PC變截面空心板橋不同病害的加固方法

鄭 海 程中杰

針對(duì)PC變截面空心板橋的不同病害,提出適合不同病害的加固方法,并對(duì)其設(shè)計(jì)、施工提出反饋性建議。

1 粘貼鋼板加固方法

長(zhǎng)期以來,由于運(yùn)營(yíng)中的橋梁隨著時(shí)間的推移,橋梁會(huì)逐漸陳舊老化,承載能力降低,特別由于設(shè)計(jì)施工等方面的缺陷,可能造成新建橋梁承載力和變形不符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。因此,橋梁加固工程在工程界受到廣泛重視。粘貼鋼板法作為橋梁加固的一種重要技術(shù)手段,近年來在橋梁加固工程中逐漸得到應(yīng)用。這一技術(shù)適用于多種橋梁結(jié)構(gòu)及不同的結(jié)構(gòu)部位。

1.1 粘貼鋼板法橋梁加固技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)

粘貼鋼板加固法作為應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的一種新的專用技術(shù)方法,它是針對(duì)粘鋼加固法而開發(fā)的可以替代粘鋼加固的新的工藝方法。它與粘鋼加固相同的原理是用鋼板代替鋼筋,將鋼板固定到混凝土的表面,使鋼板和混凝土構(gòu)件聯(lián)合受力,相當(dāng)于增加了混凝土構(gòu)件的配筋量,起到提高構(gòu)件承載力的效果。同時(shí),其還可以根據(jù)橋梁病害與缺陷所在部位,確定鋼板的規(guī)格和粘貼形式,將鋼板粘貼在被加固的橋梁結(jié)構(gòu)受力部位的外邊緣,以便充分發(fā)揮粘貼鋼板的作用,同時(shí)密封粘貼部位的裂縫和缺陷,約束構(gòu)件的變形,從而有效地提高了加固構(gòu)件的剛度和抗裂性,有效的發(fā)揮粘鋼構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗壓性能。

作為一種廣泛應(yīng)用的橋梁加固技術(shù)手段,其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:

1)相同條件下,采用錨貼鋼板加固更能有效提高梁的抗剪承載力,提高鋼板的強(qiáng)度利用率;2)錨貼鋼板加固梁的破壞屬于延性破壞,粘鋼加固梁的破壞屬于脆性破壞,說明錨鋼加固方法在提高梁承載力的同時(shí),改善了梁的延性,提高了構(gòu)件及整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo);3)錨貼鋼板加固法施工方便,施工質(zhì)量更容易得到保證;4)錨貼鋼板加固由于施工過程中在鋼板內(nèi)產(chǎn)生一定的預(yù)拉應(yīng)力,有利于提高被加固結(jié)構(gòu)抵抗重復(fù)荷載的作用。

1.2 粘貼鋼板法加固技術(shù)的一般設(shè)計(jì)要求

1)要提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力。一般應(yīng)在構(gòu)件的受拉區(qū)的表面粘貼鋼板,使鋼板與原結(jié)構(gòu)形成整體來受力。2)要加固和增加結(jié)構(gòu)的抗剪切強(qiáng)度。3)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要求。原有構(gòu)件承受恒載與活載,增加的鋼板承受原有構(gòu)件承受不了的那部分活載。4)構(gòu)造設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí),加固用的鋼板可按實(shí)際需要采用不同的形狀,但鋼板的厚度必須比計(jì)算出的厚度大些。5)鋼板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要求。應(yīng)將鋼板的兩端延伸到低應(yīng)力區(qū),以減少鋼板錨固端的粘結(jié)應(yīng)力集中,防止粘結(jié)部位構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或粘貼鋼板被拉脫現(xiàn)象的發(fā)生。6)充分考慮整體受力問題。在補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí),除應(yīng)考慮鋼板具有足夠的錨固長(zhǎng)度、粘結(jié)劑具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性外,為避免鋼板在自由端脫膠拉開,端部可用夾緊螺栓固定,或設(shè)置U形箍板、水平錨固板等,并在鋼板上按一定的距離用螺栓固定,確保鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力滿足強(qiáng)度的需要。

