橋梁結構加固與維修技術淺析
2015-08-26
1、引言
橋梁自身在施工過程中或多或少存在一些無法控制、難以克服或極易疏忽的不利因素，在建成后運營過程中又受到車輛荷載的不斷沖擊，以及風、雨、水流等外力的侵蝕，并且長期受溫度、濕度變化的影響，甚至遭到地震的嚴重損害，使得其承載能力與交通需求的矛盾日益突出。因此，在確保橋梁的安全性能的基礎上，充分考慮項目建設的經濟性、科學性、合理性，對現(xiàn)有橋梁存在的相關缺陷和隱患進行加固補強與維修改造是很有必要的，本文對橋梁的結構缺陷進行了總結，簡要淺析了橋梁加固與維修技術，并通過實例，介紹和展示了橋梁的加固與維修工作。
2、橋梁加固與維修的目的和基本原則
橋梁加固與維修的根本目的是為了消除和降低橋梁的安全缺陷、質量隱患，保證橋梁的正常通行功能。因此其基本的處理原則要堅持從實際出發(fā)、消除隱患、全面比較、協(xié)同受力、預防損壞、有序實施。
3、橋梁加固與維修的常用技術方案和處置方法
常用的加固改造技術方案有：減輕橋梁恒載、加固臨界構件、替換更新構件、改善原結構受力體系等方法，以達到增大橋梁承受活載的能力，維系橋梁體系的健康運行，改善原橋梁服務性能和延長現(xiàn)有結構使用壽命，也都起著重要作用，其常見的處置方法如下：
3.1增大構件截面加固法
增大構件截面加固法又稱外包混凝土加固法，它是增大構件的截面和配筋，用以提高構件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性，也可用來修補裂縫等，適用于梁式橋和拱式橋。
3.2粘貼（鋼板、碳纖維、錦綸纖維）加固法
粘貼加固法即粘鋼法，粘鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結構膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強度高的材料粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結構物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結構的鋼筋及混凝土的應力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高橋梁承載能力的目的。
3.3體外預應力加固法
對于鋼筋混凝土或預應力混凝土梁或板，采用對受拉區(qū)施以體外預應力加固，可以抵消部分自重應力，起到卸載的作用，從而能較大幅度地提高梁的承裁能力。體外須應力加固法優(yōu)點是：
3.3.1在自重增加很小的情況下，能夠大幅度改善和調整原結構的受力狀況，提高承重結構的剛度、抗裂性能；
3.3.2由于承重結構自更增加小，故對墩臺及基礎受力狀況影響很小，可節(jié)省對墩臺及基礎的加固；
3.3.3對橋梁營運影響較小，可在不限制通行的條件下加固施工；
3.3.4預應力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。
4、橋梁的加固維修實例
4.1項目概況
合肥市WLD立交橋工程橋體共計四層，分地上三層、地下一層，橋梁面積4萬㎡，占地8.9公頃。為雙“Y”定向式加環(huán)型匝道的四層互通式立交，分五個交叉道向四周輻射，解決了17個流向的交通。
4.2存在的主要病害
橋梁建成后運行十幾年，期間經過不間斷的定期檢測評估，該橋已發(fā)現(xiàn)不同程度的病害：
?。?）橋面瀝青鋪裝層厚度普遍偏薄，部分縱向裂縫間斷性貫穿橋面，墩頂橫向開裂；
?。?）較多空心板底部有縱向裂縫，部分板梁底部有橫向裂縫，底板厚度偏薄；
?。?）部分孔跨空心板梁間鉸縫失效，有向單板受力發(fā)展的趨勢；
?。?）多處墩頂橫向裂縫處對應整體化混凝土開裂和滲水；
（5）部分支座缺失、脫空；
?。?）部分板底部有不同程度露筋、銹脹和保護層厚度不足；
?。?）現(xiàn)澆連續(xù)梁裂縫較多，箱梁的跨中部分出現(xiàn)大面積裂縫，其裂縫的發(fā)展從底板延伸到腹板，且裂縫超標，裂縫最大寬度達到0.5㎜。
4.3本次維修加固主要內容和方法
