼鋼板加固技術(shù)的推廣應(yīng)用，加固費用逐步下降，總體而言，與其他主要的兩種方法：增大截面法和體外張拉預(yù)應(yīng)力法造價比選，該方法總的加固費用是最低的。該補強法具有以下優(yōu)點：施工操作快速、方便、安全，施工作業(yè)周期短，便于工程管理，現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè)，與此同時它周圍環(huán)境影響小，而且由于利用了舊橋梁體，施工完成后對原來的外觀和凈空無大的影響，同時可以明顯地提高結(jié)構(gòu)的承載能力，確保了結(jié)構(gòu)的可靠性，減少了施工損失，有效的降低了工程造價。