PC变截面空心板桥不同病害的加固方法

郑 海 程中杰

针对PC变截面空心板桥的不同病害,提出适合不同病害的加固方法,并对其设计、施工提出反馈性建议。

1 粘贴钢板加固方法

长期以来,由于运营中的桥梁随着时间的推移,桥梁会逐渐陈旧老化,承载能力降低,特别由于设计施工等方面的缺陷,可能造成新建桥梁承载力和变形不符合设计及规范要求。因此,桥梁加固工程在工程界受到广泛重视。粘贴钢板法作为桥梁加固的一种重要技术手段,近年来在桥梁加固工程中逐渐得到应用。这一技术适用于多种桥梁结构及不同的结构部位。

1.1 粘贴钢板法桥梁加固技术及其优点

粘贴钢板加固法作为应用于钢筋混凝土结构加固补强的一种新的专用技术方法,它是针对粘钢加固法而开发的可以替代粘钢加固的新的工艺方法。它与粘钢加固相同的原理是用钢板代替钢筋,将钢板固定到混凝土的表面,使钢板和混凝土构件联合受力,相当于增加了混凝土构件的配筋量,起到提高构件承载力的效果。同时,其还可以根据桥梁病害与缺陷所在部位,确定钢板的规格和粘贴形式,将钢板粘贴在被加固的桥梁结构受力部位的外边缘,以便充分发挥粘贴钢板的作用,同时密封粘贴部位的裂缝和缺陷,约束构件的变形,从而有效地提高了加固构件的刚度和抗裂性,有效的发挥粘钢构件的抗弯、抗剪、抗压性能。

作为一种广泛应用的桥梁加固技术手段,其主要优点体现在:

1)相同条件下,采用锚贴钢板加固更能有效提高梁的抗剪承载力,提高钢板的强度利用率;2)锚贴钢板加固梁的破坏属于延性破坏,粘钢加固梁的破坏属于脆性破坏,说明锚钢加固方法在提高梁承载力的同时,改善了梁的延性,提高了构件及整个结构的可靠度指标;3)锚贴钢板加固法施工方便,施工质量更容易得到保证;4)锚贴钢板加固由于施工过程中在钢板内产生一定的预拉应力,有利于提高被加固结构抵抗重复荷载的作用。

1.2 粘贴钢板法加固技术的一般设计要求

1)要提高桥梁结构的抗弯能力。一般应在构件的受拉区的表面粘贴钢板,使钢板与原结构形成整体来受力。2)要加固和增加结构的抗剪切强度。3)补强设计要求。原有构件承受恒载与活载,增加的钢板承受原有构件承受不了的那部分活载。4)构造设计要求。在进行构造设计时,加固用的钢板可按实际需要采用不同的形状,但钢板的厚度必须比计算出的厚度大些。5)钢板长度设计要求。应将钢板的两端延伸到低应力区,以减少钢板锚固端的粘结应力集中,防止粘结部位构件出现裂缝或粘贴钢板被拉脱现象的发生。6)充分考虑整体受力问题。在补强设计时,除应考虑钢板具有足够的锚固长度、粘结剂具有足够的粘结强度和耐久性外,为避免钢板在自由端脱胶拉开,端部可用夹紧螺栓固定,或设置U形箍板、水平锚固板等,并在钢板上按一定的距离用螺栓固定,确保钢板与混凝土之间的粘结力满足强度的需要。

2 粘贴碳纤维加固方法

粘贴碳纤维加固方法的主要特点有:1)质量轻而且薄。粘贴碳纤维布后每平方米重量不到1.0 kg(包括树脂重量),粘贴一层的厚度仅为1.0 mm左右,加固修补后,基本不增加原结构自重及原构件尺寸,不会减少结构物的使用空间。2)高强高效。由于碳纤维布材料优异的物理力学性能,在加固修补混凝土中可以充分利用其高强度(抗拉强度一般在3 500 MPa以上,而钢材是250 MPa～550 MPa,混凝土为3.5 MPa～7 MPa)、高弹性模量的特点提高混凝土结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固的目的。3)便于施工。将碳纤维材料用于加固混凝土结构,施工简便,工效高,劳动力需用量少同时没有湿作业,在施工现场不需要大型施工机具。施工中不需要大量人力设备及大型机械。4)具有很好的耐腐蚀性能及耐久性能。粘贴碳纤维布加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀及耐久性,可以抵抗结构物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀。使用该种方法对结构进行处理后,不仅不需要如粘钢法所需要的定期防锈维护,节省了大笔维修费用,而且其本身更可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重目的。5)适用面广。粘贴碳纤维材料加固修补混凝土结构可广泛用于各种结构类型、各种结构形状中的各种部位,且不改变结构形状及不影响结构外观。6)施工质量易保证。由于碳纤维布是柔性的,即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100%的有效粘贴率。7)耐疲劳性能好。碳纤维布加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载,其强度及延性指标并没有显示出有所降低,而普通混凝土经过同样的疲劳循环荷载后,其强度和延性指标都会有不同程度的降低。因此,随着相关规范的颁布,加固技术的不断完善,碳纤维布作为一种新兴的加固材料,将在桥梁结构加固工程中迅速得到推广与应用。

