采取加固的方法提高桥梁承载力、抗弯能力、抗剪能力、荷载等级等是最经济、最简单和最适用的措施,依据不同的桥梁现状和加固要求可以采取不同的方法。本文主要介绍工程中常用的几种方法,以与同行交流。
1桥梁加固改造的技术途径及设计原则
1.1主要技术途径
桥梁加固一般是通过对构件的补强和结构性能的改善来恢复或提高现有桥梁的承载能力,以延长其使用年限,适应现代交通运输的要求。其改造的主要技术途径有:加强薄弱构件、增加辅助构件、改变结构体系、减轻恒载、加固墩台及基础等。
1.2加固方案确定原则
一般认为满足以下条件,加固方案才基本可行:比重建新桥可以节约大量的投资和材料,具有明显的经济效益;桥梁经加固改造之后,无论结构性能、承载力还是耐久性方面都能达到使用要求;桥梁的下部结构具有足够的潜力[1]。
2桥梁加固的几种常见方法
2.1加大截面加固法
加大截面法,也称为外包混凝土加固法,是用增大混凝土结构物的截面面积和配筋进行加固的一种方法。这种加固方法要求被加固的桥梁下部结构能够承受更多的自重,能够提供更高的承载力。通常情况下,以加厚桥面板或加大主梁的梁肋宽度为主。
2.2预应力加固法
预应力加固法是采用外加预应力的钢拉杆对结构进行加固的方法,适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后所占用空间小的桥梁。可分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固,其中预应力拉杆加固主要用于受弯构件,以梁身为锚固体,通过预应力张拉对梁的受拉区域施加外力,以抵消结构本身的自重,减少车辆荷载作用下的应力,能够减少梁体出现过多的裂缝,以及减小裂缝宽度。预应力撑杆加固主要用于桥梁下部结构的轴心受压墩柱,但在实践中桥梁墩柱加固也很少采用这种方法。
2.3外部粘钢加固法
外部粘钢加固法是一种采用化学粘结剂将钢板直接粘贴在混凝土构件表面,使之与构件形成受力整体,以提高承载力、增大延性、刚度和满足正常使用要求的加固方法。
2.4粘贴FRP加固法
粘贴FRP加固法[2]是采用高强度或高弹性模量的纤维复合材料,用专门配置的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件表面,使之与原构件形成整体共同受力的加固方法。
目前,结构工程中常用的FRP材料有玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP)3种,其中以碳纤维增强复合材料(CFRP)应用更多。本文着重概述采用CFRP的加固方法及实际工程应用。
碳纤维布纤维方向分为单向和双向2种,其中以单向布应用为主。碳纤维布具有高的强度重量比和刚度重量比率、良好的抗疲劳性及高的耐久性、耐腐蚀、热膨胀系数低等特点。
当被加固的桥梁结构处于特殊环境时,应根据具体情况选用其他防护材料。目前,粘贴碳纤维布加固方法往往辅以裂缝灌浆、封闭等方法。
与其他加固方法相比,碳纤维布加固技术的优势主要体现在:高强高效,可设计性强;基本不改变原结构外观,不会对原结构造成损害;运输储存、施工更方便、快捷,容易保证施工质量而且后期维护费用低;其化学结构稳定,在耐候性、腐蚀性以及抗疲劳性能等方面更加突出。但应用此法对桥梁进行加固时,应充分考虑纤维的方向布置,合理的材料连接方式、连接尺寸、连接位置粘结材料的性能指标。尤其是施工过程的质量控制,一定要按正常的施工程序进行,否则会影响桥梁加固效果。
3应用实例
某桥于上世纪70年代初建成:上部构造为4孔跨径L=16.8m的少筋微弯板工字梁组合的装配式钢筋混凝土梁结构,无横梁,桥面净空为净-7m+2×0.25m,下部构造为钢筋混凝土双柱式灌注桩墩及重力式桥台。
原桥上部构造采用1966年1月出版的《少筋微弯板与工型梁组合的装配式钢筋混凝土上部构造试用图纸》,设计荷载为汽-13,拖-60。
3.1加固前病害调查
在确定加固方案前,对旧桥现状进行了全面调查,全桥主梁4×5片。根据实际损坏情况,对2～4孔的15片主梁、微弯板、支座、桥墩(台)及附属结构进行了细致的检查。
3.1.1主梁
施工质量较差,各部位尺寸沿跨径不一致。单根主梁最多发现裂缝51条,裂缝宽度最宽为4mm。有竖直裂缝,也有斜裂缝、水平裂缝,斜裂缝与水平方向夹角为40～80°。竖向裂缝主要分布在主梁腹板下部(主要在跨中8.5m范围内)且下宽上窄;斜裂缝主要分布在端部4m范围内;水平裂缝主要分布在梁端。主梁局部钢筋外露,产生锈蚀。
3.1.2其他
微弯板施工质量较差,底部非常粗糙,局部有细微裂纹。支座为钢板支座,钢板锈蚀严重,有大块蚀块脱落。支座附近主梁砼有压碎现象。1号桥台锥坡破损,3号桥墩发现一处空洞现象。部分栏杆倾斜,泻水孔堵塞,桥面上梁间隙较大,车辆通过时振动大、噪声大。
3.2加固设计
根据调查情况,笔者主要针对主梁进行加固设计。
主梁采用CYMAXL3002C碳纤维片材进行加固,主要性能指标有:设计厚度0.167mm;抗拉强度标准偏差40MPa;抗拉强度标准值
4108MPa;抗拉强度平均值4233MPa;弹性模量236GPa。计算中,考虑到碳纤维片材与主梁砼之间的密合性,对材料的抗拉强度设计值取用折减系数0.8。经计算,主梁跨中底部碳纤维材料厚度需0.25mm,故采用2层。
3.3加固要点
(1)支座更换采用5个液压千斤顶将整孔梁一端整体同步顶起,更换支座。将梁体顶升后,取出原锈蚀支座,将墩台支承垫石处和梁底面清洗干净,去除油垢用环氧树脂抹平。支座垫石建议采用树脂砼,以迅速增长强度,加快施工进度。
新支座安装前应进行全面检查和力学性能检验,安装过程中不能碰撞新支座。新支座重心对准梁的计算支点,使支座受力均匀。
(2)裂缝处治裂缝宽度<0.2mm时采用表面涂抹修复,裂缝宽度>0.2mm时采用化学灌浆修复。
(3)碳纤维材料粘贴施工时应从梁底至梁肋顶部方向进行。先对混凝土表面作清洗处理,配置并涂刷底层树脂、配置找平材料并对构件表面进行清平处理、配置并涂刷浸渍树脂或粘结树脂。粘贴时碳纤维布应与砼表面完全密合,粘贴完毕再对其表面进行防护处理。
3.4评定
对原有桥梁进行汽220荷载的静载试验,测定加固后桥梁控制截面的应力(应变)、挠度等技术参数,鉴定其承载能力[3]。
由所测数据分析看出,碳纤维加固少筋微弯板工型组合梁的方法切实有效,经加固后的主梁具有一定承载潜力。
4结语
本文介绍了当前旧桥加固的几种主要方法,着重探讨了碳纤维材料在旧桥加固中的应用。通过具体的加固实例,说明经过碳纤维布加固的桥梁构件能大幅度提高梁板的抗弯、抗剪性能,并能提高桥梁构件刚度和延性,起到抑制开裂和降低挠度的作用。相信这种新材料、新工艺经过更多的工程实践检验和完善,会有更大的应用前景。