xx市典型xx拱桥加固方案实例探讨
2011-06-07 来源：筑龙网
xx市目前列养桥梁541座/37711.62延米，其中xx拱桥260座/9584.7延米。占整个桥梁总数的近30%。这些xx拱桥大多是在上世纪60—70年代修建的，由于当时的财力有限，这些桥大多设计标准较底，主要承重构件设计设计尺寸偏小，配筋较少，水泥混凝土强度较低（部分水泥混凝土是采用的鹅卵石作为骨料）。这种结构的桥在我市的国省干线上有，在县乡公路，农村公路上也有，在没有加固改造之前，这些桥基本上属四类、五类桥。xx拱桥尽管在现在的公路建设中很少看到，但在当时的国情下，其在桥梁建设史所做的贡献是不可磨灭的。
近几年来，随着国民经济的发展，交通流量的迅猛增加，加之超重车辆所占的比重的加大，xx拱桥的承载能力已越来越不能适应现代交通发展的需要，加固改造这些桥梁已是势在必行。xx桥就是xx市所辖区内的一座具有代表性的一座xx拱桥，2007年我们对该桥进行了维修加固，现就xx桥的加固处治方法进行一些探讨。
1.1 加固前xx桥的概况
xx桥位于xx市境S107省道汉宜线K41+510处，由应城市公路段负责管养。该桥修建于20世纪70年代，钢筋混凝土xx拱桥，单孔、净跨20米，5肋4波，桥面净宽为：2×1.5m人行道＋7m行车道，矢跨比为：1/7，重力式桥台，设计荷载等级为：汽—13，拖车—60。1993年，汉宜线加宽，该桥随之进行加宽，老桥部分成为主车道，部分成为非机动车道。经过30多年的运营，该桥已进入其大修期。2007年，由应城市公路段委托湖北公路工程咨询监理中心及武汉大学工程检测中心联合对该桥进行了检测。
1.2 外观病害检查
主拱肋底部保护层基本脱落，钢筋外露，锈蚀严重，拱顶接头处部分钢板侧面已外露；腹拱拱波顶部有贯通裂缝，裂缝最大宽度达2.5mm，腹拱横墙墙身有裂纹（特别是孔洞周围），拱墩表面有裂纹；主拱肋横系梁基本完好，无明显病害。
1.3 试验检测
通过测试桥梁在试验荷载作用下，其主要承力构件主拱肋在控制处的强度与刚度，以及主要裂缝的开展情况，来掌握该桥的实际受力状态，及该桥的承载能力。
1.3.1 静载试验检测部分数据
跨中截面各测点挠度值
测试部位
L/2截面 L/4截面
测点 1 2 3 4 5 6 7
实测挠度传值（mm） 0.74 0.88 0.96 0.86 0.74 0.28 0.24
卸载后残余值（mm） 0.01 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.01
理论扰度值（mm） 0.80 0.91 1.10 0.92 0.80 0.37 0.37
校验系数 0.93 0.97 0.83 0.93 0.93 0.76 0.72
平均校验系数 0.92 0.74
控制截面各测点应变值
测试部位 L/2截面 拱脚截面
测点 1 2 3 4 5 6 7 8
实测应力值（mpa） 0.79 0.87 1.17 0.90 0.80 -0.26 -0.25 -0.28
理论应力值（mpa） 0.80 0.91 1.20 0.92 0.80 -0.30 -0.33 -0.33
校验系数 0.99 0.96 0.98 0.98 1.00 0.87 0.76 0.85
平均校验系数 0.98
荷载横向分布系数
拱肋号 1 2 3 4 5
实测分布系数 0.315 0.374 0.409 0.366 0.315
理论分布系数 0.304 0.345 0.417 0.349 0.304
