外包鋼板法在橋墩加固中的應(yīng)用

申文杰

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

目前橋梁病害問題的研究與處理已經(jīng)引起工程界高度重視，而由橋梁墩、臺和基礎(chǔ)的病害引發(fā)的危橋不在少數(shù)，因此，從橋梁墩、臺和基礎(chǔ)著手加固處理研究就非常有必要。目前橋梁墩臺的加固通常采用的辦法是用鋼筋混凝土套箍并施加外部預(yù)應(yīng)力或增大截面尺寸等方法加固墩身[1]。但是這些常規(guī)的方法大部分存在施工工藝復(fù)雜、成本高、構(gòu)件尺寸和自重顯著增大等缺點(diǎn)，因此在橋墩加固方法的選取上需要選擇新的加固方法。

1 橋梁加固技術(shù)

橋梁加固一般通過對橋梁局部部位的補(bǔ)強(qiáng)和結(jié)構(gòu)體系的性能改善，達(dá)到恢復(fù)或提高現(xiàn)有橋梁的承載能力、延長使用壽命的目的。

對于橋梁有嚴(yán)重缺損的局部構(gòu)件，一般采用粘貼鋼板和復(fù)合纖維材料等方法。

在橋梁抗彎能力不足或橋梁撓度過大時，一般采用體外預(yù)應(yīng)力法或者增大截面法。在對一些建設(shè)年代較久遠(yuǎn)的簡支體系橋梁加固時,也可以采用簡支轉(zhuǎn)連續(xù)加固法。

其他主要橋梁加固技術(shù)還有改變結(jié)構(gòu)體系、減輕恒載、增加樁基等方法[2]。其中本文重點(diǎn)闡述的是對嚴(yán)重缺損的局部構(gòu)件進(jìn)行加固（更換）。加固薄弱構(gòu)件方法主要有增大截面、外包鋼板以及體外預(yù)應(yīng)力等，本文著重講的是外包鋼板法在橋墩中的應(yīng)用。

2 外包鋼板加固技術(shù)

2.1 外包鋼板加固技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍

外包鋼板加固技術(shù)在實際應(yīng)用中施工簡便，對施工環(huán)境影響較小，成本較低，沒有顯著增大原構(gòu)件截面尺寸和自重就可以大幅度提高構(gòu)件承載力[3]。一般來說外包鋼板法適用于受壓構(gòu)件的承載力、剛度、延性提高，適用于相對濕度不大且無化學(xué)腐蝕環(huán)境。

2.2 外包鋼板受力模式及計算

2.2.1 承載力計算

濕式外包鋼板法加固時混凝土強(qiáng)度可按約束混凝土計算；抗壓、抗彎計算時外包角鋼應(yīng)乘以強(qiáng)度降低系數(shù)0.85，抗剪計算時鋼箍應(yīng)乘以強(qiáng)度降低系數(shù)0.7[1]。

約束混凝土強(qiáng)度計算：

式中套箍系數(shù)

式中：fc為混凝土的設(shè)計強(qiáng)度；Ac為混凝土面積；fs為鋼箍扁鋼設(shè)計強(qiáng)度；As為鋼箍扁鋼面積；b為鋼箍扁鋼的寬度；s為鋼箍扁鋼間距。

干式外包鋼板法鋼構(gòu)件與原構(gòu)件所受外力按各自剛度比例分配。

2.2.2 抗彎剛度計算

外包鋼板加固法抗彎剛度按式（2）計算[1]：

式中：Ec0為原有構(gòu)件混凝土彈性模量；Ic0為原有構(gòu)件截面慣性矩；Ea為加固型鋼彈性模量；Aa為加固構(gòu)件一側(cè)外包型鋼截面面積；a為受拉與受壓兩側(cè)型鋼截面形心間的距離。

3 工程實例

某大橋上部結(jié)構(gòu)采用7-30 m裝配式先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；左幅下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土獨(dú)柱實心墩，右幅下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土雙柱實心墩，橋臺采用柱式臺，4號墩為聯(lián)端墩；橋墩基礎(chǔ)采用樁接承臺基礎(chǔ)，橋臺基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。

