舊橋結構加固關鍵技術與工藝探討

李 良 杰

(武漢輕工大學土建學院土木工程系，湖北 武漢 430023)

伴隨著公路運輸業的迅速發展，我國公路交通量和車輛荷載大幅增加，舊橋發生老化、損壞現象，承載能力明顯下降，危橋數量逐年增多。這些橋梁由于當初設計等級不高、運營年限較長，部分梁體破損嚴重。而選取合適的補強方案和路面拓寬方案，能夠還原與提升結構的承重能力和交通通行流暢，提高結構的服役年限。舊橋加固技術可以避免新修帶來的巨額投資，還可以收到良好的社會經濟效益；對原有的舊結構補強和改造，能夠有效地避免安全問題帶來的危險，同時是能夠提高結構承載能力和服務水平的有效方法。引進和開發舊橋加固、改造的先進技術、材料和設備，合理確定加固、改造方案是確保橋梁健康運營的重要途徑。

1 加固方案設計

本文依據對四川省成都市立交橋的檢測和靜載試驗結果的分析，對實際工程舊立交橋加固方案設計和方案進行了評估，綜合考慮各種因素，工程采用粘貼鋼板法對舊橋主梁進行補強。

1.1 加固設計依據和原則

立交橋加固方案主要依據：

1)《公路橋梁設計通用規范》；2)《公路橋涵施工技術規范》；3)《混凝土結構加固技術規范》。

立交橋加固設計目的在于恢復設計通行能力，所以加固后荷載等級標準按現行公路二級進行加固設計。

橋梁的加固維修原則：

1)維修補強方案和施工應本著并充分利用原有結構條件，盡量避免對原來結構的損傷原則，應該充分確保原來工程的余留構件的安全性與耐久性。2)橋梁經補強加固施工后，其結構性能、承載能力及耐久性等必須滿足設計和使用的需求。

1.2 橋梁結構常用補強方案

由于舊橋主梁梁體日積月累，多處嚴重破損，截面承載能力嚴重下降，不能滿足現實的需求。通常，工程上采用增加截面的慣性矩來提高截面的承載能力。但是這種方法在技術或經濟上不夠合理，則可改變結構體系或者增強主梁間的橫向聯系，以減少主梁中的內力，也可施加體外預應力或采用其他有效的加固方法。

提高主梁截面的承載能力，加固辦法通常有兩大種類的方案：一是通過增設體外受拉鋼筋或者增大主梁截面慣性矩，提高主梁承重能力；二是選用粘貼高強材料加固技術，也就是在混凝土受張力部位粘貼鋼板、鋼筋或碳纖維，提高主梁截面的抗彎、抗剪應力的能力。本次加固設計對粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法和加大截面加固法這三種常用的加固方法進行了分析。

1.2.1粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板是粘貼加固中比較常見使用的一種方法，選用粘結劑主要是環氧樹脂類制劑，選取來粘貼的加固材料應具備良好的抗拉性能，主要有三種材料：碳纖維布、鋼板、鋼筋。為了有效提升梁體的抗彎剛度，通常我們把這些增強材料布置在梁體的受拉區域，鋼板粘貼在梁體的側面和腹板處，方向為主拉應力線上，此方法能夠降低結構的開裂破壞程度，提升梁體的抵抗彎矩和剪力破壞的能力。近些年來粘貼鋼板加固法在結構補強維修工作中被社會最為廣泛的采用。

1.2.2粘貼高強纖維加固法

碳纖維為高強纖維，其比強度極高，利用環氧樹脂結合成一體后，在纖維方向上具有很高的抗拉強度，抗腐蝕性能也好，與此同時具備良好的抗疲勞、抗老化能力。碳纖維在加固補強工作中被采用于增加抗拉應力能力，通常布置在梁體的受拉區域。粘貼纖維材料加固的方法近年來使用較廣。

1.2.3加大截面法

由于對截面的增加區域存在差異，擴大截面法既可以從梁板結構的上部加強，也可以從梁體的下部分加強。

1)從梁體結構的上部分加固。

可將梁橋原橋面鋪裝和三角墊層上傳力結構改為受力結構。在橋面板上澆筑新的混凝土，使其與原T梁形成組合截面，增大主梁抗彎剛度。采用從梁板結構的上部加大截面(加厚橋面板)的加固方法。

2)從梁板結構的下部加強。

從梁板結構的下部加強，也是常用的加固方法之一。此法是在梁體的下部分增設鋼板鋼筋，用來提升結構的抗彎剛度，其中補強用的鋼筋綁置在主筋上。

1.3 “T梁”加固方案選擇

結構的加固設計，當有多個補強設計方案進行比較對比時，應該服從如下原則：1)計算分析校核應簡單、施工方案合理易操作、技術路線務必成熟易復制。2)施工過程中粉塵、噪聲、建筑垃圾等對周圍的影響要小。3)施工要因地制宜易于操作、工藝要成熟、質量和工期要易于控制。4)施工的同時，要確保人身安全、行車安全和結構安全。5)工程造價應合理。6)加固后的結構耐久性要好，后期維護保養的費用要低，便于管理。

