粘貼鋼板加固砼橋梁的應用研究

段小健， 曾瑤瑤

(中交第二航務工程局有限公司 第五工程分公司， 湖北 武漢 430040)

目前橋梁加固方法主要有碳纖維材料粘貼法、增大截面加固法、粘貼鋼板加固法等。粘貼碳纖維材料加固法是在原結(jié)構(gòu)砼表面粘貼樹脂類膠結(jié)材料，使碳纖維材料與原結(jié)構(gòu)共同承載；增大截面加固法在原結(jié)構(gòu)底部和外側(cè)增添部分受力鋼筋，同時澆筑部分砼，增加結(jié)構(gòu)的截面面積，使原結(jié)構(gòu)與新增部分共同承載；粘貼鋼板加固法是在結(jié)構(gòu)受力部位采用機械固定并結(jié)合化學粘貼(建筑結(jié)構(gòu)膠或環(huán)氧樹脂)的方法把鋼板牢固地黏結(jié)、錨固在需補強結(jié)構(gòu)的主要受力部位，使鋼板和原結(jié)構(gòu)牢固地形成整體共同受力。碳纖維材料粘貼法、增大截面加固法因其施工成本高、工序復雜、施工作業(yè)面要求高，整體經(jīng)濟效益不高。粘貼鋼板加固法具有施工簡單、技術可靠、短期加固效果較好、工藝成熟且基本不改變原結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點，經(jīng)濟效益和社會效益好，因而得到廣泛應用。該文以靖黎(靖州—黎平)高速公路第三合同段3#便道上既有鋼筋砼板橋為例，研究粘貼鋼板加固鋼筋砼橋梁的應用技術。

1 工程概況

靖黎高速公路第三合同段起于K41+085.450，終于K56+967.471，全長15.893 km(長鏈11 m)。主線K44+300右側(cè)的3#便道因工程項目需要，施工車輛需經(jīng)過村道上的鋼筋砼板橋。根據(jù)當?shù)亟煌ň痔峁┑臉蛄涸O計圖紙，該橋按照公路-Ⅱ級設計，無法滿足現(xiàn)有最大載重17 m長掛車(載重55～65 t)和砼罐車(12 m3，總重55 t)通行需求。該橋長21.3 m，寬6.1 m(5 m行車道+2×0.55 m防撞護欄)；上部結(jié)構(gòu)為2-9.1 m正交現(xiàn)澆鋼筋砼板橋，板厚45 cm，橋面鋪裝10 cm；下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，基礎奠基于基巖上。橋型設計布置見圖1。

圖1 橋梁原設計布置(單位：cm)

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系均無裂縫、砼龜裂、剝落、露筋等病害，總體技術狀況評定等級為1類，滿足公路-Ⅱ級通行要求，對其加固處理后橋梁荷載等級可滿足公路-Ⅰ級要求。

2 加固方案優(yōu)化選擇

2.1 不同加固方案分析

(1) 新建鋼棧橋。結(jié)合該項目規(guī)劃的10條施工便道中僅有一條便道跨越既有橋梁的情況，新建與拆除鋼棧橋預計需50 t履帶吊10臺班、型鋼34 t、C25砼47 m3，費用40萬元。另外，項目施工需協(xié)調(diào)所在地區(qū)政府交通、水利、國土等部門，協(xié)調(diào)難度較大。

(2) 埋設砼管涵。埋設砼管涵預計需要直徑2.5 m圓管涵30 m、片石100 m3、碎石100 m3、C20砼14 m3，費用26萬元。同時，項目施工需協(xié)調(diào)屬地交通、水利、國土等部門，協(xié)調(diào)難度較大。

(3) 粘貼鋼板條補強加固。采用粘貼鋼板條補強加固法需高強螺栓792個、鋼板36 t、腳手管(12 m)30根、10 mm鋼絲繩120 m、PG系列結(jié)構(gòu)黏結(jié)劑0.6 t、植筋膠0.3 t、5 cm厚腳手板60 m2，預計費用約18萬元。

2.2 加固方案選擇

經(jīng)多方案比選，確定采取對現(xiàn)有鋼筋砼板底粘貼鋼板條補強加固的方法。該工藝不需要新規(guī)劃修建棧橋，不用長時間封閉上下行交通，僅需在既有橋梁橋底搭設作業(yè)平臺進行加固即可滿足施工通行需要，節(jié)約汽車吊、人員及型鋼、調(diào)遣等費用，能安全、高效、環(huán)保、低成本地完成施工。加固后能達到規(guī)范要求的公路-Ⅰ級荷載等級要求，滿足施工需要。

