公路混凝土橋梁加固技術(shù)探析
2015-06-09
1.前言
我國公路混凝土橋梁以梁式橋為主要形式，隨著社會的發(fā)展和設(shè)計標準、結(jié)構(gòu)使用要求的改變，很多公路混凝土橋梁無法繼續(xù)使用。相較于花費較大，周期較長的舊橋拆除重建工程而言，舊橋加固不僅可以延長橋梁的使用周期，而且在低投入的條件下滿足了交通量的要求。因此，橋梁加固技術(shù)是值得工程人員研究的重要課題。
2.公路混凝土橋梁加固原則
混凝土材料抗壓，但是不抗拉，因此通常與鋼材共同使用。但是由于加入鋼材后，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系放生改變，使得工程師無法準確對材料內(nèi)部的時變性進行計算。與此同時，橋梁在交通量、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響下，必然會出現(xiàn)一些病害。對于一般混凝土橋梁而言，比較常見的病害是混凝土裂縫，按裂縫的性質(zhì)而言，可以分為結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫，其中，結(jié)構(gòu)性裂縫應(yīng)該受到更加的重視。對于大跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)橋而言，還應(yīng)該關(guān)注橋梁的跨中下?lián)蠁栴}。除此之外，一些自然災(zāi)害與施工因素也會而引起橋梁的病害，比如上部結(jié)構(gòu)損毀、橋墩橋臺開裂失效、支座脫空變形等，針對橋梁病害的不同情況與不同位置，應(yīng)該合理的選擇加固方案。
目前橋梁的加固技術(shù)有幾十種之多，比如：置換混凝土加固法、加大截面加固法、粘結(jié)外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼鋼筋加固法、粘結(jié)碳纖維增強塑料加固法（CFRP）、繞絲加固梁柱法、錨栓錨固加固法（只適用于C20-C60強度的混凝土結(jié)構(gòu)加固）、聚合物浸漬混凝土加固法、玻璃鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增加支撐加固法、托換技術(shù)、植筋技術(shù)、裂縫修補技術(shù)、混凝土表面處理技術(shù)、改變體系加固法等。在加固時應(yīng)該堅守兩個原則，其一是不能因為加固而造成橋梁的新病害，其二是不能因為加固而進一步損傷受損結(jié)構(gòu)。對于結(jié)構(gòu)性病害，加固補強方案可以采用多種加固方式，綜合對病害進行處理。
3.公路混凝土橋梁加固技術(shù)
3.1置換混凝土加固法
在梁受壓區(qū)強度嚴重不足或遇到偏心受壓柱，成批混凝土不達標時，可以用置換混凝土加固法。通過彎矩包絡(luò)圖確定混凝土強度最低的構(gòu)件的危險截面，在受壓區(qū)采用高等級的新混凝土置換。雖然只是局部置換，但是根據(jù)相關(guān)實驗，效果與增大截面法類似，且不影響橋梁的凈空。
3.2加大截面加固法
加大截面法是指增加混凝土面積，同時增加受力鋼筋，使得新舊混凝土形成整體，增加受力面積和構(gòu)件有效高度，以提高橋梁的承載力。這種方法應(yīng)用廣泛，具有一套成熟的設(shè)計方法，可以用于梁、板、柱等結(jié)構(gòu)的加固，對于混凝土拱橋拱肋的加固也可以使用這種方法。加固后，橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載增加，因此必要時需要同時對橋梁基礎(chǔ)進行加固，加固設(shè)計的關(guān)鍵是處理結(jié)合面的共同工作問題，根據(jù)相關(guān)文獻資料，選擇具有高張拉應(yīng)變能力且低收縮性能的材料可以提高結(jié)合面的抗剪力和抗拉力。對主梁承載能力極限狀態(tài)等的驗算按照二次受力的疊合梁進行。通常采用加大截面法施工時，會考慮橋面鋪裝部分的加固，并且將鋪裝部分的受力也考慮進來。這種方法計算簡單，能夠提高主梁的承載力、剛度，施工便利，對交通的影響小，但是施工量較大，而且養(yǎng)護周期長。
3.3粘貼鋼板加固法
粘貼鋼板加固法可以用于縱向主筋銹蝕、梁板橋主梁的橫向裂縫、主梁承載能力不足以及其他受彎、受拉、受簡部件加固的問題處理中，要求所處環(huán)境濕度不大于70%且無化學(xué)腐蝕。通過在薄弱部分或受拉邊緣粘貼鋼板，可以以鋼板代替鋼筋，從而改善橋梁的受力情況，相關(guān)實驗已經(jīng)證明，粘貼在混凝土梁側(cè)面和底面的鋼板，不但能提高抗彎承載能力，而且還能提高梁的抗彎剛度，相應(yīng)地減少撓度和混凝土開裂。值得注意的是，對結(jié)合面進行處理以及鉆埋螺栓孔時會損傷原混凝土結(jié)構(gòu)，對于使用這種方法的加固部件，當鋼板達到屈服，進入破壞階段后，鋼板會與混凝土間發(fā)生局部剝離，出現(xiàn)斜裂縫（類似普通鋼筋混凝土受剪構(gòu)件），導(dǎo)致混凝土構(gòu)件進一步損壞。為了避免這種問題，環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度應(yīng)該超過混凝土粘結(jié)強度，鋼板應(yīng)該盡量薄而長，并采用足夠的描固，發(fā)揮鋼板的抗拉性能，建議錨固的方式最好是膠粘錯固。
