PC變截面空心板橋不同病害的加固方法

鄭 海 程中杰

針對PC變截面空心板橋的不同病害,提出適合不同病害的加固方法,并對其設計、施工提出反饋性建議。

1 粘貼鋼板加固方法

長期以來,由于運營中的橋梁隨著時間的推移,橋梁會逐漸陳舊老化,承載能力降低,特別由于設計施工等方面的缺陷,可能造成新建橋梁承載力和變形不符合設計及規范要求。因此,橋梁加固工程在工程界受到廣泛重視。粘貼鋼板法作為橋梁加固的一種重要技術手段,近年來在橋梁加固工程中逐漸得到應用。這一技術適用于多種橋梁結構及不同的結構部位。

1.1 粘貼鋼板法橋梁加固技術及其優點

粘貼鋼板加固法作為應用于鋼筋混凝土結構加固補強的一種新的專用技術方法,它是針對粘鋼加固法而開發的可以替代粘鋼加固的新的工藝方法。它與粘鋼加固相同的原理是用鋼板代替鋼筋,將鋼板固定到混凝土的表面,使鋼板和混凝土構件聯合受力,相當于增加了混凝土構件的配筋量,起到提高構件承載力的效果。同時,其還可以根據橋梁病害與缺陷所在部位,確定鋼板的規格和粘貼形式,將鋼板粘貼在被加固的橋梁結構受力部位的外邊緣,以便充分發揮粘貼鋼板的作用,同時密封粘貼部位的裂縫和缺陷,約束構件的變形,從而有效地提高了加固構件的剛度和抗裂性,有效的發揮粘鋼構件的抗彎、抗剪、抗壓性能。

作為一種廣泛應用的橋梁加固技術手段,其主要優點體現在:

1)相同條件下,采用錨貼鋼板加固更能有效提高梁的抗剪承載力,提高鋼板的強度利用率;2)錨貼鋼板加固梁的破壞屬于延性破壞,粘鋼加固梁的破壞屬于脆性破壞,說明錨鋼加固方法在提高梁承載力的同時,改善了梁的延性,提高了構件及整個結構的可靠度指標;3)錨貼鋼板加固法施工方便,施工質量更容易得到保證;4)錨貼鋼板加固由于施工過程中在鋼板內產生一定的預拉應力,有利于提高被加固結構抵抗重復荷載的作用。

1.2 粘貼鋼板法加固技術的一般設計要求

1)要提高橋梁結構的抗彎能力。一般應在構件的受拉區的表面粘貼鋼板,使鋼板與原結構形成整體來受力。2)要加固和增加結構的抗剪切強度。3)補強設計要求。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)構造設計要求。在進行構造設計時,加固用的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。5)鋼板長度設計要求。應將鋼板的兩端延伸到低應力區,以減少鋼板錨固端的粘結應力集中,防止粘結部位構件出現裂縫或粘貼鋼板被拉脫現象的發生。6)充分考慮整體受力問題。在補強設計時,除應考慮鋼板具有足夠的錨固長度、粘結劑具有足夠的粘結強度和耐久性外,為避免鋼板在自由端脫膠拉開,端部可用夾緊螺栓固定,或設置U形箍板、水平錨固板等,并在鋼板上按一定的距離用螺栓固定,確保鋼板與混凝土之間的粘結力滿足強度的需要。

2 粘貼碳纖維加固方法

粘貼碳纖維加固方法的主要特點有:1)質量輕而且薄。粘貼碳纖維布后每平方米重量不到1.0 kg(包括樹脂重量),粘貼一層的厚度僅為1.0 mm左右,加固修補后,基本不增加原結構自重及原構件尺寸,不會減少結構物的使用空間。2)高強高效。由于碳纖維布材料優異的物理力學性能,在加固修補混凝土中可以充分利用其高強度(抗拉強度一般在3 500 MPa以上,而鋼材是250 MPa～550 MPa,混凝土為3.5 MPa～7 MPa)、高彈性模量的特點提高混凝土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。3)便于施工。將碳纖維材料用于加固混凝土結構,施工簡便,工效高,勞動力需用量少同時沒有濕作業,在施工現場不需要大型施工機具。施工中不需要大量人力設備及大型機械。4)具有很好的耐腐蝕性能及耐久性能。粘貼碳纖維布加固修補混凝土結構有良好的耐腐蝕及耐久性,可以抵抗結構物經常遇到的各種酸、堿、鹽對結構的腐蝕。使用該種方法對結構進行處理后,不僅不需要如粘鋼法所需要的定期防銹維護,節省了大筆維修費用,而且其本身更可以起到對內部混凝土結構的保護作用,達到雙重目的。5)適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補混凝土結構可廣泛用于各種結構類型、各種結構形狀中的各種部位,且不改變結構形狀及不影響結構外觀。6)施工質量易保證。由于碳纖維布是柔性的,即使被加固的結構表面不是非常平整也基本可以達到100%的有效粘貼率。7)耐疲勞性能好。碳纖維布加固混凝土經過一定次數的疲勞循環荷載,其強度及延性指標并沒有顯示出有所降低,而普通混凝土經過同樣的疲勞循環荷載后,其強度和延性指標都會有不同程度的降低。因此,隨著相關規范的頒布,加固技術的不斷完善,碳纖維布作為一種新興的加固材料,將在橋梁結構加固工程中迅速得到推廣與應用。