同時在比選過程中要滿足下列要求：1)各加固設計方案應進行同等深度的比選。2)針對以上比選原則，應列表進行綜合比選。

立交橋上部結構為T梁，經過多年運營，多處出現了病害：橫隔板焊接鋼板開裂、腹板端部剪切裂縫。梁腹板端部剪切裂縫是由于其抗剪強度不足引起，可采用加大截面、粘貼鋼板等方法加固。加大截面需要植筋、綁扎鋼筋網、澆筑混凝土，由于操作空間小，混凝土很難澆筑密實，加固效果不好，一般采用粘貼鋼板加固。

由于荷載標準增大或超載引起的橫隔板焊接鋼板開裂，橫隔板承擔的橫向彎矩超過其抗彎強度，出現連接鋼板焊縫開裂。連接鋼板焊縫開裂后，不再能承擔橫向彎矩，橫向彎矩轉由橋面板承擔，因橋面板有效高度比橫隔板小很多，必然出現橋面板縱向開裂的單板受力現象，此時橋梁的橫向分布系數m=0.5，T梁內力增加很多，從而易產生單板破壞，容易導致橋梁坍塌的重大事故。

橫隔板補強主要有加大截面、粘貼鋼板、體外預應力等方法。加大截面需要鑿除原橫隔板混凝土，露出鋼筋，將鋼筋焊接并增加鋼筋網后，澆筑混凝土，鑿除原橫隔板混凝土使T梁間橫向聯系完全解除，這需要封閉交通施工，橋下澆筑混凝土操作空間小，橫隔板頂部混凝土難以澆筑密實。而體外預應力加固是在T梁腹板下部鉆孔，安裝預應力束，由于T梁下部鋼筋布置密集，鉆孔難以避免破壞鋼筋，且鉆孔不可能對中在一條直線上，這樣就造成預應力鋼束局部彎曲，易出現疲勞斷裂等病害。而粘貼鋼板工藝成熟，可在確保通行條件下施工，所以方案選用粘貼鋼板法。

2 立交橋加固方案

針對橋梁主要病害，立交橋的加固方案如下：

1)立交橋上部結構為T梁，經過多年運營，出現了腹板端部剪切裂縫、橫隔板焊接鋼板開裂等病害，設計對腹板端部和橫隔板部分進行了粘貼鋼板加固補強，提高橫向整體性。

2)對橋梁進行了兩側加寬，提高了其承載能力和通行能力。

3)鑿除原有所有的橋面鋪裝，重新澆筑混凝土橋面鋪裝，更換伸縮縫。

4)對主梁肋板裂縫采用灌漿法或環氧膠泥進行封閉。

5)原護欄予以拆除，改為墻式防撞護欄。

6)對主梁、蓋梁外露銹蝕鋼筋、脫落混凝土及其他部位混凝土缺損，采用丙乳砂漿進行填充。

3 粘貼加固施工

3.1 粘貼鋼板加固工藝

粘貼鋼板法采用環氧樹脂粘結劑先涂在鋼板上，然后將其壓貼于破損處的裂縫位置上的方法。

施工工藝流程：施工準備→混凝土基面處理→植錨固螺栓→鋼板下料、粘貼面處理→配膠、涂膠→鋼板粘結→施壓固定→表面防腐防潮處置→養護。

1)粘貼增強材料處的混凝土表面處理。

根據設計圖紙，在粘鋼加固補強區表面放出鋼板位置大樣，使梁體粗骨料外露，用角磨機安裝金剛石圓鋸片打磨去除粘貼區域表面6 mm左右厚的表層，并形成平整的粗糙面，對混凝土缺陷部位用DSJ修補膠進行事先修補，固化后再磨平。最后用壓縮空氣吹凈表面粉塵，采用工業酒精擦拭表面，保持干凈。還應對所使用的鋼材、配套粘接劑、施工機具進行檢查，做好施工準備工作。

2)植埋螺桿。

按設計要求，在粘貼區域沿粘貼鋼板長度方向以不大于30 cm布置孔位，避開主裂縫，鉆孔植埋M12膨脹螺栓，保證螺栓離粘貼鋼板區域在7 cm左右。當螺栓孔的位置與板內鋼筋交叉時，孔位可以沿軸線方向移動，移動范圍不大于4 cm。盲孔直徑為16 mm左右，孔深度為60 mm。對于施工前預制的盲孔采用壓縮空氣將孔底向孔外排出孔內的浮塵，采用無水酒精清洗盲孔，晾干后向盲孔內注入60%孔深的環氧類結構膠，將螺桿緩慢轉動插入，然后立即填充樹脂結構膠，使孔洞被填充滿。