3 增大截面法加固

3.1 新老混凝土的界面粘结问题

1)旧混凝土接触界面存在一个类似于整浇混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区,而过渡区本来就是一个薄弱环节。由于旧混凝土的亲水性,修补时会在旧混凝土表面形成水膜,使结合面处新混凝土局部水灰比高于体系水灰比,导致界面处钙矾石和氢氧化钙晶体数量增多,形态变大,形成择优取向,降低界面强度。且由于旧混凝土的阻碍,新混凝土中的泌水和气泡积聚在旧混凝土表面,不仅使得新混凝土局部水灰比更高,而且使得气孔和微裂缝在该区富集,显著降低界面粘结强度。这是物质结构化学方面的原因,是影响新旧混凝土结合本质的内因。2)界面处露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接触与整浇混凝土中骨料与水泥浆的界面接触有差别。我们知道水泥浆本身具有一定的粘结性,它主要用于包裹混凝土中的骨料,使之硬化成坚硬的水泥石。在新混凝土中的骨料经过充分搅拌、振捣被水泥浆包裹,而新旧混凝土界面处新混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面处,使骨料与界面凸出的石子、水泥石形成“点接触”,骨料堆积在旧混凝土表面,阻塞了一部分旧混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分,使具有粘结性的水泥浆不能完全渗入孔隙中,形成“缺浆”现象,界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石,而新混凝土失去一部分水泥浆,这样使得粘结界面处的新混凝土中出现空隙,影响了新旧混凝土粘结强度。3)新旧混凝土界面处的骨料和硬化水泥石形成一个“面”,像一块表面比较平坦的“大骨料”,而这块“大骨料”与整浇混凝土中的骨料相比不但体积大且只有一个“面”,并且这个“面”很平坦。修补材料与旧混凝土之间存在物理化学性质差异,由于冷热交替、冻融循环作用及新混凝土的收缩而在结合面处引起附加应力,诱发“先天”裂缝。从受力的角度看,在整浇混凝土中骨料体积小、多棱角、骨料表面粗糙,并且被水泥石分开,分布较“均匀”,而不像新老混凝土界面处相对集中,裂缝、缺陷产生的概率较大,再加上界面比较“平坦”不能使裂缝扩散“路径”曲折,消耗能量,所以一旦从这一区域引发了裂缝,裂缝尖端处应力集中,就会导致裂缝迅速开展和传播,新旧混凝土界面承载能力会进一步被削弱,最后导致界面处首先破坏,即破坏总是从最薄弱环节开始。以上几个因素综合起作用,这就是在相同受力条件下,新旧混凝土界面首先破坏的原因。加大截面加固法的最大问题就是使新旧部分混凝土整体工作,共同受力问题,而新、旧混凝土的结合面是加固结构受力时的薄弱环节。因此,从设计构造上配置足够的贯穿于结合面的剪切摩擦筋、锚固件或剪切件将两部分连接起来,是确保结合面能有效传力,并使新旧两部分混凝土整体工作的关键。

3.2 构造规定

1)新增混凝土层的最小厚度,对板不应小于40 mm;对梁、柱,采用人工浇筑时,不应小于60 mm,采用喷射混凝土施工时,不应小于50 mm。2)加固用的钢筋,应采用热轧钢筋。板的受力钢筋直径不应小于6 mm;梁的受力钢筋直径不应小于12 mm;柱的受力钢筋直径不应小于 14 mm;加锚式箍筋直径不应小于8 mm,U形箍筋直径应与原箍筋直径相同,分布筋直径应取6 mm。3)新增受力钢筋与原受力钢筋间的净距不应小于20 mm,并应采用短筋或箍筋与原钢筋焊接;其构造应符合下列要求:a.当新增受力钢筋与原受力钢筋采用短筋焊接时,短筋的直径不应小于 20 mm,长度不应小于5d,各短筋的中距不应大于500 mm。b.当用单侧或双侧加固时,应设置U形箍筋。U形箍筋应焊在原有箍筋上,单面焊缝长度为10d,双面焊接为5d(d为U形箍筋直径)。c.当用混凝土围套进行加固时,应设置加锚式箍筋。4)梁的新增纵向受力钢筋两端应可靠锚固;柱的新增纵向受力钢筋的下端应伸入基础并应满足锚固要求。

4 结语

除上述方法外,还有体外预应力加固、体系转换等方法,各个加固措施,针对不同病害及不同桥梁,都有一定特殊性,在选取加固方法时,应对桥梁做好良好的病害分析,从而能够科学、合理对其进行维修加固,从而使桥梁能继续为民众服务,节省国家资源。

[1] 姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 杜国华,毛昌时,司徒妙龄,等.桥梁结构分析[M].上海:同济大学出版社,1994.

[4] 郭泽刚.关于桥梁裂缝成因的探讨[J].山西建筑,2009,35(32):311-312.