3.4粘結(jié)碳纖維片加固法
碳纖維增強塑料（CFRP）具有強度高（是一般建筑用鋼的十多倍）、質(zhì)量輕、操作簡單、不銹蝕的有點，可以用于混凝土橋梁抗彎、抗剪、抗偏心受壓的加固，尤其適用于配筋率低得舊橋梁、板加固。對于配筋率較高的混凝土橋梁而言，這種方法效果一般，因此常與其他方法聯(lián)合使用。對于混凝土墩柱，采用碳纖維片加固效果較好。粘貼碳纖維片加固法的優(yōu)點眾多，能極大的提高混凝土構(gòu)件的強度和承載力，而且不增加恒載以及斷面的尺寸，但是缺乏詳細的設(shè)計標準與施工規(guī)范，而且必須做專門的防火處理才能投入到使用中。目前在受彎面進行粘貼碳纖維片法加固時，T形截面梁的抗彎載力通常按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》進行計算。在進行計算式時，由于碳纖維的強度較高，所以其受彎折減系數(shù)取0.9比較安全，加固后抗彎加載提高幅度不宜過大（>30%）以控制變形和裂縫等問題。實際施工中，遇到橋梁恒載較大的情況時，還應(yīng)該考慮二次受力，即碳纖維片的受力相對于混凝土受拉區(qū)邊緣應(yīng)變值具有滯后的特點。根據(jù)相關(guān)研究，普通鋼筋混凝土橋梁的主梁在彎矩作用下，可以靈活的認為處于第二工作階段，采用換算截面計算抗彎慣性矩，因此，梁的受拉邊緣初始應(yīng)變可按下公式計算：
I0――開裂截面的換算慣性矩
X0――受壓區(qū)理論高度
從施工經(jīng)驗看，粘貼的CFRP片與加固的梁等長較好，且進行抗彎加固時應(yīng)該在受拉面粘貼碳纖維片，進行抗剪加固時宜在梁底和側(cè)面粘貼形成U型加固方案，對于碳纖維片的端部，應(yīng)該錨固。
3.5預(yù)應(yīng)力加固法
預(yù)應(yīng)力加固法可以起到加固、卸載、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的多重效果，避免了其他加固方法的滯后性，特別適用于正截面受彎承載力不足，梁的撓度過大以及受拉面裂縫過寬，梁斜截面抗剪力不足，高應(yīng)變、高應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中持續(xù)下?lián)系葮蛄航Y(jié)構(gòu)病害。由于使用預(yù)應(yīng)力加固后，新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為所有差異，因此預(yù)應(yīng)力筋的添加位置以及數(shù)量需要經(jīng)過仔細的計算，考慮到舊橋混凝土的緩變，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力不宜超過150MPa。另外，預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向塊與錨固點處應(yīng)該進行嚴格的防腐蝕處理，在施工中應(yīng)該實時的用X射線進行監(jiān)測，以減少設(shè)計失誤導(dǎo)致的橋梁進一步損壞。預(yù)應(yīng)力加固法的缺點是易腐蝕、易燃、對橋梁外觀有所損壞。為了避免上述缺點，可以采用噴射混凝土以及纖維加筋塑料的方法對預(yù)應(yīng)力筋進行保護，降低外界的侵蝕。由于環(huán)氧樹脂等結(jié)硬后具有脆性，所以預(yù)應(yīng)力加固法通常不用于60℃以上的高溫環(huán)境，也不用于混凝土緩變較大的橋梁結(jié)構(gòu)。下圖1為某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)橋梁加固示意圖，經(jīng)檢測該橋梁仍處于彈性受力狀態(tài)，承載力滿足相關(guān)要求，但是出現(xiàn)了跨中下?lián)犀F(xiàn)象，主梁主拉應(yīng)力較大，箱梁腹板、箱梁頂板出現(xiàn)了裂縫，多為受力裂縫。采用的加固方式是在箱內(nèi)加厚腹板，并且在加厚的腹板內(nèi)側(cè)布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼絞絲，對箱梁頂板采用粘貼碳纖維片的方式加固。對于箱梁腹板而言，使用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力方案為宜，且鋼筋的單位束力較小些為佳，錨固的位置選擇在梁跨1/8至根部的效果較好。如果遇到復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)該避開。
3.6改變體系結(jié)構(gòu)法
這種方法主要通過增加附加構(gòu)件完成，以減小承重構(gòu)件的應(yīng)力，改善橋梁性能。常用的方法有：簡支轉(zhuǎn)連續(xù)法；增加支撐法；梁式橋轉(zhuǎn)梁拱組合體系；鋼索斜拉加固等。其中，增加支撐加固法的施工簡單，但是會減少使用空間，在相關(guān)條件允許時才可使用，以千斤頂作為剛性元件的加固方法。
4.結(jié)語
每一種加固技術(shù)都有相應(yīng)的使用范圍，在橋梁加固中，必須結(jié)合橋梁加固的原因和自身的特點，以及所處的環(huán)境條件，選擇不同的加固方法，確實保證橋梁的加固質(zhì)量。
