鋼-混凝土組合梁橋維修加固質量檢驗評定方法研究

黃英軍

（廣東中天市政工程設計有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

我國的舊橋加固改造工程與日俱增。據交通部2008年統計，中國目前有六千余座公路危橋。尤其在西部地區，由于近年公路運輸超載嚴重，公路橋梁不堪重負，危橋比例大幅攀升。交通部計劃從2008年起，力爭用3 a時間基本完成國省干線上的所有危橋、縣道中橋以上、鄉道大橋以上的危橋改造。為確保公路橋梁加固工程質量，由西部交通科技項目管理中心立項并開展了對橋梁維修加固質量檢驗評定方法的研究工作。結合該項研究工作，筆者在鋼-混組合梁橋加固工程質量檢驗評定方法方面進行了相關探索和研究。

對于鋼-混組合梁橋這一類橋梁進行維修加固質量檢驗評定的研究，涉及到的維修措施和加固方法并非單一，采用何種處理措施要視舊橋實際狀況、環境條件、現場施工條件及經濟條件等因素而定。加固施工過程也是一項比較復雜的工作，涉及因素較多。為了能夠較為全面細致地對一項鋼-混組合梁橋的維修加固工程進行質量檢驗評定，本文從對該類橋梁的病害分析及維修措施研究入手，歸納出鋼梁結構的防腐及重新涂裝，鋼梁構件連接的更換及處理，混凝土橋面板的更換，桿件、構件的尺寸檢查及矯正，以及鋼梁裂紋的修復，這五項基本能代表當前階段鋼-混組合梁橋維修加固措施的內容，然后針對各項處理措施進行相應的質量檢驗評定的研究。

1 鋼-混組合梁橋常見病害及維修措施

鋼-混組合梁橋是一種由鋼板梁（或鋼箱梁、鋼桁架等）與混凝土橋面板通過剪力連接件組合在一起，共同承受外荷載作用的結構形式，其充分發揮了鋼材受拉性能好與混凝土受壓性能好的力學特點。鋼-混組合梁橋在我國屬于“年輕”的結構形式，但在公路和城市橋梁建設中已得到了廣泛的應用，自1992年在北京修建了第一座車行組合梁橋——積水潭橋開始，據不完全統計，僅北京市的立交橋建設中，就有五十多座采用了這種橋型。經過20 a左右的營運使用，早期修建的這些組合梁橋已經進入了生命周期的第一個階段點。該階段點主要性能特征包括：橋面板局部破損甚至開裂、結合面處受到侵蝕；鋼梁表面防腐措施失效；鋼梁構件連接(鉚接、栓接、焊縫等)松動、銹蝕、疲勞，出現裂紋；鋼梁局部損傷、疲勞裂紋等[1-4]。

鋼-混凝土組合梁橋，不管是簡支梁還是連續梁，均為RC（或PC）板與鋼結構由剪力鍵組合成一整體。因此檢測、維修、加固可由上述三部分入手；此外，鋼-混組合梁的特有的施工過程，也會形成不同的內力分布特點和缺陷及病害。鑒于上述原因，進行鋼-混組合梁橋檢測、維修、加固時，混凝土或預應力混凝土橋面板的病害及其處理方法，可參考鋼筋混凝土梁、板的方法；鋼梁的缺陷及處理方法可遵照鋼結構的方法；鋼-混組合梁橋特有的缺陷及病害，例如剪力鍵的銹蝕、疲勞及剪斷等，可在分析缺陷及病害成因的基礎上，采取相應的加固措施。另外，眾多的橋梁破壞事故表明，每個破壞實例往往并不是由單一因素引起的，而是多個因素相互誘發共同作用的結果，就鋼-混組合梁橋而言，漏水導致腐蝕或銹蝕、疲勞、應力集中，焊接殘余應力，以及焊接缺陷可能是最主要的。因此進行鋼-混組合梁橋維修加固時，可以視橋梁狀況，采取幾種加固措施相結合的方法，重視預防，提倡變被動加固為主動加固的設計理念[5-7]。

