橋梁加固技術研究

吳金翔

隨著我國改革開放的深入進行,國民經濟快速發展,交通事業日新月異。早期建設的橋梁標準低,承載力不足,逐步阻礙交通暢通。特別是大型、重型車與日俱增,致使公路交通安全和暢通受到嚴重影響。面對數量如此龐大的舊橋、危橋,如全部推倒重建,既不科學,更不現實。面對日益艱巨的公路鋼筋混凝土危舊橋梁改造任務,急需找到一種快速、有效、可靠的加固維修方法。

我國目前對舊橋加固技術進行研究,總的看來從加固原理和適用特點上可分為3類:1)改變原結構的受力體系,使原結構受力減小;2)擴大和增加原結構構件截面,以提高原結構的強度和剛度;3)以新的結構代替原抗力不足的結構。隨著荷載等級的不斷提高,橋梁工程逐漸向輕型、大跨度方向發展,現有加固技術可能在很大程度上受到限制,因此,有必要研究碳纖維材料、體外預應力等新型加固技術在舊橋改造中的應用。

1 碳纖維加固特點及加固技術要點

1.1 碳纖維加固技術的特點

1)材料力學性能好,碳纖維材料抗拉強度為普通鋼材的10倍以上,彈性模量與鋼相近,重量輕,在對混凝土結構進行加固補強過程中可以充分利用其高強度、高模量的特點來提高結構及構件的承載力和延性,改善其受力性能,達到高效加固的目的。作為一種復合材料,碳纖維抗腐蝕性能及耐久性能穩定,不與酸堿鹽等化學物質發生反應,因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構件具有良好的耐腐蝕性及耐久性;2)碳纖維布質量輕且厚度薄,單位體積重量僅為鋼材的1/4左右。經加固修補后的構件,基本上不增加原結構的自重、尺寸和改變截面外形,也就不會減少建筑物的使用空間,幾乎不會改變橋下的凈空高度,這一優點更是傳統補強方式所無法比擬的;3)具有良好的適應性,由于碳纖維布是一種柔性材料,而且可以任意地裁減,對圓形、曲面的結構也可采用此種方法。尤其是布狀片材可以適應各種結構的外形進行粘貼和裹纏,成型很方便,所以這種加固技術可廣泛地應用于各種結構類型、各種結構形狀和結構中的各種部位,且不改變結構形狀及不影響結構外觀;4)加固施工極為便捷,由于其自重較輕,可操作性強,操作空間要求較寬松,沒有濕作業,不需要大型的施工機械,施工占地較少,施工時對環境的影響較小,工效高。尤其對于箱梁構造而言,當箱梁內部的作業空間受到限制時,其可操作性很好,既可以節省龐大的支架費用,也具有一定的安全性和隱蔽性。

1.2 碳纖維加固技術要點

1)碳纖維加固施工中基層的處理質量至關重要。基層是否清潔,表面有無浮渣,表層是否平整,都將直接影響粘結質量。在對構件表面進行打磨之前,需要消除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土,露出混凝土結構層,并用修復材料將表面修復平整。有裂縫的,需對裂縫進行灌縫或封閉處理;被粘貼的混凝土表面應打磨平整,除去皮層浮漿、油污等雜質,直至完全露出新面;

2)粘貼碳纖維時,滾壓的密實度對粘結性能也有較大影響。粘貼操作應按如下步驟進行:裁剪碳纖維布→配制浸漬樹脂并均勻涂抹于所要粘貼的部位→用特制的滾筒沿纖維方向滾壓→多層粘貼重復上述步驟→最后一層碳纖維布表面均勻涂抹浸漬樹脂。在該過程中,應反復多次滾壓,盡量排除氣泡,以免影響粘結質量;

3)環境的溫度和濕度對粘結質量也有影響。溫度過低或過高,濕度過大也會影響粘結質量。當環境溫度大于60℃時,應采取隔熱措施加以防護;當環境溫度低于5℃時,應停止施工,否則樹脂的固化及最終強度都會受到影響。

2 體外預應力加固技術及施工要點

2.1 體外預應力加固技術

體外預應力技術作為后張預應力體系的重要分支之一,近年來成為預應力技術的熱點。采用體外預應力技術加固橋梁結構有很多優點:1)預應力布置簡單,可以調整,簡化了后張的操作程序;2)對橋梁加固施工過程中,可以不封閉交通;3)增加恒重不多,可以能動地調節原結構中的應力狀態,達到有效加固的目的;4)能夠較大幅度地提高舊橋的承載能力和結構剛度,能夠有效的控制原結構的裂縫和撓度,使裂縫部分或全部閉合,使撓度大幅度減小;5)對原橋的結構損傷很小,可以做到不影響橋下凈空;6)維護修補方便,可以隨時更換預應力筋。

