橋梁加固技術(shù)研究

吳金翔

隨著我國改革開放的深入進(jìn)行,國民經(jīng)濟快速發(fā)展,交通事業(yè)日新月異。早期建設(shè)的橋梁標(biāo)準(zhǔn)低,承載力不足,逐步阻礙交通暢通。特別是大型、重型車與日俱增,致使公路交通安全和暢通受到嚴(yán)重影響。面對數(shù)量如此龐大的舊橋、危橋,如全部推倒重建,既不科學(xué),更不現(xiàn)實。面對日益艱巨的公路鋼筋混凝土危舊橋梁改造任務(wù),急需找到一種快速、有效、可靠的加固維修方法。

我國目前對舊橋加固技術(shù)進(jìn)行研究,總的看來從加固原理和適用特點上可分為3類:1)改變原結(jié)構(gòu)的受力體系,使原結(jié)構(gòu)受力減小;2)擴大和增加原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面,以提高原結(jié)構(gòu)的強度和剛度;3)以新的結(jié)構(gòu)代替原抗力不足的結(jié)構(gòu)。隨著荷載等級的不斷提高,橋梁工程逐漸向輕型、大跨度方向發(fā)展,現(xiàn)有加固技術(shù)可能在很大程度上受到限制,因此,有必要研究碳纖維材料、體外預(yù)應(yīng)力等新型加固技術(shù)在舊橋改造中的應(yīng)用。

1 碳纖維加固特點及加固技術(shù)要點

1.1 碳纖維加固技術(shù)的特點

1)材料力學(xué)性能好,碳纖維材料抗拉強度為普通鋼材的10倍以上,彈性模量與鋼相近,重量輕,在對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補強過程中可以充分利用其高強度、高模量的特點來提高結(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。作為一種復(fù)合材料,碳纖維抗腐蝕性能及耐久性能穩(wěn)定,不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐腐蝕性及耐久性;2)碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄,單位體積重量僅為鋼材的1/4左右。經(jīng)加固修補后的構(gòu)件,基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重、尺寸和改變截面外形,也就不會減少建筑物的使用空間,幾乎不會改變橋下的凈空高度,這一優(yōu)點更是傳統(tǒng)補強方式所無法比擬的;3)具有良好的適應(yīng)性,由于碳纖維布是一種柔性材料,而且可以任意地裁減,對圓形、曲面的結(jié)構(gòu)也可采用此種方法。尤其是布狀片材可以適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)的外形進(jìn)行粘貼和裹纏,成型很方便,所以這種加固技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)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;4)加固施工極為便捷,由于其自重較輕,可操作性強,操作空間要求較寬松,沒有濕作業(yè),不需要大型的施工機械,施工占地較少,施工時對環(huán)境的影響較小,工效高。尤其對于箱梁構(gòu)造而言,當(dāng)箱梁內(nèi)部的作業(yè)空間受到限制時,其可操作性很好,既可以節(jié)省龐大的支架費用,也具有一定的安全性和隱蔽性。

1.2 碳纖維加固技術(shù)要點

1)碳纖維加固施工中基層的處理質(zhì)量至關(guān)重要。基層是否清潔,表面有無浮渣,表層是否平整,都將直接影響粘結(jié)質(zhì)量。在對構(gòu)件表面進(jìn)行打磨之前,需要消除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土,露出混凝土結(jié)構(gòu)層,并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整。有裂縫的,需對裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理;被粘貼的混凝土表面應(yīng)打磨平整,除去皮層浮漿、油污等雜質(zhì),直至完全露出新面;

2)粘貼碳纖維時,滾壓的密實度對粘結(jié)性能也有較大影響。粘貼操作應(yīng)按如下步驟進(jìn)行:裁剪碳纖維布→配制浸漬樹脂并均勻涂抹于所要粘貼的部位→用特制的滾筒沿纖維方向滾壓→多層粘貼重復(fù)上述步驟→最后一層碳纖維布表面均勻涂抹浸漬樹脂。在該過程中,應(yīng)反復(fù)多次滾壓,盡量排除氣泡,以免影響粘結(jié)質(zhì)量;

3)環(huán)境的溫度和濕度對粘結(jié)質(zhì)量也有影響。溫度過低或過高,濕度過大也會影響粘結(jié)質(zhì)量。當(dāng)環(huán)境溫度大于60℃時,應(yīng)采取隔熱措施加以防護(hù);當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時,應(yīng)停止施工,否則樹脂的固化及最終強度都會受到影響。

2 體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)及施工要點

2.1 體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一,近年來成為預(yù)應(yīng)力技術(shù)的熱點。采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點:1)預(yù)應(yīng)力布置簡單,可以調(diào)整,簡化了后張的操作程序;2)對橋梁加固施工過程中,可以不封閉交通;3)增加恒重不多,可以能動地調(diào)節(jié)原結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力狀態(tài),達(dá)到有效加固的目的;4)能夠較大幅度地提高舊橋的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度,能夠有效的控制原結(jié)構(gòu)的裂縫和撓度,使裂縫部分或全部閉合,使撓度大幅度減小;5)對原橋的結(jié)構(gòu)損傷很小,可以做到不影響橋下凈空;6)維護(hù)修補方便,可以隨時更換預(yù)應(yīng)力筋。