本橋左幅1～4號橋墩、右幅1～4號橋墩均采用滑模施工，其他橋墩采用翻模施工。

在橋梁檢查中發(fā)現(xiàn)，滑模施工的矩形實心墩存在豎向、橫向裂縫，部分區(qū)域存在破損露筋、空洞現(xiàn)象，敲擊時空鼓回響明顯。

3.1 主要病害及原因分析

3.1.1 主要病害

圖1 病害橋墩

在對存在問題的橋墩進(jìn)行了徹底調(diào)查，并對橋左幅3號墩進(jìn)行了更為詳細(xì)的有損傷調(diào)查后。通過對比橋左幅3號墩有損傷調(diào)查結(jié)果和其敲擊時的反應(yīng)，對其他墩的情況作出了相應(yīng)推斷。

這些橋墩蓋梁下方墩柱存在較多數(shù)量的豎向裂縫，裂縫寬度多數(shù)超過0.5 mm，個別向下延伸長度超過6 m。墩柱自地面起存在一定數(shù)量的豎向裂縫。個別墩身橫橋向方向存在橫向裂縫，并未出現(xiàn)閉合，縫寬0.1～0.15 mm。墩柱主筋保護(hù)層厚度控制稍差，下部區(qū)段主筋凈保護(hù)層厚度僅0.5 cm；墩身豎向裂縫與主筋位置分布基本對應(yīng)，且此類裂縫深度較深；在墩柱中上部區(qū)域主筋凈保護(hù)層厚度超過10 cm。豎向主鋼筋定位狀況較差，墩身周側(cè)主筋分布間距疏密差別較大，密集區(qū)段主筋凈距為0.5～2 cm，稀疏區(qū)主筋凈距超過30 cm甚至達(dá)到130 cm。主筋外露區(qū)域設(shè)置箍筋或橫向約束鋼筋的數(shù)量明顯少于設(shè)計圖紙——設(shè)計圖中箍筋為間距10～15 cm的復(fù)合箍筋（鋼筋為直徑12 mm的HRB335鋼筋），而現(xiàn)場調(diào)查未發(fā)現(xiàn)設(shè)置復(fù)合箍筋。在空鼓區(qū)鑿除后基本未發(fā)現(xiàn)完整箍筋，個別位置偶爾存在長度小于2 m的橫向鋼筋，其位置設(shè)置在主筋內(nèi)側(cè)，且未形成橫向封閉圈。下部區(qū)段部分主筋與周側(cè)混凝土黏結(jié)性能較差，部分區(qū)段甚至完全脫離；鑿除空鼓區(qū)混凝土后部分鋼筋外凸近3 cm。

依據(jù)大橋左幅3號墩的專項檢查情況，清除空鼓區(qū)后，經(jīng)初步統(tǒng)計判斷該墩柱表面整體損傷達(dá)33%，其中表面已清除出的90%區(qū)域未見箍筋及定位鋼筋；在墩柱表層損傷最嚴(yán)重區(qū)段的順橋向方向有大于等于35 cm的混凝土截面折減，橫橋向方向有大于等于15 cm的混凝土截面折減；在墩柱表層空鼓最嚴(yán)重區(qū)段，對露出的鋼筋逐根判斷，存在鋼筋-混凝土解離的有118根（主筋共152根），該斷面豎向主筋的鋼筋-混凝土解離率達(dá)78%。

3.1.2 原因分析

基于以上病害狀況，初步分析造成上述病害的主要原因是滑模施工時模板的提升間隔時間較長，模板變形等。考慮到橋梁位于沖溝處，并經(jīng)過調(diào)查過去曾有泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，結(jié)合以上病害應(yīng)該對橋墩進(jìn)行加固處理。另外施工時未按設(shè)計要求設(shè)置箍筋。因缺少對豎向鋼筋的定位及緊箍作用，在澆筑混凝土?xí)r豎向鋼筋位置變化將導(dǎo)致下述病害：當(dāng)鋼筋間距變小將致使墩柱的保護(hù)層缺少混凝土骨料；當(dāng)鋼筋向內(nèi)側(cè)或向外側(cè)變形將致使混凝土保護(hù)層厚度不均勻。

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）中 9.6.1的規(guī)定，該墩應(yīng)按照設(shè)計圖要求設(shè)置復(fù)合箍筋，缺少箍筋時橋墩主筋自由長度增大，鋼筋的抗壓屈能力將相應(yīng)降低。在施工過程中，下層混凝土強(qiáng)度較低時進(jìn)行上層混凝土的澆筑將會因缺少箍筋束縛導(dǎo)致鋼筋受壓變形后與混凝土解離，并最終形成一定面積的混凝土空鼓和伴生裂縫。

3.2 方案比選

3.2.1 外包鋼板加固

圖2 破損露筋

在對原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后使用環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行修復(fù)，然后在墩柱外側(cè)外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)。鋼板與墩柱之間留10 cm空隙澆注C40微膨脹混凝土。對原承臺加厚處理，并采用法蘭盤與橋墩外包鋼板相連。