筆者借鑒文獻[8]對鋼-混組合梁橋進行常見病害分析及加固策略的研究，結合上文分析，考慮工程實際情況，將鋼-混組合梁橋的維修加固歸納為以下幾項：（1）鋼梁結構的防腐及重新涂裝；（2）鋼梁構件連接的更換及處理；（3）混凝土橋面板的更換；（4）桿件、構件的尺寸檢查及矯正；（5）鋼梁裂紋的修復。

2 維修加固質量的檢驗評定

2.1 鋼梁結構的防腐及涂裝[9-11]

銹蝕是鋼結構在長時間使用過程中不可避免的自然現象，自然環境的影響、橋面系滲漏水、橋下鋼料積存塵土、垃圾、涂裝配套選擇不當、涂層厚度不足、涂裝施工質量問題等因素都有可能引起鋼梁的銹蝕。

2.1.1 涂裝或復涂前的加固補強和表面處理

為保證鋼梁結構的完整和承載能力，在涂裝前，在認真全面檢查的基礎上，針對已銹蝕損害的鋼梁進行加固補強施工，應委托專業設計單位進行鋼梁加固補強工程設計。如果已損壞嚴重的鋼梁不進行加固補強，損壞將繼續發展，且很危險，不能安全運行。

為保證涂層的附著力和使用壽命，在鋼梁涂裝前應將鋼梁表面的舊涂膜，氧化皮和銹跡除凈，鋼梁表面處理可根據涂裝施工方法和鋼梁的新舊進行施工。對于新構件可按照現行規范、條例進行涂裝施工前的表面處理，除銹質量等級、表面潔凈度及處理程序應滿足現行要求。對舊鋼梁結構，在涂裝前首先應組織人員對鋼梁結構銹蝕狀況進行全面檢查，再確定施工范圍、部位、面積及施工方法（見表1）。

表1 鋼梁表面處理標準及程序一覽表

2.1.2 涂裝施工

鋼結構涂裝防腐施工質量的優劣在于“三分材料，七分施工”，鋼梁涂裝施工的質量對漆膜的壽命影響極大。涂裝施工時應滿足以下基本要求：

（1）加固構件涂裝標準應符合設計要求，若需變更應征得設計單位同意。面漆應盡量選用原型號產品，外觀色澤應基本一致。

（2）加固構件采用現場涂裝時，應將相近加工區的受損舊涂裝全部清除，并且每邊擴大范圍不少于50 mm。

（3）加固構件一般應采用廠內涂裝。運輸、安裝過程中應采取保護措施，防止涂裝損壞。若發生損壞，應在現場涂裝時進行修補。

（4）若加固范圍較大，可將加固構件的涂裝除去，并與全橋更換涂裝一并進行。

在涂裝施工時，應嚴格按照設計文件進行，施工工序嚴格按照現行相關規范執行，涂層遍數和漆膜厚度應符合設計要求，并應及時測定濕膜厚度并保證干膜厚度。

2.1.3 涂裝完成后的檢驗

（1）鋼梁防護涂裝的檢測指標和檢查方法可參考表2所列。

表2 鋼梁防護涂裝實測項目一覽表

（2）涂裝完成后外觀應滿足下列要求：a.涂層表面完整光潔，均勻一致，無破損、氣泡、裂紋、針孔、凹陷、麻點、流掛和皺皮等缺陷；b.涂后的新、舊漆膜顏色一致。

（3）由焊接質量檢驗、螺栓連接質量檢驗等加固質量檢驗后評定出因種種原因造成的防護涂裝損壞，必須予以修復。

2.2 構件的連接的更換及處理[9-12]

2.2.1 栓接連接

鋼梁構件螺栓出現松動、銹蝕、裂紋等情況時，應對螺栓連接進行相應的處理或者更換，其質量控制應滿足以下基本要求：

（1）鋼結構橋梁加固時，進行高強度螺栓的更換，對于大型節點，更換數量不宜超過10%；對于螺栓數量較少的節點，則要逐個更換，以防止節點滑動，如板面（摩擦面）不滿足要求，應進行處理。

（2）恒載下采用栓接加大截面加固構件，加固件與被加固件相互壓緊后，應從加固件中間向端部逐次鉆孔、安裝，并擰緊螺栓，盡可能減少加固過程中截面的過大削弱。

（3）螺栓連接質量檢驗造成防護涂層系統損壞時必須進行修復。

（4）高強度螺栓緊固時的技術要求應滿足現行《公路橋涵施工技術規范》（JTJ 041-2000）中的規定。其施工質量的檢驗指標體系見圖1所示，其中各項指標的具體檢查方法，檢查頻率及指標限值可參見相關規范。

