鋼筋混凝土拱橋復(fù)合加固技術(shù)的研究與應(yīng)用

王維國

(威海市乳山公路管理局，山東威海 264000)

鋼筋混凝土拱橋復(fù)合加固技術(shù)的研究與應(yīng)用

王維國

(威海市乳山公路管理局，山東威海 264000)

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，托掛車、超重車及大型車輛逐年快速遞增，已對公路橋梁的安全造成了較大的影響。目前，我國地方公路橋梁多數(shù)運營20 a以上，有些甚至高達40～50 a，其承載力相遠遠不足以承載現(xiàn)有車輛壓力。為了滿足現(xiàn)代化交通運輸?shù)男枰瑫r夠達到充分利用現(xiàn)有橋梁，降低工程造價，節(jié)約資金的目的，采用先進的加固技術(shù)和改造措施對舊橋進行改造加固將直接促進我國交通事業(yè)的發(fā)展，更好服務(wù)于國民經(jīng)濟的發(fā)展。

鋼筋混凝土拱橋；復(fù)合加固技術(shù)；應(yīng)用

0 引言

為了滿足國民經(jīng)濟的發(fā)展的需要，我國在交通事業(yè)特別是公路橋梁體系的投入大幅度提升但依然不能完全滿足實際需求。同時，越來越多的重型運輸車輛不斷出現(xiàn)，這對于公路橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用強度等都提出了更為嚴格的要求。當(dāng)鋼筋混凝土橋梁破損后采用科學(xué)的加固技術(shù)進行加固或者對原有的橋梁部件進行修復(fù)將能提高局部或整座橋梁承載能力或通過能力。橋梁加固工作大多數(shù)情況下保留原有的建造結(jié)構(gòu)，施工方便，工期短，造價低，有效保障公路橋梁的安全暢通。

1 鋼筋混凝土拱橋主要病害形式

拱橋結(jié)構(gòu)的上部病害損傷主要分布在主拱圈、附拱圈、蓋梁、主梁、拱上立柱、支座及橋面系等部位。

1.1 拱橋徑向裂縫

拱橋徑向裂縫在主拱圈的拱腳及拱頂最常發(fā)生。拱腳附近的裂痕下面窄上面寬，從拱軸線中間從上往下裂開，通常垂直于拱軸線，這種裂縫是于負彎矩的問題產(chǎn)生的。拱圈背部設(shè)置有鋼筋時，數(shù)條近乎平行的裂痕會從拱圈腳部的截面上方同時出現(xiàn)，其中拱腳處的裂縫最寬，并向1/4跨的方向趨于減少。裂縫寬度要控制在0.25 mm以下，一旦超過這個標(biāo)準(zhǔn)就要及時進行加固或構(gòu)件更新處理。當(dāng)拱圈背部沒有設(shè)置鋼筋時，裂縫一旦產(chǎn)生，其雖然數(shù)量少但寬度會比較大，產(chǎn)生的影響也比較嚴重。拱頂附近的徑向裂縫是由于正彎矩而引起的，這種裂縫自下而上，下面比上面寬，嚴重時會造成整個拱頂坍塌。為了減少這種裂縫的產(chǎn)生，在建造之初就應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況采取預(yù)防措施，準(zhǔn)保工程質(zhì)量。在已經(jīng)建成并投入使用的拱橋中，一旦出現(xiàn)徑向裂縫，就要進行科學(xué)評估，以確保是否能夠繼續(xù)使用。拱頂和拱腳的裂縫達到截面的中性軸，該橋就已經(jīng)失去使用價值，需要重新建造；否則只需進行科學(xué)檢測分析并予以加固。徑向裂縫的主要形成原因：

(1)截面整體性差

在具體施工過程中，拱橋常采用預(yù)制裝配和化整為零的施工方法，并沒有依據(jù)設(shè)計時依據(jù)整體的組合截面來計算拱圈的方法，這降低了拱圈截面的整體性。即使是在整體性較好的拱橋中，拱頂、拱腳出現(xiàn)徑向裂縫也是常見現(xiàn)象，而截面整體性較差的橋梁就更容易產(chǎn)生裂縫。由于施工的誤差而建造的截面整體性較差的橋梁在投入實際使用的過程中，通行車輛反復(fù)的超負荷的運載，使得橋梁拱圈截面的整體性更差，加速了徑向裂縫的產(chǎn)生。