3)鋼板構件制備和處理。

對A3鋼板構件進行一次切割成型。由于在施工過程中，材料受高溫變形，可采用局部降溫措施，仍有變形的局部采用人工整平。在螺桿埋設處粘貼鋼板并且放樣鉆孔，接著利用角磨機對鋼板的粘貼面進行去銹和打磨操作，打磨至出現金屬光澤，打磨過程中，其方向必須與鋼板受力方向保持90°，打磨完畢后采用工業酒精將鋼板粘貼面清理干凈。如果長時間不用，可在鋼板表面涂一層環氧基液防銹。

4)配制結構膠。

根據材料使用說明，按比例制備粘鋼膠，力學性能參數如表1所示。

表1 粘接膠性能參數

5)粘貼鋼板、加壓固定。

先用工業酒精清洗處理粘貼區域混凝土表面和鋼板粘貼面，然后再在鋼板粘貼表面均勻涂抹一層中間厚兩邊薄的5 mm左右的厚度結構膠，膠的剪切強度應大于混凝土的剪切強度且大于4 MPa，當埋植螺桿的張力達到設計強度的75%左右的時候，將鋼板貼合上，加墊片，緊固螺母，交替擰緊各加壓螺桿，使多余的結構膠沿板縫及螺栓孔擠出，達到密貼程度。同時及時檢查鋼板下結構膠的飽滿性。如果某些部位出現了膠液不足的情況，必須立即松開螺母，把膠液從鋼板側面填充入空隙處，始終保證鋼板平整密貼。螺栓擰緊次序應按由內向外、由中間向兩邊的原則進行。

6)粘貼效果檢驗。

粘貼施工完成1 d左右，采用小錘輕敲鋼板粘貼部位，從音響判斷粘貼效果，如果發現粘貼錨固區有效粘貼面積小于應粘貼面的90%，非粘貼錨固區有效粘貼面積小于70%，則粘貼效果判定為無效，若發現空鼓量大或較為密集，則應鏟除再重新粘貼。

7)局部防腐防潮處置。

粘貼施工完畢后，采用無水酒精清洗干凈，同時用角磨機打磨掉遺漏在鋼板表面的膠液，接著用鋼絲刷清理鋼板表面污漬和銹跡，最后反復涂刷防銹漆。使用水泥和107膠混合劑涂抹在補強鋼板表面上。

8)養護、固化。

在常溫下進行養護、固化，當環境溫度保持在10 ℃以上時，24 h后達到一定強度，72 h后可投入使用。

3.2 加固質量控制要點

質量控制應當重點控制的幾個方面：鋼板粘貼面打磨無銹蝕，混凝土表面鑿毛并清洗干凈，粘貼面不小于98%，螺栓埋入深度適宜。

1)現場使用的鋼材、混凝土和砂漿性能，應按工程項目取樣檢驗，試驗報告資料應齊全，材料性能應滿足《公路橋涵施工技術規范》和《公路工程質量檢驗評定標準》的規定。2)施工采用的結構膠必須滿足《混凝土結構加固技術規范》和現行的國家標準及行業標準。3)錨栓的埋設深度必須嚴格符合設計要求，誤差不應大于3 mm。4)粘接鋼板邊緣附件的溢膠，膠體必須確保固化。鋼板的有效粘結面積應大于98%，采用敲擊法對其關鍵部分進行檢查。

3.3 粘貼加固效果

立交橋經加固后，當地公路部門對加固效果進行了評估，結論如下：立交橋的承載能力、使用狀況顯著提高，修補后的T梁經過交通實際檢驗各項技術指標均符合設計和規范要求。通過對橫隔板連接處粘貼鋼板加固，加強了橋梁橫向聯系，對于跨中的主梁梁肋裂縫進行抗彎加固，對于處支點附近的梁肋裂縫采用抗剪加固，使腹板彎曲和剪切裂縫得到有效控制，結果顯示此次加固效果較好，腹板裂縫沒有擴展。加固效果見圖1。

4 結語

隨著粘貼鋼板加固技術的推廣應用，加固費用逐步下降，總體而言，與其他主要的兩種方法：增大截面法和體外張拉預應力法造價比選，該方法總的加固費用是最低的。該補強法具有以下優點：施工操作快速、方便、安全，施工作業周期短，便于工程管理，現場無濕作業或僅有抹灰等少量濕作業，與此同時它周圍環境影響小，而且由于利用了舊橋梁體，施工完成后對原來的外觀和凈空無大的影響，同時可以明顯地提高結構的承載能力，確保了結構的可靠性，減少了施工損失，有效的降低了工程造價。