針對具體病害狀況、機理，結合檢測結果和通行狀況，本次維修主要包括：橋面鋪裝層更換改造、連續(xù)大箱梁加固、空心板梁加固（局部更換）、裂縫修補、支座更換維修、通道橋改造、引道維修和交通工程等，采用粘貼（碳纖維）加固法進行維修加固。
4.4粘貼加固法的特點及原理
4.4.1為了提高橋梁結構的抗彎能力，一般在構件的受拉緣表面粘貼碳纖維、鋼板等，使之與原結構形成整體來受力，此時以其與混凝土粘結處的混凝土局部抗剪切強度控制設計。合理與安全的設計應控制在介質發(fā)生屈服變形前，粘結處混凝土不出現(xiàn)剪切破壞；
4.4.2當橋梁結構的主拉應力區(qū)斜筋不足，為了加固和增加結構的抗剪切強度時，可將鋼板粘貼在結構的側面，并垂直于剪切裂縫的方向斜向粘貼，以承受主拉應力；
4.4.3補強設計時，鋼板可作為鋼筋的斷面來考慮，將鋼板換算成鋼筋，原有構件承受恒載與活載，增加的鋼板承受原有構件承受不了的那部分活載；
4.4.4在構造設計時，加固用的碳纖維或鋼板可按實際需要采用不同的形狀，但鋼板的厚度必須比計算出的厚度大些。用于抗彎能力補強的鋼板尺寸盡可能薄而寬，厚度一般為4～6 mm，較薄的鋼板可有足夠的彈性來適應構件表面形狀；
4.5 主要施工工藝及技術要點
4.5.1表面缺陷修補措施
?。?）對于面積小于（25×25）cm2，深度小于5㎝時的混凝土表面缺損，鑿除松動混凝土，外露骨料，鋼筋除銹，用聚合物水泥基修補材料進行修補； （2）對于缺損面積大于（25×25）cm2，深度大于5㎝時的混凝土結構表面缺損，鑿除松動混凝土，外露骨料，鋼筋除銹，噴涂界面劑，采用干軋混凝土修補；
（3）對于淺層缺陷，采用涂抹聚合物水泥基修補。
4.5.2粘貼鋼板加固施工工藝
?。?）碳纖維、膠粘劑及底膠材料要求
1）加固用碳纖維材料必須采用聚丙烯腈基（PAN基）12K或12K以下的小絲束纖維，嚴禁使用大絲束纖維。纖維復合材料FRS必須采用連續(xù)纖維與改性環(huán)氧樹脂膠粘劑復合而成。技術指標見表1。
表1 碳纖維片材的主要力學性能指標
品名 抗拉強度標準值（MPa） 受拉彈性模量（MPa） 伸長率（%） 彎曲強度（MPa） 層間剪切強度（MPa） 仰貼條件下纖維復合材料與混凝土正拉粘結強度（MPa） 單位面積質量（g/㎡）
單向織物（布） ≥3100 ≥2.1×105 ≥1.5 ≥600 ≥35 ≥Max{2.5，ftk}，且為混凝土內聚破壞 300
2）粘貼碳纖維的膠粘劑必須采用專門配制的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，其膠粘劑的基本性能達到A級膠的要求且為浸漬/粘結與修補兼用的單一膠粘劑。
3）粘貼碳纖維的底膠為浸漬/粘貼與修補兼用的單一膠粘劑
?。?）工藝程序
構件表面處理→貼片前基層處理→用環(huán)氧裂縫修補劑FCS對構件表面殘缺修補→涂膠粘劑→貼碳纖維片→養(yǎng)護→涂裝
?。?）工藝要求
粘貼碳纖維工藝的關鍵在于碳纖維粘貼的緊密、牢固性，保證與原結構形式成整體，能夠共同工作。同時，碳纖維粘貼及養(yǎng)護固化期內，橋面不宜行車。
施工工藝為滿足上述要求，需正確的掌握工藝流程，每道工序都要有利于保證碳纖維粘貼緊密。
（4）施工質量要求
1）碳纖維片材已按規(guī)定裁剪；
2）氣溫、空氣濕度、構件表面含水率符合規(guī)定；
3）底涂和環(huán)氧膩子達到指觸干燥（樹脂表面達到固化硬結）；
4）環(huán)氧樹脂的類型和施工時的氣溫適合，主劑和固化劑按規(guī)定的比例稱量準確，裝入容器用攪拌器拌合均勻，一次調和量應在可使用時間內用完；
5）碳纖維片材規(guī)格、貼片位置、長度、寬度、纖維方向、層數(shù)符合設計規(guī)定。
6） 養(yǎng)護嚴格遵守自然養(yǎng)護的時間要求。
5、結語
橋梁加固是一項系統(tǒng)而繁雜的工程。隨著國家基礎建設設施的逐步投入，大型、特大型的橋梁工程已經相當普及，在負荷運行一定時期后，必然會出現(xiàn)一系列的缺陷和通病，因此舊橋的加固、維修工作將是后期項目建設的大趨勢。橋梁的維修加固是一項技術上可行、經濟上合理的舉措，也是一項節(jié)約能耗、注重環(huán)保的工程。