3 加固原理及設計計算

3.1 加固原理

根據(jù)原設計資料，該橋上部結(jié)構(gòu)砼板底層采用HRB400直徑25鋼筋，間距12.5 cm，共48根；頂層采用HRB400直徑14鋼筋，間距25 cm，共25根；箍筋采用HPB300直徑10鋼筋。按照JTG D62—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》進行承載能力驗算，正截面抗彎承載力設計最大值大于構(gòu)件承載力設計值。

根據(jù)驗算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，擬對既有橋梁砼板的裂縫進行灌縫處治，對露筋、鋼筋銹蝕部分進行除銹處理，對梁砼破損掉角、蜂窩麻面進行修補加固，然后在現(xiàn)澆鋼筋砼板橋梁底粘貼尺寸為7 500 mm×150 mm×15 mm、橫橋向間距為50 cm的Q235-B鋼板條加固，加固鋼板布置見圖2。

圖2 加固鋼板布置示意圖(單位：cm)

3.2 設計計算

3.2.1 模型建立及計算

依據(jù)鋼板條布置情況，將橋面考慮為由12個節(jié)點、11個單位組成的結(jié)構(gòu)。其邊界條件為一側(cè)約束3個方向位移，另一側(cè)只約束z方向位移。計算模型見圖3。

圖3 橋面模型

建模計算中考慮恒載+二期、恒載+二期+活載+溫度2種工況及荷載組合，驗算其在公路-Ⅰ級荷載作用下的持久狀況承載能力極限狀態(tài)，跨中最大彎矩Mu為2 687.6 kN/m。考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r的影響，最終驗算結(jié)果為rMu=1.1×2 687.6=2 956.36 kN/m。

3.2.2 鋼板加固主梁抗彎承載力計算

根據(jù)JTG/T J22—2008《公路橋梁設計規(guī)范》，橋梁鋼板條加固后正截面承載力應滿足下式：

EspεspAspas

(1)

已知梁板厚450 mm、寬6 000 mm，砼彈性模量為200 GPa，鋼筋彈性模量為32.5 GPa，鋼板彈性模量為206 GPa，砼抗壓強度設計值為18.4 MPa，普通鋼筋抗拉、抗壓強度設計值為400 MPa，按式(2)求得原梁砼的受壓高度為71.4 mm，原構(gòu)件跨中截面抗彎承載能力為2 698.85 kN/m。

(2)

式中：fsd為原構(gòu)件縱向普通鋼筋抗拉強度設計值。

鋼板條加固后：

(3)

式中：εcu為砼的極限壓應變，砼強度等級為C50或C50以下時取0.003 3；β為截面受壓區(qū)矩形應力圖高度與實際受壓區(qū)高度的比值；h為受拉區(qū)新增縱向普通鋼筋As合力點至截面受壓區(qū)邊緣的距離；εc1為Md1(第一階段彎矩組合設計值)作用下原構(gòu)件截面上邊緣的砼壓應變；x1為加固前原構(gòu)件開裂截面換算截面的砼受壓區(qū)高度。

(4)

式中：Ec為原加固構(gòu)件砼的彈性模量；Icr為加固前原構(gòu)件開裂截面換算截面的慣性矩。

由式(3)、式(4)求得采用鋼板條加固疊合梁的受壓區(qū)高度為141.54 mm，跨中截面抗彎承載能力為6 070.27 kN/m，遠遠大于2 956.36 kN/m，滿足公路-Ⅰ級要求。

4 鋼板條加固施工

4.1 施工作業(yè)平臺搭設

在橋梁現(xiàn)有護欄上以1.5 m的間距施打直徑16 mm膨脹螺栓，安裝直徑10 mm鋼絲繩至橋底施工區(qū)域。然后在橋底鋼絲繩內(nèi)安裝橫向、縱向腳手管，鋪設5 cm厚木板，木板兩端用8號鐵絲固定。

4.2 灌鋼區(qū)砼表面處理

依據(jù)設計圖紙，在橋梁面板底部放樣鋼板條位置大樣。用電動鋼絲輪清除鋼板粘貼區(qū)域砼表層的疏松物、砂漿及其他雜物，使鋼板粘貼的砼區(qū)域為平整粗糙面，并用尖錘輕鑿整平表面。最后用甲苯或工業(yè)丙酮擦拭經(jīng)空壓機吹凈表面粉塵的灌鋼區(qū)。

4.3 鉆孔植埋螺桿

(1) 采用鋼筋砼保護層測試儀查明梁板鋼筋位置，采用手孔鉆鉆機依據(jù)設計圖紙在灌鋼區(qū)沿粘貼鋼板長度方向鉆取直徑18 mm、深度20 cm的盲孔(見圖4)。