3.2.2 增大橋墩截面加固

在對原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后，在原墩柱四周澆注新的混凝土以增大橋墩截面，順橋向加大到4.8 m，橫橋向分別加大到10 m（左幅）和5 m（右幅），并增加箍筋和定位鋼筋設(shè)置。新澆注混凝土與原墩柱采用植筋相連。

3.2.3 方案比較

經(jīng)過對橋墩承載力的復(fù)核計算，外包鋼板加固法和增大橋墩截面加固法均能滿足橋墩承載力和抗彎剛度的安全要求。外包鋼板加固法加固效果明顯，投資較少，不影響外觀，但是對施工質(zhì)量要求高，涉及施工工藝較多。增大橋墩截面加固法加固效果也較為明顯，施工簡單，但是投資較大，嚴(yán)重影響外形美觀。

綜合比較外包鋼板加固法更有優(yōu)勢。

3.3 維修方案

3.3.1 病害維修思路

3.3.1.1 修補(bǔ)原有墩柱

為盡量充分發(fā)揮原墩柱的作用，應(yīng)將原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后，使用環(huán)氧樹脂砂漿或聚合物修補(bǔ)砂漿等進(jìn)行修復(fù)，盡可能恢復(fù)主筋與混凝土的黏結(jié)。

3.3.1.2 外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)

因?qū)υ罩炷量展膮^(qū)的修復(fù)效果、主筋與混凝土的后期協(xié)同受力狀況難以保證達(dá)到原設(shè)計要求，因此需對墩柱再進(jìn)行外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)。

3.3.1.3 主要板件的焊接

外包鋼板為傳力構(gòu)件，其縱、橫向的所有連接焊縫均需按設(shè)計要求熔透，并應(yīng)采用焊縫金屬量少、焊后變形小的坡口，要求對焊縫表面進(jìn)行打磨處理，以減小應(yīng)力集中。

鋼板的焊接應(yīng)嚴(yán)格遵照本橋招標(biāo)文件的技術(shù)規(guī)范及國內(nèi)有關(guān)規(guī)程、規(guī)范實施。設(shè)計圖中所標(biāo)柱的鋼板全部尺寸，均為20℃基準(zhǔn)溫度下的尺寸。鋼板段制造時，應(yīng)考慮板材的壓縮彈性變形補(bǔ)償值。現(xiàn)場節(jié)段拼裝焊接時需要計入焊縫的收縮量，和節(jié)段間頂板拼接縫寬度，以實現(xiàn)設(shè)計豎曲線線形。

由于鋼板為全焊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)焊縫較多，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，制造過程中，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量采用焊接變形小、焊縫收縮小的工藝。所有要求熔透的對接焊縫及連接焊縫均應(yīng)焊透；所有要求熔透的貼腳焊縫，原則上都應(yīng)熔透。

3.3.2 主要維修措施

a）對空鼓區(qū)進(jìn)行鑿除后修復(fù)。

b）原橋墩外側(cè)外包鋼板，鋼板與橋墩之間留10 cm空隙，內(nèi)澆注C40微膨脹混凝土，墩底采用法蘭盤與原橋墩承臺相連。

c）承臺加厚80 cm，并植入鋼筋加強(qiáng)與舊承臺的結(jié)合。

d）原橋墩與后加鋼板通過植入鋼筋連接一起，以保證鋼板與橋墩連成一體。

e）在原墩柱豎向方向每隔1 m增設(shè)加強(qiáng)箍筋，鑿除橋墩表層混凝土與豎向主筋焊接，端部再與外包鋼板連接。

f）蓋梁橫橋向表面粘帖鋼板，與墩身外包鋼板相焊接，形成整體。

4 結(jié)論

本文通過對某預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋橋墩存在的病害從設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

a）通過對橋墩病害的研究分析得出在橋墩滑模施工時模板的提升間隔時間不能較長，時間太長會使模板變形，最終造成鋼筋混凝土表面出現(xiàn)許多裂縫。

b）外包鋼板加固法施工簡便、效果直觀明顯、成本低，而且不增大原構(gòu)件截面尺寸和自重，但是卻能大幅度提高承載能力，因此外包鋼板法值得在橋墩加固中推廣使用。

c）簡單介紹了外包加固方法的原理和特點(diǎn)，并具體闡述了外包鋼板加固方法的一系列工藝流程。