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采取加固的方法提高橋梁承載力、抗彎能力、抗剪能力、荷載等級等是最經濟、最簡單和最適用的措施 ,依據不同的橋梁現狀和加固要求可以采取不同的方法。本文主要介紹工程中常用的幾種方法 ,以與同行交流。
1 橋梁加固改造的技術途徑及設計原則
1. 1 主要技術途徑
橋梁加固一般是通過對構件的補強和結構性能的改善來恢復或提高現有橋梁的承載能力,以延長其使用年限 ,適應現代交通運輸的要求。其改造的主要技術途徑有:加強薄弱構件、增加輔助構件、改變結構體系、減輕恒載、加固墩臺及基礎等。
1. 2 加固方案確定原則
一般認為滿足以下條件 ,加固方案才基本可行:比重建新橋可以節約大量的投資和材料 ,具有明顯的經濟效益;橋梁經加固改造之后 ,無論結構性能、承載力還是耐久性方面都能達到使用要求; 橋梁的下部結構具有足夠的潛力[1] 。
2 橋梁加固的幾種常見方法
2. 1 加大截面加固法
加大截面法 ,也稱為外包混凝土加固法 ,是用增大混凝土結構物的截面面積和配筋進行加固的一種方法。這種加固方法要求被加固的橋梁下部結構能夠承受更多的自重 ,能夠提供更高的承載力。通常情況下 ,以加厚橋面板或加大主梁的梁肋寬度為主。
2. 2 預應力加固法
預應力加固法是采用外加預應力的鋼拉桿對結構進行加固的方法 ,適用于要求提高承載力、剛度和抗裂性及加固后所占用空間小的橋梁??煞譃轭A應力拉桿加固和預應力撐桿加固 ,其中預應力拉桿加固主要用于受彎構件 ,以梁身為錨固體 , 通過預應力張拉對梁的受拉區域施加外力 ,以抵消結構本身的自重 ,減少車輛荷載作用下的應力 , 能夠減少梁體出現過多的裂縫 ,以及減小裂縫寬度。預應力撐桿加固主要用于橋梁下部結構的軸心受壓墩柱 ,但在實踐中橋梁墩柱加固也很少采用這種方法。
2. 3 外部粘鋼加固法
外部粘鋼加固法是一種采用化學粘結劑將鋼板直接粘貼在混凝土構件表面 ,使之與構件形成受力整體 ,以提高承載力、增大延性、剛度和滿足正常使用要求的加固方法。
2. 4 粘貼 FRP 加固法
粘貼 FRP 加固法[2]是采用高強度或高彈性模量的纖維復合材料 ,用專門配置的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件表面 ,使之與原構件形成整體共同受力的加固方法。
目前 ,結構工程中常用的 FRP 材料有玻璃纖維(GFRP) 、碳纖維(CFRP)和芳綸纖維(AFRP) 3 種,其中以碳纖維增強復合材料 (CFRP) 應用更多。本文著重概述采用 CFRP 的加固方法及實際工程應用。
碳纖維布纖維方向分為單向和雙向2 種 ,其中以單向布應用為主。碳纖維布具有高的強度重量比和剛度重量比率、良好的抗疲勞性及高的耐久性、耐腐蝕、熱膨脹系數低等特點。
當被加固的橋梁結構處于特殊環境時 ,應根據具體情況選用其他防護材料。目前 ,粘貼碳纖維布加固方法往往輔以裂縫灌漿、封閉等方法。
與其他加固方法相比 ,碳纖維布加固技術的優勢主要體現在:高強高效 ,可設計性強;基本不改變原結構外觀 ,不會對原結構造成損害;運輸儲存、施工更方便、快捷 ,容易保證施工質量而且后期維護費用低;其化學結構穩定 ,在耐候性、腐蝕性以及抗疲勞性能等方面更加突出。但應用此法對橋梁進行加固時 ,應充分考慮纖維的方向布置 ,合理的材料連接方式、連接尺寸、連接位置粘結材料的性能指標。尤其是施工過程的質量控制 ,一定要按正常的施工程序進行 ,否則會影響橋梁加固效果。
3 應用實例
某橋于上世紀 70 年代初建成:上部構造為4 孔跨徑 L = 16. 8 m 的少筋微彎板工字梁組合的裝配式鋼筋混凝土梁結構 ,無橫梁 ,橋面凈空為凈 - 7 m + 2 ×0. 25 m ,下部構造為鋼筋混凝土雙柱式灌注樁墩及重力式橋臺。
