橋梁鋼筋混凝土加固技術(shù)研究

陳顯文

（江西公路交通工程有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

改革開放后，我國(guó)大力興建橋梁工程，以期為居民出行提供便利。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車輛載重、行車密度逐年增大，部分橋梁無(wú)法滿足日常使用要求，欄桿斷裂、橋面破損等問題時(shí)有發(fā)生，及時(shí)進(jìn)行加固處理能有效延長(zhǎng)橋梁使用壽命，提高橋梁工程的綜合效益?；诖?，有必要對(duì)橋梁鋼筋混凝土加固技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以更好地保證橋梁安全運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概況

某三跨簡(jiǎn)支T 型梁橋梁總長(zhǎng)度60m，單跨跨徑為20m，包括6 片T 型梁，主梁1.3m 高，相鄰主梁的距離為1.6m，梁肋0.18m 厚，翼緣0.1m 厚。該橋橋面寬度為10.6m，其中兩側(cè)人行道和混凝土欄桿寬度為1.8m，中間車行道寬為7m，橫坡的坡度是1.5%。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該橋梁出現(xiàn)了以下問題：一是1～3#跨的主梁表面有斜向裂縫，裂縫最大寬度為0.3mm，最大長(zhǎng)度達(dá)1.6m；二是2#、3#主梁底部有大量混凝土脫落，導(dǎo)致有效截面減??；三是4#、5#主梁內(nèi)部鋼筋暴露在空氣中，表面有大量銹跡。

2 橋梁鋼筋混凝土加固技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)沖空加固

某些情況下，橋梁基礎(chǔ)會(huì)受到?jīng)_刷或其他因素影響，出現(xiàn)基礎(chǔ)沖空的情況，進(jìn)而降低橋梁整體承載能力，這種情況下需要采取恰當(dāng)措施，對(duì)基礎(chǔ)沖空進(jìn)行加固[1]。加固橋梁前要評(píng)估橋梁基礎(chǔ)，確定承載能力、沖空范圍及程度，計(jì)算公式如式（1）所示：

式（1）中：Sd為荷載效應(yīng)函數(shù)；γg為永久荷載結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)重力安全系數(shù)；G為荷載結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)重力效應(yīng)；γq為荷載安全系數(shù)；Q為永久荷載與可變荷載；γb為結(jié)構(gòu)工作條件對(duì)應(yīng)系數(shù)；Rd為抗力函數(shù)；ξc為混凝土截面對(duì)應(yīng)折減系數(shù)；Rc為混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；γc為混凝土安全系數(shù)；ξs為鋼筋截面對(duì)應(yīng)折減系數(shù)；Rs為鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；γs為鋼筋安全系數(shù)；Z1為承載力對(duì)應(yīng)檢算系數(shù)；ξe為承載力對(duì)應(yīng)惡化系數(shù)。

該項(xiàng)目中，相關(guān)人員按照公式對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表1 所示。

表1 計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明，橋梁存在承載能力不達(dá)標(biāo)的問題，這也是主梁表面出現(xiàn)裂縫的主要原因。了解問題成因后，施工方需要按部就班地完成以下工作：

第一，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的位置，在沖空區(qū)域周圍鉆孔，該環(huán)節(jié)需要保證鉆孔深度超過沖空范圍。

第二，通過鉆孔向沖空區(qū)域內(nèi)持續(xù)注入特殊的水泥漿液，酌情增設(shè)鋼筋，提高基礎(chǔ)強(qiáng)度。

第三，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，繪制詳細(xì)的示意圖，指導(dǎo)后續(xù)施工。

第四，按照示意圖進(jìn)行加固施工，保證鋼筋安裝、混凝土澆筑施工效果。

第五，加固完成后，及時(shí)展開監(jiān)測(cè)，以確保橋梁安全。

2.2 粘貼加固

粘貼加固的原理是在鋼筋混凝土構(gòu)件外表面粘貼抗拉材料，利用抗拉材料改善構(gòu)件抗剪及抗彎能力。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工影響范圍小、流程簡(jiǎn)單、可保持橋下凈空不變，常用的方法如下：

2.2.1 粘貼鋼筋

當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)整體抗拉強(qiáng)度不理想，導(dǎo)致受拉位置出現(xiàn)裂縫時(shí)，可以采用粘貼鋼筋的方法加固橋梁結(jié)構(gòu)。這種方法具有快速成型和加固效果好等優(yōu)點(diǎn)。加固施工步驟如下：首先，檢查橋梁，確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、損壞程度和加固位置。其次，清理表面的老舊材料、雜物和附著物。再次，使用專用黏結(jié)劑將預(yù)制鋼筋粘貼在受拉位置。在鋼筋周圍的空隙中注入補(bǔ)強(qiáng)漿料，增加橋梁和鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度，使整體承載能力更接近理想水平。最后，等待補(bǔ)強(qiáng)漿料和黏結(jié)劑固化。