2 粘貼碳纖維加固方法

粘貼碳纖維加固方法的主要特點(diǎn)有:1)質(zhì)量輕而且薄。粘貼碳纖維布后每平方米重量不到1.0 kg(包括樹脂重量),粘貼一層的厚度僅為1.0 mm左右,加固修補(bǔ)后,基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸,不會(huì)減少結(jié)構(gòu)物的使用空間。2)高強(qiáng)高效。由于碳纖維布材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能,在加固修補(bǔ)混凝土中可以充分利用其高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度一般在3 500 MPa以上,而鋼材是250 MPa～550 MPa,混凝土為3.5 MPa～7 MPa)、高彈性模量的特點(diǎn)提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性,改善其受力性能,達(dá)到高效加固的目的。3)便于施工。將碳纖維材料用于加固混凝土結(jié)構(gòu),施工簡(jiǎn)便,工效高,勞動(dòng)力需用量少同時(shí)沒有濕作業(yè),在施工現(xiàn)場(chǎng)不需要大型施工機(jī)具。施工中不需要大量人力設(shè)備及大型機(jī)械。4)具有很好的耐腐蝕性能及耐久性能。粘貼碳纖維布加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕及耐久性,可以抵抗結(jié)構(gòu)物經(jīng)常遇到的各種酸、堿、鹽對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕。使用該種方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后,不僅不需要如粘鋼法所需要的定期防銹維護(hù),節(jié)省了大筆維修費(fèi)用,而且其本身更可以起到對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用,達(dá)到雙重目的。5)適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)可廣泛用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀中的各種部位,且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。6)施工質(zhì)量易保證。由于碳纖維布是柔性的,即使被加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整也基本可以達(dá)到100%的有效粘貼率。7)耐疲勞性能好。碳纖維布加固混凝土經(jīng)過一定次數(shù)的疲勞循環(huán)荷載,其強(qiáng)度及延性指標(biāo)并沒有顯示出有所降低,而普通混凝土經(jīng)過同樣的疲勞循環(huán)荷載后,其強(qiáng)度和延性指標(biāo)都會(huì)有不同程度的降低。因此,隨著相關(guān)規(guī)范的頒布,加固技術(shù)的不斷完善,碳纖維布作為一種新興的加固材料,將在橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中迅速得到推廣與應(yīng)用。

3 增大截面法加固

3.1 新老混凝土的界面粘結(jié)問題

1)舊混凝土接觸界面存在一個(gè)類似于整澆混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區(qū),而過渡區(qū)本來就是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。由于舊混凝土的親水性,修補(bǔ)時(shí)會(huì)在舊混凝土表面形成水膜,使結(jié)合面處新混凝土局部水灰比高于體系水灰比,導(dǎo)致界面處鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多,形態(tài)變大,形成擇優(yōu)取向,降低界面強(qiáng)度。且由于舊混凝土的阻礙,新混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面,不僅使得新混凝土局部水灰比更高,而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集,顯著降低界面粘結(jié)強(qiáng)度。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)方面的原因,是影響新舊混凝土結(jié)合本質(zhì)的內(nèi)因。2)界面處露出的石子、水泥石和新混凝土的界面接觸與整澆混凝土中骨料與水泥漿的界面接觸有差別。我們知道水泥漿本身具有一定的粘結(jié)性,它主要用于包裹混凝土中的骨料,使之硬化成堅(jiān)硬的水泥石。在新混凝土中的骨料經(jīng)過充分?jǐn)嚢琛⒄駬v被水泥漿包裹,而新舊混凝土界面處新混凝土中的骨料經(jīng)過振搗可能擠壓在界面處,使骨料與界面凸出的石子、水泥石形成“點(diǎn)接觸”,骨料堆積在舊混凝土表面,阻塞了一部分舊混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分,使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入孔隙中,形成“缺漿”現(xiàn)象,界面處水泥漿不能充分浸潤(rùn)骨料和水泥石,而新混凝土失去一部分水泥漿,這樣使得粘結(jié)界面處的新混凝土中出現(xiàn)空隙,影響了新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度。3)新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石形成一個(gè)“面”,像一塊表面比較平坦的“大骨料”,而這塊“大骨料”與整澆混凝土中的骨料相比不但體積大且只有一個(gè)“面”,并且這個(gè)“面”很平坦。修補(bǔ)材料與舊混凝土之間存在物理化學(xué)性質(zhì)差異,由于冷熱交替、凍融循環(huán)作用及新混凝土的收縮而在結(jié)合面處引起附加應(yīng)力,誘發(fā)“先天”裂縫。從受力的角度看,在整澆混凝土中骨料體積小、多棱角、骨料表面粗糙,并且被水泥石分開,分布較“均勻”,而不像新老混凝土界面處相對(duì)集中,裂縫、缺陷產(chǎn)生的概率較大,再加上界面比較“平坦”不能使裂縫擴(kuò)散“路徑”曲折,消耗能量,所以一旦從這一區(qū)域引發(fā)了裂縫,裂縫尖端處應(yīng)力集中,就會(huì)導(dǎo)致裂縫迅速開展和傳播,新舊混凝土界面承載能力會(huì)進(jìn)一步被削弱,最后導(dǎo)致界面處首先破壞,即破壞總是從最薄弱環(huán)節(jié)開始。以上幾個(gè)因素綜合起作用,這就是在相同受力條件下,新舊混凝土界面首先破壞的原因。加大截面加固法的最大問題就是使新舊部分混凝土整體工作,共同受力問題,而新、舊混凝土的結(jié)合面是加固結(jié)構(gòu)受力時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)。因此,從設(shè)計(jì)構(gòu)造上配置足夠的貫穿于結(jié)合面的剪切摩擦筋、錨固件或剪切件將兩部分連接起來,是確保結(jié)合面能有效傳力,并使新舊兩部分混凝土整體工作的關(guān)鍵。

