波紋鋼板在輕型拱橋加固中的應用

■蘇國良

（福建陸海工程勘察設計有限公司，福州 350008）

20 世紀90 年代， 受當時設計理念及施工工藝的影響，建造了大批輕型拱橋。 輕型拱橋在日益增長的交通量和構件老化的影響下出現較多的缺陷。當輕型拱橋出現結構受力裂縫未進行及時處理，在車輛荷載作用下裂縫將進一步發育，導致橋梁構件的劣化。

針對輕型拱橋的加固方法主要有增大截面法、改變橋梁結構體系法及粘貼鋼板加固法等。 波紋鋼板加固作為一種新的加固工藝也越來越多地用在輕型拱橋上。 目前國內對于波紋鋼板運用于混凝土結構方面的研究有：黃大維等[1]通過結構受力分析對波紋鋼板在拱橋中的運用提出建議； 孫潤方等[2]通過數值模擬的方式分析了波紋鋼板對于不同結構部位承載力的增強作用；蔡事廷等[3]通過工程實例闡述了波紋鋼板運用在危橋加固方面的優勢；周義雄等[4]、粟繽[5]、趙衛國等[6]、郭新春等[7]分別從不同方面提出了波紋鋼板在涵洞工程中的受力性能分析及研究應用。

本文以福建某國道上的輕型拱橋加固工程為依托，通過多方案的對比分析，提出采用波紋鋼板加固橋梁的方式， 為后續橋梁運營養護加固提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

橋梁位于福建某國道上，為上承式拱橋，全長235 m， 上部結構采用10.2 m 石拱橋+3×63.6 m 鋼筋混凝土肋板拱+10.2 m 石拱橋， 下部結構0# 臺，1# 墩及4# 墩、5# 臺采用砌體橋臺（墩），擴大基礎；2#墩和3#墩采用鋼筋混凝土橋墩，擴大基礎。橋面全寬9 m，橫向布置為1 m（人行道）+7 m（車行道）+1 m（人行道），雙向2 車道，于1992 年建成。

1.2 專項檢測情況

根據專項橋梁檢測報告顯示， 橋梁主要病害為腹拱拱頂出現多條橫向裂縫， 橋梁總體技術狀況等級為3 類。 橋梁靜載試驗結果表明，在汽車-20 級荷載作用下，結構工作性能較好，具有一定的安全儲備。

圖1 腹拱橫向貫穿裂縫

2 橋梁加固方案

由于該區內部分舊橋改造施工臨時設置交通管制分流導致該橋在短期內交通量劇增，上述檢測報告提到的腹拱橫向裂縫進一步發育，且在其余腹拱拱頂位置發現多處橫向裂縫。 由于該橋位于此區域對外的主要通道上，如何快速解決橋梁結構安全隱患，增大結構安全儲備，確保車輛運營安全成為了加固方案的重點。

2.1 缺陷成因分析

根據現場踏勘收集的資料并結合專項檢測結果，筆者認為腹拱出現橫向裂縫的成因如下：

（1）該橋建成至今運營了將近十年，橋梁受力構件混凝土自身老化，預制拼接構件局部失效；

（2）該橋既有裂縫等缺陷未及時修復，裂縫進一步發育導致橋梁構件不能完全發揮性能，從而加劇了裂縫的發展；

（3）短期內交通量的劇增，使得橋梁超負荷工作是橋梁病害出現的誘因。

2.2 加固方案比選

（1）方案一：增大截面加固法

利用C30 自密實砼在既有腹拱外側增設1 層20 cm 厚的鋼筋砼套拱結構， 新增結構通過植筋與既有腹拱銜接形成共同受力， 從而達到加固目的，方案簡圖如圖2 所示。

圖2 增大截面加固方案

（2）方案二：粘貼鋼板加固法

在腹拱表面粘貼寬30 cm、厚6 mm 的鋼板，鋼板間距50 cm。 鋼板通過錨栓和粘鋼膠與既有腹拱連接發揮性能，方案簡圖如圖3 所示。

圖3 粘貼鋼板加固方案

（3）方案三：粘貼波紋鋼板加固法

通過錨栓將鋼波紋板與既有腹拱連接，并利用預留注漿孔將鋼波紋板與既有腹拱的空隙填充，從而達到加固目的，方案簡圖如圖4 所示。對3 個方案進行比選，具體內容如表1 所示。

表1 加固方案對比

圖4 粘貼波紋鋼板方案

本次所提出3 個方案從安全性、經濟性、施工便捷性、處治效果及施工周期方面進行比選，得出：增大截面加固在增大橋梁既有剛度和承載能力的同時也增加了較多的自重，施工難度較大，工期長；而粘貼鋼板加固可以增加承載能力，但對于改善輕型拱橋剛度影響很小，不能徹底解決腹拱橫向裂縫缺陷；粘貼波紋鋼板加固能夠提高橋梁結構剛度和承載能力，改善拱橋受力模式，而且增加的自重有限，同時波紋鋼板可在工廠內定制加工，運至現場直接安裝，施工簡便，施工周期短。 綜上所述，考慮該橋梁病害情況，本次加固采用粘貼波紋鋼板加固的處治措施。

