粘貼鋼板法進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,普遍存在設計荷載標準低、結構整體性差的缺點,由于長期的超載作用,大部分都出現(xiàn)了不同程度的破損,使結構的承載力大大降低。因此,對雙曲拱橋進行加固改造具有重要現(xiàn)實意義 。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)氧樹脂或建筑結構膠將鋼板粘貼在石拱橋構件的受拉區(qū)或薄弱部位表面,使之與結構物形成整體共同受力,從而達到加固增強、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,粘貼鋼板法可設計為在拱肋上一側、兩側、三側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。
外貼鋼板相當于提高了混凝土結構的含鋼量,因而能起到減少裂縫擴展,改善原結構受力,提高結構的抗彎、抗剪的能力。在構造設計時,用于抗彎能力補強的鋼板尺寸應盡可能薄而寬,厚度一般為4～6mm,較薄的鋼板可有足夠的彈性來適應構件表面形狀。用于提高抗剪能力的鋼板厚度宜厚點,一般采用10～15mm。
1.2加固類型
針對不同病害類型,粘貼鋼板法對主拱圈進行加固常見的有兩種情況:
(1)由于拱肋強度不足而引起的徑向裂縫。
此時可僅在拱肋底面粘貼鋼板或底面和側面都粘貼鋼板,使拱肋下部形成一側加固或三側加固。
(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。
此時在拱肋底面和側面都粘貼鋼板的基礎上,選擇尺寸適宜的角鋼,將角鋼一側與拱肋上已粘貼的鋼板焊接,另一側粘貼在墩臺上,并用錨栓錨固。
對于上述情況,在粘貼鋼板之前要特別注意運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,并對其表面進行處理。
(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,旋緊螺絲進行加壓。固化后卸除螺帽,截去外露的螺絲桿。
(4)加壓方式?；炷琳迟N面埋設螺栓,鋼板設孔,把鋼板粘貼到混凝土表面后立即旋緊螺帽進行加壓。
(5)檢查粘貼質量。用肉眼觀察,如發(fā)現(xiàn)鋼板與混凝土表面之間有空隙,填入膠結劑補貼。
(6)防護處理。鋼板表面先涂環(huán)氧樹脂薄漿,再涂防銹漆進行保護。
2工程實例
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,原設計荷載為汽車-13級,掛-60。該橋上部結構為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。本橋下部構造為重力式墩、空心臺、沉井基礎。
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。
為保證結構及行車安全,必須進行加固處理。
2.2加固要求
(1)加固后橋梁荷載等級提高到公路-II級標準;(2)盡量不破壞原有結構;(3)盡量減少中斷交通時間;(4)便于施工和養(yǎng)護。
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)對拱肋進行三側加固,即拱肋底面粘貼6mm的補強鋼板,兩側粘貼10mm的補強鋼板,加固長度貫通拱肋全長。對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面都粘貼鋼板的基礎上,選擇140�40�6型角鋼,將角鋼一側與拱肋上已粘貼的鋼板焊接,另一側粘貼在墩臺上,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,所用混凝土必須嚴格按照相應的技術規(guī)范進行配制和施工。
鋼板:采用10mm、6mm厚16Mn鋼,其技術要求應符合《建筑結構用鋼板》(GB/T19879-2005)的規(guī)定,為保證焊接質量,鋼板采用Q235-B級鋼板。螺桿:采用全螺紋非焊接螺桿,材料采用Q235級。
膠劑:本橋加固均采用A級膠,其性能應符合《公路橋梁加固設計規(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滿足公路鋼橋施工規(guī)范的要求。
3 結構建模計算
利用有限元軟件計算分析加固前后橋梁受力情況,判斷加固效果。
3.1計算所用原理
粘貼鋼板法內(nèi)力計算主要按以下幾條原理進行:
(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算內(nèi)力,即鋼板與原混凝土作為一個整體計算,對不同的混凝土標號和粘貼的補強鋼板按其彈性模量進行截面換算;
(2)按彈性理論進行計算;
3.2材料和主拱圈截面
主拱圈為250號鋼筋混凝土,腹拱圈為200號混凝土,腹拱橫墻為150號片石混凝土,墩臺身為150號片石混凝土。
3.3荷載和約束
由于原橋建成時間較長,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、腹拱圈與墩臺和側墻均為固結。
3.4結構建模計算
利用MIDAS Civil軟件對橋臺間的4跨建立模型,共分為889個單元,681個結點。主拱圈、腹拱圈及橫墻、橋面系及拱上填料、墩臺均用梁單元模擬。輸入相應的截面、材料、邊界條件及荷載后,計算加固前后的結構中的內(nèi)力,并進行分析。
3.5計算結果比較分析
根據(jù)程序計算結果,選取主拱圈的拱腳、拱頂、1/4跨截面內(nèi)力結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)場檢測結果
對加固后的橋梁進行動載試驗。動載試驗反映的是橋梁在動荷載作用下橋梁上部結構的動力特征和動力響應。試驗結果如下:
4.1 自振頻率
對加固前后大橋的自振頻率進行比較。
由表3可以看出,大橋加固后的自振頻率的實測值均大于加固前,說明橋梁結構動力剛度得到明顯提高。
4.2沖擊系數(shù)
對加固前后大橋的沖擊系數(shù)進行比較。
由表4可以看出,大橋加固后的沖擊系數(shù)的實測值均小于加固前,并且小于規(guī)范理論值,說明橋梁結構動力剛度滿足設計要求。
5結語
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,使結構受力更加合理。施工簡單,成本較低,值得進行推廣。