3.2 構(gòu)造規(guī)定

1)新增混凝土層的最小厚度,對(duì)板不應(yīng)小于40 mm;對(duì)梁、柱,采用人工澆筑時(shí),不應(yīng)小于60 mm,采用噴射混凝土施工時(shí),不應(yīng)小于50 mm。2)加固用的鋼筋,應(yīng)采用熱軋鋼筋。板的受力鋼筋直徑不應(yīng)小于6 mm;梁的受力鋼筋直徑不應(yīng)小于12 mm;柱的受力鋼筋直徑不應(yīng)小于 14 mm;加錨式箍筋直徑不應(yīng)小于8 mm,U形箍筋直徑應(yīng)與原箍筋直徑相同,分布筋直徑應(yīng)取6 mm。3)新增受力鋼筋與原受力鋼筋間的凈距不應(yīng)小于20 mm,并應(yīng)采用短筋或箍筋與原鋼筋焊接;其構(gòu)造應(yīng)符合下列要求:a.當(dāng)新增受力鋼筋與原受力鋼筋采用短筋焊接時(shí),短筋的直徑不應(yīng)小于 20 mm,長(zhǎng)度不應(yīng)小于5d,各短筋的中距不應(yīng)大于500 mm。b.當(dāng)用單側(cè)或雙側(cè)加固時(shí),應(yīng)設(shè)置U形箍筋。U形箍筋應(yīng)焊在原有箍筋上,單面焊縫長(zhǎng)度為10d,雙面焊接為5d(d為U形箍筋直徑)。c.當(dāng)用混凝土圍套進(jìn)行加固時(shí),應(yīng)設(shè)置加錨式箍筋。4)梁的新增縱向受力鋼筋兩端應(yīng)可靠錨固;柱的新增縱向受力鋼筋的下端應(yīng)伸入基礎(chǔ)并應(yīng)滿足錨固要求。

4 結(jié)語(yǔ)

除上述方法外,還有體外預(yù)應(yīng)力加固、體系轉(zhuǎn)換等方法,各個(gè)加固措施,針對(duì)不同病害及不同橋梁,都有一定特殊性,在選取加固方法時(shí),應(yīng)對(duì)橋梁做好良好的病害分析,從而能夠科學(xué)、合理對(duì)其進(jìn)行維修加固,從而使橋梁能繼續(xù)為民眾服務(wù),節(jié)省國(guó)家資源。

[1] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 杜國(guó)華,毛昌時(shí),司徒妙齡,等.橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1994.

[4] 郭澤剛.關(guān)于橋梁裂縫成因的探討[J].山西建筑,2009,35(32):311-312.