2.3 加固方案設計

粘貼波紋鋼板加固的具體處治措施如下：

（1）通過現場排查，核查加固區域；打磨加固區域，清除腹拱表面雜物及浮漿，對裂縫采用注膠封閉措施進行處理；

（2）利用自密實砼在腹拱起拱位置增設牛腿作為鋼波紋板的基礎；

（3）拼接安裝鋼波紋板，利用錨栓固定后通過預留注漿孔注入自密實砼，如圖5 所示。

圖5 波紋鋼板加固方案

3 加固施工要點及質量檢驗

（1）原基材表面處理：為了提高與原基材表面的粘結度，必須對原基材表面進行徹底處理。 鑿除表面浮皮及松散混凝土，至新鮮、堅硬混凝土外露為止，再用打磨機進行打磨處理后，用壓縮空氣機清除浮塵，安裝波紋鋼板前用丙酮擦拭表面；施工前應確保相關施工材料符合質量要求。

（2）錨栓鉆孔及波紋鋼板的初步固定：先將加工好的波紋鋼板安裝定位至腹拱拱頂表面，使用電鉆設備垂直于波紋鋼板表面對錨栓孔位進行鉆孔定位（鉆孔孔徑22 mm、孔深20 cm）后，再卸下波紋鋼板，逐個清理孔位。 然后重新安裝波紋鋼板，采用埋設M20 高強螺栓配合螺帽對波紋鋼板進行未加壓的初步固定。 因考慮到波紋鋼板安裝的便捷性，故采用分片拼裝增加施工可操作性（圖6）。

圖6 分片拼裝平面連接布置

（3）牛腿施作：牛腿部位的橫向鋼筋與箍筋綁扎完成后利用植入錨栓與既有混凝土連接， 同時將波紋鋼板的兩端與牛腿進行搭接， 搭接長度為30 cm，如圖7 所示。

圖7 牛腿細部

（4）安裝加壓及澆筑牛腿：旋轉螺帽對已初步固定好的波紋鋼板進行加壓同時安裝牛腿的澆筑模板，再對分片拼接的位置及拱圈兩側波紋鋼板邊緣進行密封，防止漏漿，并在牛腿處填充自密實砼。自密實砼的配制應嚴格按照配合比進行拌制，每次拌和要均勻且不宜太多，隨拌隨用，并在1 h 內澆筑完成。

（5）灌入自密實砼及密實程度檢查：待牛腿處的混凝土達到初凝時，采用小型注膠機通過預留的注漿孔從中間向兩邊依次注入自密實砼，利用自密實砼本身的高流動性從牛腿處往拱頂填滿，直到拱頂排氣孔中冒出自密實砼時停止注入。 間隔約10 min 后，按原注漿順序依次補漿，同時用木槌輕敲鋼板表面檢查是否填充密實， 防止拱頂位置脫空，并利用排氣孔對拱頂位置進行適當補漿，最后用結構膠對注漿孔和排氣孔進行密封處理。

（6）防護處理：待自密實砼凝固后（一般為24 h左右） 清除波紋鋼板表面污物， 涂抹厚度不小于3 mm 環氧樹脂砂漿進行防護處理。

（7）質量檢查：目前國家及行業尚無對此類工程實體進行質量檢驗評定的統一標準，工程中常用的方法有小錘敲擊法，該方法僅能檢查自密實砼是否存在脫空且受人的主觀因素影響較大，具有一定的局限性。

4 加固效果

目前該橋已經完成了加固工作， 歷時1 個月，并利用橋梁靜動載試驗對比加固前后的加固效果，如表2～3 所示。

由表2 可知，橋梁結構的豎向振動一階頻率加固前實測值略大于加固后實測值，說明加固后實際結構豎向剛度有所提升。 由表3 可知，加固后的實測撓度平均值大于加固前的實測撓度平均值，表明該橋結構在試驗荷載作用下，安全性能有所提升。

表3 加固前后撓度測試校驗系數對比

綜上所述，加固后橋梁剛度及安全儲備都略有提升且腹拱未再出現裂縫缺陷，加固效果良好。

5 結語

結合前人研究成果和實際工程實例證明采用埋置式波紋鋼板-混凝土結構對拱形結構拱頂混凝土增強效果明顯， 并且粘貼波紋鋼板加固方式相比傳統的加固方法具有施工便捷、 自重輕等優點， 針對拱形結構拱頂結構缺陷可采用波紋鋼板加固。

雖然本文通過工程實例驗證鋼波紋板加固輕型拱橋效果明顯，但是如何通過理論計算評判加固采用波紋鋼板對既有混凝土結構增強作用是一個復雜問題，目前國內沒有相關的規范和理論計算公式作為支撐依據，有待后續進一步研究。