1.3.2 动载试验检测
通过对该桥脉动的测试及跑车激振试验,测出该桥的竖向与侧向的振动位移都较大。
1.4检测结论
1）挠度平均校验系数为0.92，应变平均校验系数为0.98，校验系数小于1.0，表明结构的整体强度和刚度尚满足规范要求。
2）跨中载面在试验荷载作用下的最大挠度为0.96mm，小于挠度的最大限值L/800，满足规范相关要求。
3）实测荷载横向分布系数与理论分布系数的变化趋势与数值都较接近，表明该桥横向联系较好。
以上结论说明该桥满足当初的汽—15、挂—80的荷载要求。但鉴于该桥现有的病害，同时汉宜线的交通流量的不断增长，另外重载车辆也占有相当的比重，所以决定对该桥进行加固处治，以达到现行的二级公路桥梁的公路Ⅱ级标准，以此来提高该桥的承载力。
1.4几种初步的加固处治设计方案
第一种方案：
⑴对主拱圈拱肋采取现浇C30混凝土加固，现浇厚度为8cm；
⑵对主拱圈拱波采取锚喷C20混凝土加固，锚喷厚度为8cm；
⑶对横系梁采取三向外包C30混凝土加固，加固厚度为8cm；
⑷拆除原桥面铺装，由于原桥横向联系严重不足，故采取叠合梁的形式重新浇注C40混凝土16cm，进一步加强全桥的整体受力性能（叠合梁：为使桥面铺装层与桥面板紧密结合，使桥面铺装层共同参与受力，同时固定桥面铺装钢筋的位置，采用“植筋”的技术，将植入的钢筋与桥面铺装钢筋牢固焊接后，再浇筑混凝土）；
⑸将原桥栏杆及人行道板拆除，重新安装防撞护栏，长度为30m；
⑹更换原桥泄水管。
该方案工程总造价为96.66万元，平均每延米达3万余元。
第二种方案：
⑴对主拱圈拱肋及横系梁采取锚固6mm厚钢板加固，钢板与原砼采用专用材料填充，与原有的拱肋形成一个整体，类似于钢管砼结构，同时对横系梁同样进行包钢与主拱肋形成整体，大大增强整个桥梁的整体稳定性；
⑵对拱圈、桥台和拱波表面裂纹较为集中部位，采取粘贴碳纤维布进行补强；
⑶对拱圈、桥台和拱波的局部缺陷、混凝土破损的区域，采用环氧树脂砂浆直接进行补强、修复；
⑷对其他部位进行防炭化处理。
桥面等其他部位方案同（一）。
该方案工程总造价为60.66万元，平均每延米达2万余元。
第三种方案：
⑴对主拱圈拱肋采取喷射C20混凝土砂浆加固，喷射厚度为8cm；
⑵对主拱圈拱波采取锚喷C20混凝土加固，锚喷厚度为8cm；
⑶对横系梁采取三向外包C20喷射混凝土砂浆加固；
⑷拆除原桥面铺装，由于原桥横向联系严重不足，故采取叠合梁的形式重新浇注C40混凝土16cm，进一步加强全桥的整体受力性能；
⑸将原桥栏杆及人行道板拆除，重新安装防撞护栏，长度为30m；
⑹更换原桥泄水管。
该方案工程总造价为106.66万元，平均每延米达3万余元。
砼外包钢筋构造图
主拱肋包钢构造图
1.5设计方案的选取
采取钢筋砼外包技术对xx拱桥加固是一种传统的加固工艺，外包砼增加了主拱肋的截面尺寸，从而直接增强了整个结构的承载能力，此种工艺施工相对简单，但对老桥的桥台、桥墩的稳定性及承载能力要求较高；包钢加固是当前xx拱桥加固中应用得较多的一项工艺，过去在房屋建筑中应用较多，由于此项工艺相对而言施工较为简单，施工质量较容易控制，同时工期较短，目前在桥梁加固中应用较广，其缺点是，应注意对钢板的防腐处理，后期对钢板的腐蚀性应密切关注，必须选用专业队伍施工。