2.2.2 粘貼鋼板

粘貼鋼板的加固方法是利用由環(huán)氧樹脂制成的黏結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域和受拉位置，使其成為一個(gè)整體，以改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，使其剛度符合要求，避免裂縫進(jìn)一步發(fā)展[2]。

在該項(xiàng)目中，施工方參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2020），確定了粘貼加固方案。粘貼加固采用3 號(hào)鋼板，在具體的加固施工作業(yè)中，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C15。對(duì)受壓區(qū)進(jìn)行粘鋼板加固時(shí)，優(yōu)先考慮在梁側(cè)粘貼鋼板，并確保鋼板的寬度低于梁柱高的1/3。為提高粘貼加固效果，項(xiàng)目參與人員還對(duì)錨固長(zhǎng)度制訂了嚴(yán)格的要求：對(duì)于受拉區(qū)域，當(dāng)鋼板厚度達(dá)到200t 時(shí)，錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為600mm；對(duì)于受壓區(qū)域，鋼板厚度設(shè)計(jì)值不得低于160t，錨固長(zhǎng)度需要達(dá)到480mm，并增加了U 型箍板[3]。

對(duì)矩形構(gòu)件采取粘貼加固方案時(shí)，需要明確構(gòu)件正面與截面的承載力。承載力計(jì)算如公式（2）所示：

式（2）中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Md為粘貼鋼板加固后彎矩組合設(shè)計(jì)值；fcd1為加固結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為受拉粘貼鋼板總寬度；h0為加固結(jié)構(gòu)截面的有效高度，Esp為鋼板的彈性模量；εsp為鋼板極限壓應(yīng)變；Asp為鋼板的截面面積。

2.2.3 粘貼碳纖維

作為新型建材代表，碳纖維憑借高抗拉強(qiáng)度、自重輕和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在建筑行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。用該材料加固橋梁，通常不會(huì)影響應(yīng)力分布情況，能夠通過共擔(dān)拉力的方式使橋梁承載力得到提高。

2.3 更改構(gòu)件截面

近年來(lái)，交通事業(yè)飛速發(fā)展，部分按照傳統(tǒng)方案建設(shè)的橋梁易出現(xiàn)荷載等級(jí)、承載能力與要求不符的情況。為此，施工方可以酌情調(diào)整構(gòu)件截面尺寸，以達(dá)到有效的加固目的。實(shí)際施工中，可供選擇的加固方法包括如下幾種：

2.3.1 噴錨加固

噴錨加固僅使用單面模板，能夠有效整合運(yùn)輸、澆筑、搗固各施工環(huán)節(jié)，施工效率較高，施工過程中可借助軟管在深坑、高空噴射。施工過程中可以酌情混入外摻料、外加劑，以優(yōu)化混凝土性能。

通過噴錨方式加固橋梁時(shí)，為取得理想的施工效果，需要關(guān)注鋼板與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度，根據(jù)不同強(qiáng)度的混凝土選擇合理的設(shè)計(jì)值，相關(guān)強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示：

表2 鋼板與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（單位：MPa）

在實(shí)際加固施工中，若橋梁截面的面積有限，下緣承受的主拉應(yīng)力會(huì)超出允許范圍，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)裂縫。為此，需要先判斷橋下凈空大小，橋下凈空滿足相關(guān)要求方可通過噴錨方式加固，具體流程如下：首先，基于灌漿法對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫加以修補(bǔ)；其次，沿下緣安裝鋼筋網(wǎng)；最后，按照要求噴射加固專用混凝土[4]。

2.3.2 加大混凝土截面

T 型梁極易由于截面面積有限、高度不足，致使整體承載能力無(wú)法滿足要求，進(jìn)而提高病害、安全風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率。針對(duì)該情況，施工方可以通過增加下緣寬度、截面面積和加裝受力主筋的方式，使橋梁得到有效加固。

2.3.3 增加橋面板厚度

如果橋梁存在截面面積偏小、整體承載能力不達(dá)標(biāo)等情況，可酌情鑿除原有鋪裝，增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層，以確保橋梁具有理想的剛度。為改善原有混凝土、新澆筑混凝土的黏結(jié)效果，施工方應(yīng)做到以下兩點(diǎn)：一是提前對(duì)原面板進(jìn)行鑿毛處理，仔細(xì)清理后，酌情設(shè)置柱形或是齒形剪力槽，保證相鄰剪力槽間距相同。二是沿原有面板安裝鋼筋網(wǎng)，利用鋼筋網(wǎng)提高面板抗壓能力，避免補(bǔ)強(qiáng)層出現(xiàn)裂縫或是其他質(zhì)量問題。需要注意的是，該方法僅適合跨徑相對(duì)較小的板梁橋、T 型梁橋。

