植筋與特殊鋼筋在橋梁維修加固中的運用探析

張 花

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

0 引言

植筋技術又稱為種筋，是利用鋼筋后錨固和結構膠聯合作用的連接技術，對于需要加固和改造主體結構的橋梁工程項目，可以在混凝土、墻體及巖石等結構上鉆孔，注入高強度特種植筋專用膠，再植入鋼筋，植筋膠凝固后即和植入鋼筋結合為一體，在錨固技術和高強度種植專用膠的作用下，使橋體在受壓、受拉和受剪等多種情況下均可以達到設計強度。除此之外，對于橋梁施工中鋼筋布筋的錯誤，如數量不足，型號不對，位置偏移等，可以通過植筋達到補救和修正的作用。而在橋梁改造領域，植筋技術運用也日益廣泛，在這一技術的支撐下，可以對橋梁的結構進行調整，包括橋梁構件梁板柱等結構的擴大，城市跨線橋改造中結構的頂升作業，以及植入鋼筋增強原有橋體強度或改善其力學性能等。

與植筋技術同步發展的則是特殊鋼筋，特殊鋼筋不同于常規碳素鋼型號上的差異，而是通過物理化學手段，使其在力學性能，防腐性、耐久性等許多方面出現突破性提升的變化，若將其與植筋技術相結合，則可以大大改善既有橋梁的力學性能，提升其使用壽命和力學指標，關于植筋技術與特殊鋼筋在現代橋梁中的運用，可以從以下幾個方面進行分析。

1 植筋技術的運用

1.1 植筋技術適用范圍

“植筋技術適用于鋼筋混凝土結構構件的錨固，不適用于素混凝土構件，包括縱向受力鋼筋配筋率低于最小配筋百分率規定的構件錨固”［1］。素混凝土構件及低配筋率構件的植筋應按錨栓進行設計計算。這主要因為此項技術主要用于連接原結構構件與新增構件，只有當原構件混凝土具有正常的配筋率和足夠的箍筋時，這種連接才是有效而可靠的。與此同時，為了確保這種連接承載的安全性，還必須按充分利用鋼筋強度和延性的破壞模式進行計算。

1.2 植筋技術的技術要求

采用植筋技術時，原橋體構件的混凝土強度等級直接影響植筋與混凝土的粘結性能，特別是懸挑結構、構件更為敏感。為此要求，當新增構件為懸挑結構構件時，其原構件混凝土強度等級不得低于C25;當新增構件為其他結構構件時，其原構件混凝土強度等級不得低于C20。

橋梁中承重構件植筋部位的混凝土應堅實、無局部缺陷，且配有適量鋼筋和箍筋，才能使植筋正常受力。因此，不允許有局部缺陷存在于錨固部位;即使處于錨固部位以外，也應先進行補強或加固處理后加固后再植筋，以保證安全和質量。

種植用的鋼筋，應采用質量和規格符合規定的帶肋鋼筋。國內外試驗表明，帶肋鋼筋相對肋面積A的不同，對植筋的承載力有一定影響。其影響范圍大致在0.9～1.16之間。當0.05＜A＜0.08時，對植筋承載力起提高作用;當A＞0.08時起降低作用。因此，要求相對肋面積應在0.055～0.065之間。而國外有些標準對A的要求較寬，允許0.05≤A≤0.1的帶肋鋼筋為合格品。這樣對植筋的安全質量有影響，故要求采用進口的帶肋鋼筋時，應檢查此項目。

1.3 植筋技術的構造要求

當按構造要求植筋時，其最小錨固長度應符合下列構造要求:受拉鋼筋錨固為0.3l，10d和100 mm三者之間的最大值。其中l為植筋基本錨固深度，按混凝土結構加固設計規范確定。對于受壓構件，則應該取0.6l，10d和100 mm三者之間的最大值。對于懸挑結構，還應乘以系數1.5。

“當所植鋼筋與原鋼筋搭接時，其植筋錨固深度設計值應根據位于同一連接區段內的鋼筋搭接接頭面積百分率”［2］，并按照下列公式確定:

其中，ζ為受拉鋼筋搭接長度修正系數，其取值如表1所示;Le為受拉搭接長度;Ld為植筋錨固深度設計值。

表1 縱向受拉鋼筋搭接長度修正系數表

當植筋搭接部位的箍筋間距不符合以上規定時，應進行防劈裂加固，此時，可采用纖維織物復合材的圍束作為原構件的附加箍筋進行加固。圍束可采用寬度為150 mm，厚度不小于0.111 mm的條帶纏繞而成。纏繞時圍束應無間隔，且每一圍束，其所粘貼的條帶不應少于3層。對方形截面尚應打磨棱角。若采用纖維織物復合材的圍束有困難，也可剔除原構件混凝土保護層，增設新箍筋進行加密后再植筋。