(2)受混凝土收縮、溫度變化和墩臺變位的影響

實際施工過程中有多方面的因素和設(shè)計時存在一定差距，如混凝土收縮、溫度變化和墩臺變位。在設(shè)計施工過程中應(yīng)足夠重視上述因素的影響，取值要合理，在低溫時以最快速度合攏，并嚴格依據(jù)正確的施工程序進行施工。考慮如果不充分，將可能造成拱頂下沉，拱腳負彎矩和拱頂正彎矩加大。拱橋產(chǎn)生裂縫、拱頂下沉又一個重要原因是橋臺水平位移，它可能致使橋梁生成多種極具破壞性的病害。所以在建造無鉸拱橋時建成一個牢固的橋臺是極其重要的。

1.2 拱橋的縱向裂縫

拱橋的縱向裂縫容易出現(xiàn)在拱圈寬度超過8 m的拱橋上。這種裂縫通常順著橋面中線附近順跨經(jīng)方向延伸，病害嚴重時可能會貫通整座橋梁，將橋在拱圈位置折斷。拱圈第二條縱向裂縫通常會出現(xiàn)在拱圈寬度超過20 m的拱橋上。拱橋的縱向裂縫產(chǎn)生的主要原因：

(1)拱圈截面設(shè)計的形式不合理，沒有充分考慮橋梁熱脹冷縮的需要；

(2)橫截面荷載力分布不均勻；(3)拱圈的砌筑質(zhì)量差。

1.3 與拱波結(jié)合面上的環(huán)向裂縫

只有雙曲拱橋中會產(chǎn)生拱波與拱肋結(jié)合面上的環(huán)向裂縫。環(huán)向裂縫的最大寬度往往產(chǎn)生在拱腳和拱頂處，從拱腳和拱頂向兩1/4跨裂縫逐漸減小直至消失。不同的原因會產(chǎn)生不同部位的環(huán)向裂縫。肋、波之間的抗剪能力很弱、拱腳剪力較大會引起拱腳附近的環(huán)向裂縫，由于拱肋受拉時產(chǎn)生了徑向拉力,而肋波間抗拉能很小會引起拱頂附近的環(huán)向裂縫。矩形拱肋的雙曲拱橋，在技術(shù)不成熟時，肋、波、板的結(jié)合不夠密切，加上工人在行走施工過程中破壞拱肋頂面的清潔，截面上實際抗拉和抗剪的能力都較小，所以這個結(jié)合面上非常容易產(chǎn)生環(huán)向裂縫。橋梁的承載能力在拱肋與拱波可能全部脫開時極大的降低，加劇了環(huán)向裂縫的產(chǎn)生。為了達到減少環(huán)向裂縫在產(chǎn)生的目的，后期采用了倒T形拱肋的雙曲拱橋，提高胃肋、波、板的結(jié)合度，注重橋臺穩(wěn)固，努力提高施工質(zhì)量。

2 鋼筋混凝土橋梁復(fù)合加固技術(shù)分析及應(yīng)用

2.1 鋼筋混凝土橋梁復(fù)合加固技術(shù)分析

采取何種維護加固方法取決于橋梁在病害特點及其嚴重程度以及病害產(chǎn)生在部位［1-4］。常見的加固方法有：

(1)粘貼鋼板法。粘貼鋼板加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方法始于20世紀(jì)60年代初的瑞士和德國，是在L.Hermite和Bresson工作的基礎(chǔ)上加以橋體主要構(gòu)件的抗、發(fā)展起來的。在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件表面粘貼環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠把鋼板，使橋體和粘貼的材料形成整體，使構(gòu)件的抗彎能力和抗剪能力得到提高，減少裂縫擴展。這種方法具有易于施工，粘鋼所占空間小，可保證橋梁凈空面積不減少，施工周期短，耗材少，設(shè)置靈活等顯著特點，還能在不影響或盡量少影響交通的情況下完成施工。梁式橋或梁、板構(gòu)件的補強加固的施工過程中常用到此法。

(2)粘貼高強纖維片材法。碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)這三種纖維是目前用于加固混凝土結(jié)構(gòu)的纖維材料。碳纖維材料因為有質(zhì)輕，高強、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異的物理力學(xué)特點，加上現(xiàn)場施工方便，越來越普遍地被應(yīng)用于橋梁工程補強加固中。為了實現(xiàn)對變形構(gòu)件的制約并提高構(gòu)件的承載能力和極限強度，在加固受損橋體構(gòu)件時，用粘結(jié)材料將碳纖維材料規(guī)則地分布在構(gòu)件表面。粘貼在混凝土梁的頂面或者是底板上，用以提高混凝土梁的截面強度和剛度，在橋梁加固實際運用中常使用的方法；還可以把碳纖維繞在節(jié)點部位來實現(xiàn)抗震設(shè)計和加固的需求。碳纖維雖然有很高的強度，但因為這種材料脆性大，不具有鋼筋的屈服特性，所以在設(shè)計的時候要避免使用到其破壞強度。