2.2 體外預(yù)應(yīng)力加固施工要點

2.2.1 上錨固點設(shè)置

對于上錨固點設(shè)在梁頂及梁端頂面的情況,需要按設(shè)計的斜筋穿出位置,在橋面板或梁頂面鑿穿兩個具有與斜筋角度相同的斜孔。首先應(yīng)把橋面鋪裝層鑿去,將梁頂面混凝土保護(hù)層鑿去,露出鋼筋,再將錨固墊板處的混凝土進(jìn)行細(xì)鑿。為了鑿好斜孔,應(yīng)按斜孔的設(shè)計角度做一個鑿孔架,將鑿巖機的鉆桿放入鑿孔架的槽內(nèi),使鉆頭中心對準(zhǔn)理論錨固點,然后再進(jìn)行鑿孔。上錨固孔鑿?fù)曛髴?yīng)將梁頂面混凝土清理干凈,除去混凝土碎渣。先在開鑿后的混凝土表面涂一層環(huán)氧膠液,再用環(huán)氧水泥砂漿鋪平。最后將上錨固設(shè)在梁頂時,應(yīng)保證錨墊板的上表面與梁頂面平齊,或略低一點,以確保錨固點上有盡可能厚的混凝土保護(hù)層。

2.2.2 轉(zhuǎn)向裝置

轉(zhuǎn)向裝置是實現(xiàn)體外索加固的重要構(gòu)件,其傳載方式和自身性能也是影響預(yù)應(yīng)力施加效果的關(guān)鍵。如果轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計不合理或構(gòu)造措施不當(dāng),預(yù)應(yīng)力鋼材容易產(chǎn)生局部硬化和摩阻損失過大。轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計要求預(yù)應(yīng)力筋在折角點的位置必須高度準(zhǔn)確,避免產(chǎn)生附加應(yīng)力,轉(zhuǎn)向裝置在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)也不應(yīng)對預(yù)應(yīng)力鋼材有任何損害,FIP標(biāo)準(zhǔn)和歐洲體外預(yù)應(yīng)力規(guī)范均對轉(zhuǎn)向塊內(nèi)預(yù)埋管道所需的最小彎曲半徑作了規(guī)定。轉(zhuǎn)向塊的功能是傳遞體外束產(chǎn)生的水平和垂直橫向力。體外束通過折角點產(chǎn)生集中荷載,這個荷載應(yīng)能通過轉(zhuǎn)向塊安全地傳遞至混凝土結(jié)構(gòu)。為此對于轉(zhuǎn)向塊的構(gòu)造細(xì)節(jié)必須給予足夠的注意。

2.2.3 預(yù)應(yīng)力筋的安裝和張拉

在安裝預(yù)應(yīng)力筋前應(yīng)該先檢查各種錨具是否能正常工作,特別是粗鋼筋的螺桿和螺母的匹配情況,應(yīng)逐個試擰,每個絲頭均應(yīng)達(dá)到在不加力的情況下用手?jǐn)Q動,就可將螺母擰至全程。

對于水平筋和斜筋分別采用兩根粗鋼筋或斜桿為型鋼的情況,應(yīng)先將斜筋與水平滑塊固定在一起,并將斜筋的上錨固點固定。用臨時支架將滑塊定位在其墊板的位置上,然后再穿入水平筋。穿筋時應(yīng)保證水平筋的兩端均有相等的絲頭長度,檢查滑塊位置并預(yù)留滑移量。上緊兩水平筋的螺母,且應(yīng)保證水平筋的中心與滑塊錨孔對中,以防止在張拉錨固時擰緊螺母困難。對于橫向收緊水平筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的體系,首先按斜筋的斜度要求將斜桿焊接在梁端的U形錨固板上,采用夾桿焊將水平筋焊在斜筋上。為了減少垂度,每隔2 m～2.5 m用木塊將水平拉桿墊起,然后安裝鎖緊裝置。先安放彎起點處的立柱,再按設(shè)計位置安裝撐棍和收緊器,以備張拉。

2.2.4 防腐處理

體外索加固體系中的主要鐵件如水平筋、斜筋、鋼絲束(繩)、滑塊、墊板及固定支座等均應(yīng)進(jìn)行防腐處理。體外筋是加固體系的主要受力構(gòu)件,它通過錨具將預(yù)加力傳遞給主體結(jié)構(gòu),通過轉(zhuǎn)向裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,它的耐久性決定結(jié)構(gòu)的耐久性,所以有必要采取防護(hù)措施來保護(hù)體外預(yù)應(yīng)力筋、錨具和轉(zhuǎn)向裝置。

目前體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐主要采取以下幾種方式:1)裸露預(yù)應(yīng)力筋鍍鋅和涂環(huán)氧樹脂防腐;2)套管加填充材料防腐:在索的外面加套管,待預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后,在套管內(nèi)灌注填充材料;3)采用單股無粘結(jié)鋼絞線:單股無粘結(jié)鋼絞線是將鋼絞線擠入PE套管并內(nèi)充油脂而成,它自身具有防護(hù)系統(tǒng);4)采用新材料(FRP)作為體外索:FRP筋具有高強輕質(zhì)、耐腐蝕、耐高溫、耐疲勞、應(yīng)力松弛低等特點,用這種材料作為體外索,雖然成本較高,但是后期維護(hù)費用低。還可以避免由應(yīng)力腐蝕、氫脆或疲勞腐蝕等引起的脆性破壞。

3 結(jié)語

橋梁加固是隨著日益增長的交通運輸業(yè)而產(chǎn)生并隨其發(fā)展的新課題,它很好地處理了新工程與舊工程的銜接,是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)保障。因此,橋梁加固技術(shù)的發(fā)展意義相當(dāng)重大。同時,各種新型材料,新方法的運用,使得橋梁加固的對象更廣,施工更方便快捷,效果更明顯,并推動著橋梁加固技術(shù)的不斷成熟和完善。

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