xx桥位处汉宜线，交通流量较大，对桥面的整体更换，在施工过程中的交通管制相当困难，很容易造成交通拥挤，社会压力大，同时xx桥下水位较高，采用现浇砼及喷射砼施工难度较大，该桥的桥面的破损率只有25%，无需整体更换桥面铺装，可采用局部修复，对横系梁同桥进行包钢处理，横系梁钢板与主拱肋外包钢板进行焊接，形成整体，以此来提高整体性，可采用微膨材料进行填隙，使钢板、锚栓与原主拱肋共同受力，兼顾投资预算，最终采取了第二种施工设计。
1.6 施工工艺及在施工过程中应注意的事项
1.6.1粘贴钢板的施工工序为：
1、将拱肋及横系梁清理干净后采用环氧砂浆将缺陷修复；
2、对混凝土和钢板表面清理及打磨处理；
3、采用专用粘胶将钢板及横系梁粘结好；
4、用粘结内涨螺栓或射钉加压固定（注意探测好原桥钢筋的位置再来确定螺栓的位置）；
5、钢板作防腐处理。
1.6.2 具体的施工操作方法：
1、混凝土表面处理
按设计图纸确定钢材在构件表面的位置。凿去构件与钢板结合面处不良混凝土，若表面严重凸凹不平，可用环氧胶泥修补。将处理后的混凝土结合面打磨平整，构件四角（或两角）应打磨出小圆角。用酒精清洗混凝土结合面。
2、钢材表面处理
钢板与混凝土粘接面应除锈、打磨出金属光泽，然后用酒精清洗干净。
3、焊接钢板骨架
将钢板用内爆螺栓固定在构件预定结合面。将钢板焊接在钢板之间形成钢骨架。
4、密封及粘贴灌浆嘴
用密封材料将钢骨架全部构件边缘密封。在钢骨架边缘适当位置钻孔，粘贴灌浆嘴并留出排气孔。
5、配制结构胶
将ZLPJ-B包钢灌注结构胶A、B两组按比例（A：B=4：1）混合，用电动搅拌机进行均匀充分搅拌，每次搅拌量不宜过多。
6、压力灌胶
将灌浆管与灌浆盒接通，启动空压机，检查灌浆系统和钢材周边密封是否完好。将配制好的液态结构胶装入灌浆罐内，启动空压机向钢材与混凝土表面之间的空腔内灌浆，待出浆盒溢胶后将其封闭。再继续压注几分钟即可停止灌浆。待空腔内胶体达到初凝而不外流时拆下灌浆盒，再用结构胶将灌浆盒处抹平、封口。
7、养护、固化
结构胶可在常温下养护、固化，环境温度保持在20℃以上时24小时具有一定强度， 3天后可受力使用。
1.6.2 质量检验
用小锤轻轻敲击钢材，检查钢板与混凝土表面粘结密实度，若有空洞声，表示该处粘结不密实，应采取补救措施。
1.6.3 工具
1、冲击电钻；2、角磨机；3、氧割、电焊设备；4、空气压缩机；5、搅拌工、器具；6、其他工具；（1）小锤；（2）计量器（磅称）；（3）卷尺、刮刀；（4）防护设施；（5）电焊条、螺栓；（6）钻刀、尖锄、榔头、锚栓等。
1.6.3 原材料
1、钢材（符合设计及规范要求）
2、粘结剂为建筑结构胶（ZLPJ-B）
结构胶（ZLPJ-B）力学性能
抗拉强度（MPa） 抗压强度（MPa） 与混凝土的正拉粘结强度（MPa）
≥30 ≥65 ≥2.5
3、封口胶
4、丙酮或酒精
1.6.4无机防碳化处理：
1、腹拱圈、桥体表面防碳化
清除混凝土表面松散物、浮浆及油污直至完全露出坚实基层。若表面严重凸凹不平，可用环氧砂浆修补；将处理后的混凝土面打磨，要求表下无油污，然后用压缩空气吹去浮尘，要求无灰尘。然后用空压机将已搅拌均匀的水泥浆喷射在处理好了的砼表面，最后在待喷上的水泥浆凝固后将无机封闭胶喷射其表面，保证砼表面不被腐蚀、风化。
2、拱肋包钢钢板表面防碳化
钢板面应除锈、打磨出金属光泽，然后用酒精或丙酮清洗干净，用有机高强结构胶均匀涂在钢板表面，再用已准备好的干砂均匀洒在有机胶上使钢板表面粗糙，最后用无机胶搅拌成的水泥浆刮在钢板上，将钢板面密封不被锈蚀。
3、拱波有机防碳化处理：