圖1 螺栓連接質量檢驗指標體系示意圖

2.2.2 焊接連接

恒載下用焊接加固鋼結構橋梁，應盡量避免采用長度垂直于受力方向的焊縫，否則應采取專門措施和施焊工藝，確保橋梁安全。焊接連接質量檢驗造成防護涂層系統損壞時必須進行修復。焊接連接的技術要求應滿足現行《公路橋涵施工技術規范》（JTJ 041-2000）中的規定。其施工質量的檢驗指標體系見圖2所示，其中各項指標的具體檢查方法，檢查頻率及指標限值可參見相關規范。

圖2 焊接連接質量檢驗指標體系示意圖

2.2.3 環氧樹脂粘接

鋼-混組合梁橋加固，采用環氧樹脂系列粘接劑粘接鋼板、纖維復合材料時，對其加固質量的驗收可從以下幾方面入手：

（1）加固用材料要求：橋梁加固用膠粘劑的安全性能指標應符合《公路橋梁加固設計規范》（JTG/TJ22-2008）第4.6節中的規定。

（2）粘結面處理要求及檢查：加固構件結合面應該按照設計要求和相關規定進行處理（見表3）。對于混凝土粘結面和鋼板粘合面應分別采取相應的處理措施和處理程序。

表3 環氧樹脂系列粘接效果檢測項目一覽表

（3）粘貼質量檢驗評定可按照表3所列進行。

2.3 混凝土橋面板的更換

2.3.1 混凝土橋面板的加固補強及檢驗

鋼-混凝土組合梁橋的混凝土橋面板，通常采用鋼筋混凝土結構或預應力混凝土結構。當混凝土橋面板出現損傷或破損后，可對其進行表層缺陷處理、加固補強或更換。混凝土橋面板進行表層缺陷修理時，其檢驗指標體系與方法可參見混凝土結構相關標準。混凝土橋面板更換后的檢驗指標體系與方法可參照新建混凝土橋梁的相關內容。修補完成后，組合梁橋面板的允許偏差和檢驗方法可參照表4進行[13,14]。

表4 組合梁允許偏差和檢驗方法一覽表

2.3.2 栓釘剪力鍵的更換及檢驗

將破損的混凝土橋面板鑿掉后，應檢查剪力鍵的使用情況。對于出現損傷或銹蝕的剪力鍵進行更換，更換的剪力鍵的材料、尺寸不得低于原有剪力鍵。當鋼-混凝土組合梁橋的栓釘剪力鍵需要全部更換時，所需栓釘的質量、數量及構造要求應根據加固后的設計荷載等級按即將出臺的《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG/T D64-2009）（目前為征求意見稿）中的第11.4條進行設計確定。

栓釘剪力鍵可采用專用的焊接設備及焊接瓷環進行焊接，亦可以采用經過檢驗的人工栓釘焊接工藝。更換后的栓釘剪力鍵焊接部位的檢驗方法一般可分為外觀檢驗和破壞試驗兩種。

（1）栓釘的外觀檢查應滿足以下三點：

a.焊釘底部的焊腳應完整、密實并均勻分布；

b.焊釘焊接后的長度應正確，其長度公差在±2 mm以內；

c.焊釘應垂直于母材。

（2）焊釘的破壞試驗有彎曲、反復彎曲、拉伸和剪切等四項。

當焊釘的外觀檢驗合格后，采用同樣條件連續焊接30個焊釘，然后進行彎曲試驗、反復彎曲試驗、拉伸試驗和剪切試驗。試驗合格后，再重新焊接30個焊釘進行同樣的試驗，又都合格后，即可按著焊接程序正式施焊。