2.2 體外預應力加固施工要點

2.2.1 上錨固點設置

對于上錨固點設在梁頂及梁端頂面的情況,需要按設計的斜筋穿出位置,在橋面板或梁頂面鑿穿兩個具有與斜筋角度相同的斜孔。首先應把橋面鋪裝層鑿去,將梁頂面混凝土保護層鑿去,露出鋼筋,再將錨固墊板處的混凝土進行細鑿。為了鑿好斜孔,應按斜孔的設計角度做一個鑿孔架,將鑿巖機的鉆桿放入鑿孔架的槽內,使鉆頭中心對準理論錨固點,然后再進行鑿孔。上錨固孔鑿完之后應將梁頂面混凝土清理干凈,除去混凝土碎渣。先在開鑿后的混凝土表面涂一層環氧膠液,再用環氧水泥砂漿鋪平。最后將上錨固設在梁頂時,應保證錨墊板的上表面與梁頂面平齊,或略低一點,以確保錨固點上有盡可能厚的混凝土保護層。

2.2.2 轉向裝置

轉向裝置是實現體外索加固的重要構件,其傳載方式和自身性能也是影響預應力施加效果的關鍵。如果轉向裝置設計不合理或構造措施不當,預應力鋼材容易產生局部硬化和摩阻損失過大。轉向裝置的設計要求預應力筋在折角點的位置必須高度準確,避免產生附加應力,轉向裝置在結構使用期內也不應對預應力鋼材有任何損害,FIP標準和歐洲體外預應力規范均對轉向塊內預埋管道所需的最小彎曲半徑作了規定。轉向塊的功能是傳遞體外束產生的水平和垂直橫向力。體外束通過折角點產生集中荷載,這個荷載應能通過轉向塊安全地傳遞至混凝土結構。為此對于轉向塊的構造細節必須給予足夠的注意。

2.2.3 預應力筋的安裝和張拉

在安裝預應力筋前應該先檢查各種錨具是否能正常工作,特別是粗鋼筋的螺桿和螺母的匹配情況,應逐個試擰,每個絲頭均應達到在不加力的情況下用手擰動,就可將螺母擰至全程。

對于水平筋和斜筋分別采用兩根粗鋼筋或斜桿為型鋼的情況,應先將斜筋與水平滑塊固定在一起,并將斜筋的上錨固點固定。用臨時支架將滑塊定位在其墊板的位置上,然后再穿入水平筋。穿筋時應保證水平筋的兩端均有相等的絲頭長度,檢查滑塊位置并預留滑移量。上緊兩水平筋的螺母,且應保證水平筋的中心與滑塊錨孔對中,以防止在張拉錨固時擰緊螺母困難。對于橫向收緊水平筋產生預應力的體系,首先按斜筋的斜度要求將斜桿焊接在梁端的U形錨固板上,采用夾桿焊將水平筋焊在斜筋上。為了減少垂度,每隔2 m～2.5 m用木塊將水平拉桿墊起,然后安裝鎖緊裝置。先安放彎起點處的立柱,再按設計位置安裝撐棍和收緊器,以備張拉。

2.2.4 防腐處理

體外索加固體系中的主要鐵件如水平筋、斜筋、鋼絲束(繩)、滑塊、墊板及固定支座等均應進行防腐處理。體外筋是加固體系的主要受力構件,它通過錨具將預加力傳遞給主體結構,通過轉向裝置實現轉向,它的耐久性決定結構的耐久性,所以有必要采取防護措施來保護體外預應力筋、錨具和轉向裝置。

目前體外預應力筋的防腐主要采取以下幾種方式:1)裸露預應力筋鍍鋅和涂環氧樹脂防腐;2)套管加填充材料防腐:在索的外面加套管,待預應力筋張拉完成后,在套管內灌注填充材料;3)采用單股無粘結鋼絞線:單股無粘結鋼絞線是將鋼絞線擠入PE套管并內充油脂而成,它自身具有防護系統;4)采用新材料(FRP)作為體外索:FRP筋具有高強輕質、耐腐蝕、耐高溫、耐疲勞、應力松弛低等特點,用這種材料作為體外索,雖然成本較高,但是后期維護費用低。還可以避免由應力腐蝕、氫脆或疲勞腐蝕等引起的脆性破壞。

3 結語

橋梁加固是隨著日益增長的交通運輸業而產生并隨其發展的新課題,它很好地處理了新工程與舊工程的銜接,是實現可持續發展的物質保障。因此,橋梁加固技術的發展意義相當重大。同時,各種新型材料,新方法的運用,使得橋梁加固的對象更廣,施工更方便快捷,效果更明顯,并推動著橋梁加固技術的不斷成熟和完善。

[1]陸 偉,劉 幸.碳纖維布結合體外預應力筋加固橋梁的試驗及應用[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2007(4):20-22.

[2]劉少兵.體外預應力混凝土結構耐久性防護問題的探討[J].鐵道科學與工程學報,2007(4):40-42.

[3]常海芹.碳纖維材料在橋梁加固中的應用[J].華東公路,2009(2):30-34.

[4]建設部.粘貼CFRP增強復合材料加固混凝土工程施工與驗收暫行規定[S].