“新增鋼筋與原有鋼筋在搭接部位的凈間距應符合規范要求，若凈間距超過4d，則搭接長度應增加2d，但凈間距不得大于6d。用于植筋的鋼筋混凝土構件”［3］，其最小厚度應符合下列規定:

其中，D為鉆孔直徑，按表2確定。

表2 植筋直徑與對應的鉆孔直徑設計值 mm

2 特殊鋼筋與植筋技術的整合運用

特殊鋼筋包含的種類十分豐富，從20世紀70年代起美國FHWA(聯邦公路管理局)就開始在鋼筋表面利用靜電技術噴涂環氧樹脂粉末絕緣層，通過絕緣層將鋼筋與腐蝕介質的接觸來防止橋面板鋼筋被腐蝕。這種方法在實踐中表現出了十分突出的效果，采用環氧涂層鋼筋的工程使用壽命可普遍延長20年左右。在美國之后，特殊鋼筋開始在工程建設領域廣泛使用。

植筋技術的關鍵點包括被植入體(各種構件)，特種植筋膠和鋼筋三類，被植入體可變性小，特種植筋膠在植筋結構中僅承擔閉合和承擔部分力矩的作用，可變性較大且作為植筋結構核心構件的，便是植入的鋼筋。植入鋼筋的性能直接決定了植筋的效果，對結構加固或是建筑工程改造也起到關鍵作用，因而植筋技術與特殊鋼筋配合使用自然受到高度的重視，也是目前植筋技術發展的重要方向。

目前的植筋技術中，一般采用普通鋼筋、帶肋鋼筋或是帶螺絲端桿鋼筋、螺栓式錨筋等，在植筋膠的配合下與原結構有比較穩定的連接性能，然而要取得更加優異的性能，同時擴大植筋技術的適用范圍，將維修改造的范圍與程度大大提升，則必須需要采用性能更加優異的特殊鋼筋，FRP筋是目前研究成果最為突出的一類。

FRP筋集合了眾多特殊鋼筋的性能優勢，與普通鋼筋有本質上的區別，它由直徑5 mm～20 mm的高性能纖維，聚酯，環氧等組成。纖維約占據FRP筋成分的60%，直接決定FRP筋的各種力學性能。FRP筋重量約為普通鋼筋的20%，而強度則高達普通鋼筋的6倍，同時具有良好的耐腐蝕和抗疲勞特點，這些特點利用植筋技術，可以對老化結構進行加固改造以及維修升級，可大大降低建筑與維護成本。利用FRP對橋梁進行植筋被稱為CFRP技術，近年來在大型跨海橋梁的加固和修補中得到了廣泛的推廣。CFRP法充分利用了碳纖維增強塑料良好的力學性能和“高強度輕質量”的特點，通常與樹脂類粘貼和嵌縫材料配合使用，構成復合材料，通過植筋技術植入橋體構件中，對橋體有著良好的加固和提升力學性能的效果。以四川遂寧市某跨江大橋的加固改造為例，該橋體施工年代較早，跨度為2500 km，為多拱結構，利用植筋技術，成功地進行了改造，大大降低了費用。在施工中，對于拱肋在其上下部分別植入底板加強筋和襯拱，變雙曲拱肋截面為箱形截面;對于拱肋腹面則植入FRP筋，在不增加橋體自身重量的情況下顯著提升橋體承載力;拱肋腹面植筋外部以鋼絲網外加噴射水泥進行固定，并澆筑鋼筋混凝土拱圈，以φ12牽釘與原拱圈進行錨固(見圖1)。

圖1 拱肋加強示意圖

3 結語

現代橋梁發展數十年來，許多大型橋梁和早期橋梁進入維修改造期。植筋技術和特殊鋼筋的出現對包括維修、加固和改造在內的許多工程活動具有巨大推動意義，雖然目前我國在這一領域還處于起步階段，但只要積極探索，同時總結西方國家的既有經驗，我國作為土木工程大國，一定可以在植筋與特殊鋼筋領域取得更加輝煌的成就。

［1］周錫全.工程結構可靠性鑒定與加固［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］葉列平.FRP加固混凝土梁受彎剝離破壞的有限元參數分析［M］.武漢:華中科技大學出版社，2009.

［3］王文煒.FRP加固混凝土技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［4］丁紹祥.混凝土結構加固工程技術手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.