a.彎曲試驗：可用錘擊使其從原來軸線彎曲30°，或采用特制的導管將焊釘彎成30°，若焊釘縫完好，方為合格。

b.反復彎曲試驗：焊釘的反復彎曲檢驗在專門的雙控拉壓裝置上進行，直到焊釘反復彎曲30°斷裂為止，裂縫不在焊縫處，方為合格。

c.拉伸試驗：應在拉力機上進行試驗，焊釘斷裂應在焊接區之外，并應保證屈服點抗拉強度、延伸率符合國家有關標準。

d.剪切試驗：用以檢驗焊縫的抗剪強度。若剪切面不在焊縫區，即為合格。

2.4 桿件、構件的尺寸檢查及矯正

鋼-混凝土組合梁橋維修加固中，若原橋鋼結構部分有桿件或構件更換時，由于殘余應變釋放或局部變形和損傷，鋼結構部分會發生總體或局部變形；若安裝新的加固桿件或構件時，新桿件或部件也會有由于加工制造中產生局部變形。上述變形需通過矯正工藝加以減小或消除。鋼材的矯正，對于鋼板而言就是矯平，對于型材而言就是矯直。

鋼結構零件矯正后的容許偏差應符合表5的要求。

2.5 鋼梁裂紋的修復[15]

（1）鋼梁構件上發現裂紋時，作為臨時應急措施，可于板件裂紋端外（0.5～1.0）倍板厚處鉆孔，防止其進一步擴展，并及時根據裂紋性質及擴展走向采取適當措施修復加固。

表5 零件矯正容許偏差一覽表

（2）修復裂紋應優先采用焊接的方法，一般按如下順序進行：

a.清洗裂紋兩邊80 mm以上范圍內板面油污至露出潔凈的金屬面；

b.用碳弧氣刨、風鏟或砂輪將裂紋邊緣加工出坡口，直達紋端的鉆孔，坡口的形式應根據板厚和施工條件按現行《氣焊、手工電弧焊及氣體保護等焊縫坡口的基本型式與尺寸》的要求選用；

c.將裂紋兩側及端部金屬預熱至100℃～150℃并在焊接過程中保持此溫度；

d.用與鋼材相匹配的低氫型焊條或超低氫型焊條施焊；

e.盡可能地用小直徑焊條以分段分層逆向焊法施焊，每一焊道焊完后宜即進行錘擊；

f.按設計要求檢查焊縫質量，對承受動力荷載的構件，堵焊后其表面應磨光，使之與原構件表面齊平，磨削痕跡線應大體與裂紋切線方向垂直；

g.對重要結構或厚板構件 堵焊后應立即進行退火處理。

（3）對網狀分叉裂紋區和有破裂、過燒或燒穿等缺陷的梁、柱、腹板部位，宜采用嵌板補修。修補順序為：

a.檢查確定缺陷的范圍；

b.將缺陷部位切除，宜切帶圓角的矩形孔，切除部分的尺寸均應比缺陷范圍的尺寸大100 mm；

c.用等厚度同材質的嵌板嵌入切除部位，嵌入板的長寬邊緣與切除孔間二個邊應留有2～4 mm的間隙，并將其邊緣加工成對接焊縫要求的坡口形式；

d.嵌板定位后，將孔口四角區域預熱至100℃～150℃并按圖所示順序采用分段分層逆向焊法施焊；

e.檢查焊縫質量打磨焊縫余高使之與原構件表面齊平。

（4）修復完成后檢查焊縫質量，若焊縫質量不合格，應刨去焊縫、清根，重新施焊。焊縫質量合格后，打磨焊縫余高，使之與原構件表面齊平。

3 結語

（1）我國早期修建的鋼-混凝土組合梁橋經過二十余年的運營使用，步入生命周期的第一個階段。該階段主要性能特征包括：橋面板局部破損甚至開裂、結合面處受到侵蝕；鋼梁表面防腐措施失效；鋼梁構件連接(鉚接、栓接、焊縫等)松動、銹蝕、疲勞，出現裂紋；鋼梁局部損傷、疲勞裂紋等。

（2）鋼梁結構的防腐及重新涂裝，鋼梁構件連接的更換及處理，混凝土橋面板的更換，桿件、構件的尺寸檢查及矯正，以及鋼梁裂紋的修復這五項內容基本能夠涵蓋針對該階段鋼-混組合梁橋常見病害的維修加固處理措施。

（3）從基本要求，施工工序，施工完成后的質量檢驗等方面提出了各分項維修加固措施的檢驗指標體系及相應的評定標準和檢查方法，能夠對鋼-混組合梁橋的維修加固質量進行系統的控制和檢驗評定。

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