2.2 鋼筋混凝土橋梁復(fù)合加固技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 工程概況

某大橋，1994年9月動工，1996年4月建成并投入使用。橋長205.9 m，橋面寬26.6 m，雙幅分離式等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱肋拱橋，雙幅橋的墩臺和基礎(chǔ)一體，建于廣西桂林至北海高速公路路段，上下游幅分為為三個和兩個車道。該橋設(shè)按汽車超-20級，掛車- 120荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計；上游幅外側(cè)的一個車道按汽車-15級，掛車-80的地方車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。橋面凈寬：上游幅3×0.44 m(防撞墻)+10 m行車道+4.5 m地方道路行車道；下游幅2×0.44 m(防撞墻)+10 m行車道。橋梁上部構(gòu)造：2孔凈跨80 m雙幅式的等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱肋拱橋，拱軸系數(shù)為2.24；其中上游幅由于增加了一地方車道，故布置了三條肋；下游幅為雙肋；所有拱肋高1.5 m，寬2.4 m，均為單箱雙室截面；橫系梁設(shè)計成工字形斷面，所有混凝土按照C40的標(biāo)準(zhǔn)建造。

2.2.2 橋梁復(fù)合加固方案的提出

用壁可法封閉裂縫來進行對橋梁進行整體加固；對每個主拱圈的單箱雙室之間的接縫進行壓漿處理，實現(xiàn)主拱圈的加固，以加強結(jié)構(gòu)整體性；采用粘貼碳纖維布增大截面聯(lián)合加固法，實現(xiàn)拱腳部位的加固。由于主拱圈剛度偏低，擬加厚加固使拱肋提高截面剛度約10%，試算得拱肋加厚厚度為Ah=21.3 cm，為方便施工取Ah=25 cm；拱腳彎矩峰值擬降低約30%，增設(shè)每排立柱之間的斜撐及拱肋間橫系梁，按構(gòu)造要求設(shè)其尺寸為60 cm×60 cm。采用計算最大受力工況即掛120+恒載工況及粘貼鋼板一有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力復(fù)合加固法對蓋梁進行加固。在斜截面處應(yīng)用預(yù)應(yīng)力筋來抗剪實現(xiàn)加固。采取兩種方案。方案一：通過鉆孔方式將設(shè)置銷栓錨固裝置裝置在蓋梁正對立柱頂部；方案二：在蓋梁處自由端設(shè)置體外錨固裝置。加固使蓋梁斜截面抗剪承載力提高約15%～20%，計算得預(yù)應(yīng)力筋總面積(預(yù)應(yīng)力筋選取西10熱處理鋼筋)：方案一為Ap=8 007 mm2，取12根總面積以9 420 mm2采取雙側(cè)每側(cè)6根對稱布置；方案二取20根總面積Ap=15 700 mm2采取雙側(cè)每側(cè)10根對稱布置。張拉控制按F=0.55 ftyAy控制。粘貼鋼板選取厚度為6 mm的16錳鋼，以蓋梁跨中截面底部混凝土拉應(yīng)力處于極限狀態(tài)控制設(shè)計，計算得粘貼鋼板寬度為b=46.7 cm，取加固寬度b=80 cm與蓋梁寬度相同。

3 結(jié)語

隨著當(dāng)前國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路橋梁體系作為其核心組成部分，其投資比例越來越大。但同時日趨增多的重型運輸車輛對于公路橋梁的結(jié)構(gòu)性能和使用強度等都對公路橋梁體系提出了更加嚴格的要求。目前常用的加固技術(shù)在建筑工程中的研究與應(yīng)用已經(jīng)趨于完善，而針對公路橋梁進行復(fù)合和綜合應(yīng)用研究才剛剛興起。本文在公路橋梁常用加固技術(shù)對比研究的基礎(chǔ)上，針對鋼筋混凝土拱橋病害特點對一些復(fù)合(聯(lián)合)加固方法進行了嘗試性的研究和應(yīng)用探討。

［1］ 堪潤水,胡釗芳,帥長斌.公路舊橋加固技術(shù)與實例［M］.北京∶人民交通出版社,2012.

［2］ 周建廷.橋梁加固機理及加固準(zhǔn)則探討［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報, 2011(S1)∶26-28.

［3］ 交通部科學(xué)技術(shù)情報研究所.舊橋監(jiān)測、評價、加固技術(shù)應(yīng)用［M］.北京∶人民交通出版社,2009.

［4］ 劉來君,趙小星.橋梁加固設(shè)計與施工技術(shù)［M］.北京∶人民交通出版社,2014.

U445.7+2

B

1009-7716(2015)08-0053-02

2015-04-18

王維國(1969-)，男，山東榮成人，高級工程師，從事公路工程建設(shè)管理工作。