2.3.4 截面轉(zhuǎn)換加固

在該項(xiàng)目中，為提升原有橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，有關(guān)人員采取了箱梁截面加固技術(shù)，即在主梁中部12m 范圍內(nèi)增設(shè)鋼筋混凝土底板，并采取必要的封閉處理，其中加固底板的厚度為12cm。主梁部分則使用C40 鋼纖維鋼筋混凝土進(jìn)行加固，并根據(jù)混凝土重量的1.5‰加入減水率在25%以上的高效減水劑。為全面提升截面轉(zhuǎn)換加固技術(shù)的應(yīng)用科學(xué)性，在加固施工期間，需要重點(diǎn)關(guān)注鋼纖維鋼筋混凝土箱型底板與原主梁是否共同受力。

具體施工步驟如下：

第一，按照計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)鑿除保護(hù)層。

第二，在鋼纖維混凝土底板表面增焊橫筋。

第三，根據(jù)底板掛筋情況，增設(shè)主筋并封閉缺口。

第四，在垂直主筋的方向增焊橫筋。

第五，澆筑混凝土，保證混凝土和原有梁的下緣平齊。

第六，進(jìn)行為期7d 的養(yǎng)生。

若采取截面轉(zhuǎn)換加固技術(shù)，需要對(duì)T 型梁體已有裂縫進(jìn)行處理；裂縫寬度＜0.15mm，可采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行封閉；裂縫寬度＞0.15mm，應(yīng)使用化學(xué)灌漿技術(shù)加以處理。針對(duì)一般性質(zhì)的橋梁，通常使用E207DS灌注材料和E390 密封材料處理，其中，E207DS 灌注材料的抗壓屈服強(qiáng)度應(yīng)不小于50MPa，抗拉剪強(qiáng)度應(yīng)高于20MPa；E390 密封材料的抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)不小于40MPa，抗屈服強(qiáng)度應(yīng)不小于60MPa、抗剪強(qiáng)度應(yīng)不小于11MPa、抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于20MPa。

此外，在加固施工中，為確保鋼筋混凝土加固技術(shù)應(yīng)用達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)加固梁裂縫的相關(guān)修正系數(shù)作出合理選擇。加固前，若未出現(xiàn)傾斜裂縫，則修正系數(shù)取0；鑒定傾斜裂縫寬度低于0.2mm 時(shí)，則修正系數(shù)取0.835；鑒定傾斜裂縫寬度超過0.2mm 時(shí)，則修正系數(shù)取0.75，按公式（3）計(jì)算：

式（3）中：ψvb為修正系數(shù)；Aspv為箍板的截面面積；Esp為鋼筋的彈性模量；Esv為箍筋的彈性模量；Asv為箍筋的全部截面面積；Asb為彎起鋼筋的截面總面積；Esb為彎起鋼筋的彈性模量。

采用截面轉(zhuǎn)換加固方案時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)關(guān)注鋼筋混凝土彈性模量與抗拉強(qiáng)度之間的比例，通常情況下，鋼筋具有較高的彈性模量與抗拉強(qiáng)度，這主要是由鋼筋自身結(jié)構(gòu)體系與受力原理決定的，一般二者之間的比值為10∶1～15∶1。

2.4 更改結(jié)構(gòu)體系

進(jìn)行橋梁加固時(shí)，也可采取更改結(jié)構(gòu)體系的方案，即梁連續(xù)加固。以連續(xù)梁、簡(jiǎn)支梁受力情況為依據(jù)，以連接梁體為依托，通過更換支座的方式，使多跨簡(jiǎn)支梁變更為連續(xù)梁。為有效提升支座截面的抗剪承載能力，可采取粘貼鋼板條的加固措施，要求腹板鋼板條的凈距為14cm、厚度18m。此外，還可以使用以下技術(shù)：

其一是梁+拱加固。如果橋梁現(xiàn)有承載能力不理想，需要更改荷載等級(jí)，則可采用梁+拱的方式加固。沿橋梁現(xiàn)有墩臺(tái)增設(shè)新墩臺(tái)，酌情加裝預(yù)制排架或拱肋，使梁式體系變更成拱式體系，以便通過更改承重結(jié)構(gòu)的方式，使橋梁具有更加理想的承載能力。

其二是八字撐架加固。該方法需要施工方先了解橋梁主梁情況，再在橋墩與主梁之間或承臺(tái)上方加裝八字斜撐，并沿主梁的托梁、下斜撐安裝橫梁，此后通過將簡(jiǎn)支梁加工成連續(xù)梁，改善受力情況。

3 結(jié)論

首先，粘貼加固是常用的橋梁加固方法，可通過增加鋼板、鋼梁的方式，提高橋梁強(qiáng)度。

其次，鋼筋加固適用于對(duì)已有構(gòu)件的加固，可以通過套筒、碳纖維，增加構(gòu)件強(qiáng)度，提高整體性能。

最后，可通過填充材料、注漿等方式，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)。

需要注意的是，雖然上述技術(shù)均具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠提高橋梁的承載能力，但仍存在一些需要解決的問題。因此，未來(lái)有關(guān)人員應(yīng)進(jìn)行深入探索，完善加固技術(shù)及評(píng)估方法，從而更好地提高橋梁工程的穩(wěn)定性。