3 增大截面法加固

3.1 新老混凝土的界面粘結問題

1)舊混凝土接觸界面存在一個類似于整澆混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區,而過渡區本來就是一個薄弱環節。由于舊混凝土的親水性,修補時會在舊混凝土表面形成水膜,使結合面處新混凝土局部水灰比高于體系水灰比,導致界面處鈣礬石和氫氧化鈣晶體數量增多,形態變大,形成擇優取向,降低界面強度。且由于舊混凝土的阻礙,新混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面,不僅使得新混凝土局部水灰比更高,而且使得氣孔和微裂縫在該區富集,顯著降低界面粘結強度。這是物質結構化學方面的原因,是影響新舊混凝土結合本質的內因。2)界面處露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接觸與整澆混凝土中骨料與水泥漿的界面接觸有差別。我們知道水泥漿本身具有一定的粘結性,它主要用于包裹混凝土中的骨料,使之硬化成堅硬的水泥石。在新混凝土中的骨料經過充分攪拌、振搗被水泥漿包裹,而新舊混凝土界面處新混凝土中的骨料經過振搗可能擠壓在界面處,使骨料與界面凸出的石子、水泥石形成“點接觸”,骨料堆積在舊混凝土表面,阻塞了一部分舊混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分,使具有粘結性的水泥漿不能完全滲入孔隙中,形成“缺漿”現象,界面處水泥漿不能充分浸潤骨料和水泥石,而新混凝土失去一部分水泥漿,這樣使得粘結界面處的新混凝土中出現空隙,影響了新舊混凝土粘結強度。3)新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石形成一個“面”,像一塊表面比較平坦的“大骨料”,而這塊“大骨料”與整澆混凝土中的骨料相比不但體積大且只有一個“面”,并且這個“面”很平坦。修補材料與舊混凝土之間存在物理化學性質差異,由于冷熱交替、凍融循環作用及新混凝土的收縮而在結合面處引起附加應力,誘發“先天”裂縫。從受力的角度看,在整澆混凝土中骨料體積小、多棱角、骨料表面粗糙,并且被水泥石分開,分布較“均勻”,而不像新老混凝土界面處相對集中,裂縫、缺陷產生的概率較大,再加上界面比較“平坦”不能使裂縫擴散“路徑”曲折,消耗能量,所以一旦從這一區域引發了裂縫,裂縫尖端處應力集中,就會導致裂縫迅速開展和傳播,新舊混凝土界面承載能力會進一步被削弱,最后導致界面處首先破壞,即破壞總是從最薄弱環節開始。以上幾個因素綜合起作用,這就是在相同受力條件下,新舊混凝土界面首先破壞的原因。加大截面加固法的最大問題就是使新舊部分混凝土整體工作,共同受力問題,而新、舊混凝土的結合面是加固結構受力時的薄弱環節。因此,從設計構造上配置足夠的貫穿于結合面的剪切摩擦筋、錨固件或剪切件將兩部分連接起來,是確保結合面能有效傳力,并使新舊兩部分混凝土整體工作的關鍵。

3.2 構造規定

1)新增混凝土層的最小厚度,對板不應小于40 mm;對梁、柱,采用人工澆筑時,不應小于60 mm,采用噴射混凝土施工時,不應小于50 mm。2)加固用的鋼筋,應采用熱軋鋼筋。板的受力鋼筋直徑不應小于6 mm;梁的受力鋼筋直徑不應小于12 mm;柱的受力鋼筋直徑不應小于 14 mm;加錨式箍筋直徑不應小于8 mm,U形箍筋直徑應與原箍筋直徑相同,分布筋直徑應取6 mm。3)新增受力鋼筋與原受力鋼筋間的凈距不應小于20 mm,并應采用短筋或箍筋與原鋼筋焊接;其構造應符合下列要求:a.當新增受力鋼筋與原受力鋼筋采用短筋焊接時,短筋的直徑不應小于 20 mm,長度不應小于5d,各短筋的中距不應大于500 mm。b.當用單側或雙側加固時,應設置U形箍筋。U形箍筋應焊在原有箍筋上,單面焊縫長度為10d,雙面焊接為5d(d為U形箍筋直徑)。c.當用混凝土圍套進行加固時,應設置加錨式箍筋。4)梁的新增縱向受力鋼筋兩端應可靠錨固;柱的新增縱向受力鋼筋的下端應伸入基礎并應滿足錨固要求。

4 結語

除上述方法外,還有體外預應力加固、體系轉換等方法,各個加固措施,針對不同病害及不同橋梁,都有一定特殊性,在選取加固方法時,應對橋梁做好良好的病害分析,從而能夠科學、合理對其進行維修加固,從而使橋梁能繼續為民眾服務,節省國家資源。

[1] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3] 杜國華,毛昌時,司徒妙齡,等.橋梁結構分析[M].上海:同濟大學出版社,1994.

[4] 郭澤剛.關于橋梁裂縫成因的探討[J].山西建筑,2009,35(32):311-312.