原橋上部構造采用 1966 年 1 月出版的《少筋微彎板與工型梁組合的裝配式鋼筋混凝土上部構造試用圖紙》,設計荷載為汽-13 ,拖-60。
3. 1 加固前病害調查
在確定加固方案前 ,對舊橋現狀進行了全面調查 ,全橋主梁 4 ×5 片。根據實際損壞情況 ,對2~4 孔的 15 片主梁、微彎板、支座、橋墩 (臺) 及附屬結構進行了細致的檢查。
3. 1. 1 主梁
施工質量較差 ,各部位尺寸沿跨徑不一致。單根主梁最多發現裂縫 51 條 ,裂縫寬度最寬為4mm。有豎直裂縫 ,也有斜裂縫、水平裂縫 ,斜裂縫與水平方向夾角為 40~80°。豎向裂縫主要分布在主梁腹板下部(主要在跨中8. 5m 范圍內) 且下寬上窄;斜裂縫主要分布在端部 4 m 范圍 內;水平裂縫主要分布在梁端。主梁局部鋼筋外露 ,產生銹蝕。
3. 1. 2 其他
微彎板施工質量較差 ,底部非常粗糙,局部有細微裂紋。支座為鋼板支座 ,鋼板銹蝕嚴重 ,有大塊蝕塊脫落。支座附近主梁砼有壓碎現象。1 號橋臺錐坡破損 ,3 號橋墩發現一處空洞現象。部分欄桿傾斜 ,瀉水孔堵塞 ,橋面上梁間隙較大,車輛通過時振動大、噪聲大。
3. 2 加固設計
根據調查情況 ,筆者主要針對主梁進行加固設計。
主梁采用 CYMAXL3002C 碳纖維片材進行加固 ,主要性能指標有:設計厚度0.167 mm ;抗拉強度標準偏差 40 MPa ; 抗拉強度標準值
4108 MPa ;抗拉強度平均值4233 MPa ;彈性模量236 GPa。計算中 ,考慮到碳纖維片材與主梁砼之間的密合性 ,對材料的抗拉強度設計值取用折減系數 0. 8。經計算 ,主梁跨中底部碳纖維材料厚度需 0. 25 mm ,故采用 2 層。
3. 3 加固要點
(1) 支座更換 采用 5 個液壓千斤頂將整孔梁一端整體同步頂起 ,更換支座。將梁體頂升后,取出原銹蝕支座 ,將墩臺支承墊石處|考試|大|和梁底面清洗干凈 ,去除油垢用環氧樹脂抹平。支座墊石建議采用樹脂砼 ,以迅速增長強度 ,加快施工進度。
新支座安裝前應進行全面檢查和力學性能檢驗, 安裝過程中不能碰撞新支座。新支座重心對準梁的計算支點 ,使支座受力均勻。
(2) 裂縫處治 裂縫寬度 < 0. 2 mm 時采用表面涂抹修復,裂縫寬度 > 0. 2 mm 時采用化學灌漿修復。
(3) 碳纖維材料粘貼 施工時應從梁底至梁肋頂部方向進行。先對混凝土表面作清洗處理 ,配置并涂刷底層樹脂、配置找平材料并對構件表面進行清平處理、配置并涂刷浸漬樹脂或粘結樹脂。粘貼時碳纖維布應與砼表面完全密合 ,粘貼完畢再對其表面進行防護處理。
3. 4 評定
對原有橋梁進行汽220 荷載的靜|考試|大|載試驗 ,測定加固后橋梁控制截面的應力(應變) 、撓度等技術參數 ,鑒定其承載能力[3] 。
由所測數據分析看出 ,碳纖維加固少筋微彎板工型組合梁的方法切實有效 ,經加固后的主梁具有一定承載潛力。
4 結語
本文介紹了當前舊橋加固的幾種主要方法, 著重探討了碳纖維材料在舊橋加固中的應用。通過具體的加固實例 ,說明經過碳纖維布加固的橋梁構件能大幅度提高梁板的抗彎、抗剪性能 ,并能提高橋梁構件剛度和延性 ,起到抑制開裂和降低撓度的作用。相信這種新材料、新工藝經過更多的工程實踐檢驗和完善,會有更大的應用前景。
參考文獻:
1 蒙云. 橋梁加固與改造. 重慶 : 重慶大學出版社 , 1989. 3~8
2 中國工程建設標準化協會標準. 碳纖維片材加固混凝土結構技術規程.北京:中國技術出版社 ,2003. 2~3
3 交通部第二公路勘察設計院. 公路舊橋承載力鑒定方法.北京:人民交通出版社 ,1988. 30~39

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