清除混凝土表面松散物、浮浆及油污直至完全露出坚实基层。若表面严重凸凹不平，可用环氧砂浆修补；将处理后的混凝土面打磨，要求表面无油污，然后用压缩空气吹去浮尘，要求无灰尘；钢板外面面应除锈、打磨出金属光泽，然后用酒精清洗干净。将环氧树脂与环氧固化剂混合，用电动搅拌机进行均匀充分搅拌，搅拌时间不少于10分钟，最后将搅拌好的环氧树脂涂在砼表面，要求均匀，无遗漏、无空洞。
应注意的事项：
1、混凝土表面必须打磨至漏出砂石新面层为宜，然后用环氧砂浆修补找平，钢板打磨粗糙要彻底，有油污的地方要用丙酮清洗干净；
2、调试胶水前要根据当地当时的环境、温度和工艺条件进行胶水的试验调制，以确定最佳配比；
3、粘贴时必须紧压钢板，使之固定，压紧后再在钢板外表面上粘一层粗砂，再涂一层环氧树脂密封，干硬后再涂一层水泥净浆，使之与原桥颜色保持一致；
4、压紧螺栓必须埋设牢固，具有可靠的减性；
5、钢板内隙采用专用建筑结构胶填充密实。
2.1 加固后的试验检测
通过测试该桥在试验荷载作用下，其主要承力构件主拱肋在控制截面处的强度与刚度数值，以及裂缝的开展情况，来掌握加固后该桥的实际受力状态，判断该桥在加固后的提载能力。
跨中截面各测点挠度值
测试部位 L/2截面 L/4截面
测点 1 2 3 4 5 6 7
实测挠度传值（mm） 1.06 1.08 0.98 0.89 0.62 0.39 0.37
卸载后残余值（mm） 0.01 0.00 0.02 0.01 0.02 0.00 0.01
理论扰度值（mm）
1.19 1.19 1.14 0.94 0.59 0.42 0.42
校验系数 0.89 0.91 0.86 0.95 1.05 0.93 0.88
平均校验系数 0.923
控制截面各测点应力值
测试部位 L/2截面 拱脚截面
测点 1 2 3 4 5 6 7 8
实测应力值（mpa） 1.13 1.22 1.14 1.06 0.35 -0.09 -0.11 -0.07
理论应力值（mpa） 1.18 1.26 1.13 1.09 0.39 -0.17 -0.19 -0.19
校验系数 0.96 0.97 1.01 0.97 0.90 0.53 0.58 0.37
平均校验系数 0.96
荷载横向分布系数
拱肋号 1 2 3 4 5
实测分布系数 0.46 0.47 0.42 0.38 0.27
理论分布系数 0.47 0.47 0.45 037 0.23
2.2检测结论
1）挠度平均校验系数为0.923，应变平均校验系数为0.96，校验系数小于1.0，表明结构的整体强度和刚度尚满足规范要求。
2）跨中载面在试验荷载作用下的最大挠度为1.08mm，小于理论计算最大挠度1.19mm，远小于挠度的最大限值L/800，满足规范相关要求，其中跨中最大挠度测点的残余挠度为0.01mm，相对残余挠度值为0.9%，远小于规范允许值20%，该桥处于弹性范围内。
3）实测荷载横向分布系数与理论分布系数的变化趋势与数值都较接近，表明该桥横向联系较好。
4）试验过程中未出现裂缝。
通过对加固后该桥的检测，说明该桥行车时的动力响应明显减弱，桥梁的整体性与动刚度得到了加强，通过对数据的分折，说明该桥已达到了现行的二级公路桥梁的公路Ⅱ级营动标准。
结束语：以上是xx桥的整个加固改造过程，该工程2007年8月完工，通过加固前后的试验数据的对比及一段时间的运营，此种加固工艺在该桥上的应用应该说是成功的，同时对我们对于相类似结构类型的桥梁提供了可借签的经验，最终的结论，还要靠时间来检验，希望该桥的加固能对以后的此类桥梁加固提供一些好的经验。