圖4 盲孔鉆芯

(2) 利用甲苯或工業(yè)丙酮清洗經(jīng)空壓機吹凈浮塵的盲孔，然后向盲孔內(nèi)注入2/3孔深由專業(yè)廠家配制的改性環(huán)氧樹脂膠黏劑或改性乙烯基酯類膠黏劑(見圖5)。

圖5 盲孔注入環(huán)氧樹脂膠

(3) 將全螺紋高強螺栓除油清洗干凈并晾干，然后緩慢轉(zhuǎn)動插入盲孔，補填植筋膠使孔口填塞飽滿(見圖6)。

圖6 鉆孔螺桿植埋

4.4 安裝鋼板條

(1) 采用磨光砂輪機或鋼絲刷磨機對鋼板進行除銹及粗糙處理，打磨的粗糙程度越大越好，保證打磨的紋路與鋼板受力方向垂直，并用脫脂棉沾丙酮將鋼板表面擦拭干凈(見圖7)。

圖7 鋼板條打磨

(2) 利用專業(yè)沖孔機對待灌注的鋼板進行配套打孔(見圖8)。

圖8 鋼板條打鉆孔處理

(3) 將鋼板固定在螺栓上，并保證鋼板與砼表面的間隙在3 mm以上，以確保后期灌注膠層的厚度在3 mm以上(見圖9)。

圖9 鋼板條安裝

4.5 鋼板條封邊

將注漿管和排氣管用黏結(jié)膠粘結(jié)在鋼板上，布置間距為1～2 m，注入咀及排氣管采用2 mm鍍鋅鋼管(見圖10)。同時，為防止螺栓頭漏漿，在錨栓頭上涂固態(tài)黏結(jié)膠，用抹子涂抹黏結(jié)膠封閉鋼板邊緣完成封邊。按照專業(yè)廠家提供的固態(tài)結(jié)構(gòu)膠的配置比例用低速攪拌器攪拌均勻，24 h內(nèi)用完。

圖10 安裝注漿管

4.6 結(jié)構(gòu)膠灌注

利用手搖式增壓泵以0.2～0.4 MPa的壓力將液態(tài)黏鋼灌注膠從注入咀壓入鋼板和砼的空隙中。灌注過程中用橡皮錘敲打鋼板，確認是否灌注密實。灌注工作持續(xù)到所有排氣管均有膠液流出。當排氣孔出現(xiàn)漿液后停止加壓，以鋼板封邊膠封堵除灌漿孔以外的所有預留孔，再以0.2 MPa的低壓力維持10 min(見圖11)。

圖11 結(jié)構(gòu)膠灌注

4.7 灌注鋼板表面處理

(1) 采用敲擊檢測法或超聲波檢測法確認鋼板粘貼固化密實效果，保證鋼板的有效黏結(jié)面積不小于95%。

(2) 清除所有注漿管、排氣管，并用磨光砂輪機清除鋼板表面污垢和銹斑。同時用切割機切除多余螺栓頭，對外露鋼板用人工涂裝防腐漆，涂裝厚度不小于0.5 mm。

5 加固效果

靖黎高速公路第三合同段3#便道跨河道既有砼橋梁粘貼鋼板條補強后按照公路-Ⅰ級荷載進行橋梁靜載試驗。在設計荷載及試驗荷載作用下，確定1個主要內(nèi)力控制截面，對應于這個內(nèi)力控制截面確定2種靜載試驗工況，選用總重550 kN的2臺加載車輛。同時在中跨跨中截面、邊跨及支點控制截面設置撓度測點(見圖12)。

圖12 撓度測點布置

加載前后仔細觀察橋梁結(jié)構(gòu)面，橋面未出現(xiàn)明顯裂紋。靜載試驗結(jié)果顯示，對橋梁進行粘貼鋼板加固后，極限承載力下跨中彎矩為4 842.1 kN/m，較原橋梁理論計算跨中彎矩提高2 154.5 kN/m。

用精密水準儀測定橋梁控制截面的撓度，均小于理論值(見圖13)。卸載后，殘余變形小，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。

圖13 撓度測量理論值與實測值對比

6 結(jié)語

采用粘貼鋼板條補強方法加固后，靖黎高速公路第三合同段3#便道跨河道既有砼橋梁已通行使用超過半年，效果如下：1) 梁板未出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)裂縫、破碎現(xiàn)象，保證了橋梁安全和行車安全。2) 采用粘貼鋼板條補強加固方法未改變橋梁的凈空，也未增加其他結(jié)構(gòu)物，保證了河道行洪安全。3) 采用粘貼鋼板條補強加固方法施工便捷、環(huán)保，同時沒有占用土地，節(jié)約造價、協(xié)調(diào)難度小。4) 加固后橋梁通行能力提高，可確保3#便道上重載車輛順利通行，且方便了當?shù)卮迕襁\輸糧食和木材。