浅谈系杆拱桥加固施工技术
2015-06-01
1引言
系杆拱桥是梁、拱、板等组合而成的复合体系，因其造型优美而广泛应用于桥梁工程当中。我国早期建设的系杆拱桥，通常具有一定的历史文化价值，不少桥在使用过程中, 由于桥梁修建时技术标准较低，加之交通量的迅猛增长、桥梁本身材料与结构自然老化、以及使用环境变化，超重、超限车辆的破坏作用，其承载力很多已经不足。采用适当的加固技术，恢复和提高旧桥的承载力及通行能力，延长桥梁的使用寿命及保持其历史性和文化性，以满足现代化物质文化生活需要，具有重要意义。
2 钢筋混凝土系杆拱桥病害
钢筋混凝土系杆拱桥既会产生一般桥梁会出现的病害，也会因自身独有结构而出现比较独特的病害。
2.1上部结构（含桥面系）主要病害情况
①拱肋属于受压构件，拱轴线变形；混凝土结构拱肋产生裂缝，混凝土剥落、碳化严重，露筋或钢筋锈蚀。
②系杆产生裂缝，混凝土碳化严重，露筋或钢筋锈蚀，预应力系杆钢绞线锈蚀或预应力损失严重；预应力系杆断裂。杆防护不到位、钢绞线锈蚀；吊杆颈缩、断裂。
③系梁、横梁产生裂缝，露筋或钢筋锈蚀，预应力钢绞线锈蚀或预应力损失严重。
④桥面有横纵向裂缝、局部坑槽、桥头跳车，伸缩缝部位裂缝发展。
⑤支座移位或锈蚀，照明、栏杆、排水等设施损害。
2.2 下部结构主要病害情况
①桥墩、桥台平面位移或沉降，混凝土产生裂缝，混凝土剥落、碳化严重，露筋或钢筋锈蚀，混凝土强度降低。
②基础底部有冲刷、侵蚀及淘空。
③由于松动位移、沉陷等原因造成护坡顶高度下降状况以及断裂和破损状况，河涌内漂流物堵塞现象。
3钢筋混凝土系杆拱桥加固常用方法
3.1 扩大截面法
加大截面加固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。加大截面加固法一般采用两种方式:一种是加厚桥面板;另一种是加大主梁梁肋的高度和宽度。该法工艺简单、适应性强,具有成熟的设计和施工经验,适用于较小跨径的T梁桥或板桥的加固。采用此法加固后桥梁刚度明显提高,承载能力也能取得较好的效果。但现场施工的湿作业时间较长,加固后的建筑物净空有一定减小。
3.2 置换吊杆法
目前系杆拱桥吊杆更换采用的方法都是设置临时构件，将被更换吊杆的索力先转移到临时构件上，再拆掉旧吊杆和安装新吊杆，最后将临时构件上的力转移到新吊杆上来。吊杆更换经过索力由旧吊杆向临时构件上转移再从临时构件上向新吊杆上转移的两次体系转换。目前所使用的临时构件大致可分为临时支架、临时吊杆和临时兜吊三种方法。
3.3 碳纤维材料加固
粘贴碳纤维增强塑料加固法采用专门的树脂将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉表面,与原结构形成新的受力整体,与钢筋共同承受荷载,降低了钢筋应力,从而使结构达到加固和补强效果。此法几乎不增加结构自重和截面尺寸,不改变净空高度,施工方便,对原结构几乎不会造成新的损伤,具有良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能,根据受力分析可进行多层粘贴进行补强,其方向性也可以灵活掌握。
4 梅江桥加固施工
4.1 工程概况
4.1.1 工程概况
广东梅州市梅江桥始建于民国二十三年（1934年），位于梅州城区中心地段，北接东门塘广场，南接梅江大道，是连接梅城江北老城区与江南城区的重要桥梁之一，也是梅州市的标志性建筑之一。由于梅江桥服役时间较长，桥梁各部分构件均有不同程度的损伤，有些构件甚至已退出工作，致使桥梁的整体结构性能严重下降，桥梁的强度及刚度均不能满足要求，存在严重的安全隐患。
梅江桥几经修缮，1966年曾进行加固和扩建，现梅江桥全长360m，主桥约226米，桥面宽度为12.08m，行车道桥面净宽5.8m。梅江桥主桥为11孔跨长19m～22m的下承式钢筋混凝土系杆拱
桥，拱肋与吊杆均为混凝土构造，吊杆为普通钢筋。
4.1.2 加固方案
本次加固大修在维持原桥风格的基础上，采用加固拱肋和系梁、更换吊杆等技术措施，恢复桥梁的承载能力，并对桥梁损伤构件进行修补。
加固措施：对梅江桥引桥墩柱采用加大截面、板底采用粘贴碳纤维加固的方法进行加固。主桥主要通过增大原桥拱肋及系梁的截面、更换原钢筋吊杆为φ32预应力精轧螺纹钢吊杆的方式进行加固。拆除原30年代的拱肋栏杆，在原位安装钢桁架，并通过挂网批荡恢复原来的形状。在新增系梁的支座位置安装刚性盆式支座，支座设计为三向受力支座，可以提供竖向承载力外，还提供竖向拉力、横桥向的抵抗力，以解决涨水而引起的漂流物的撞击力和水浮力引起的落梁问题。
4.2主要施工技术
4.2.1 下部结构加固
梅江桥桥墩承载力充足并有一定的安全储备，桥墩不需要进行承载力的加固，仅进行防冲刷保。施工时，放干西阳水电站蓄水以降低河水水位，便于对基础周边河床底进行清淤处理。清淤后，在基础周边预埋混凝土灌浆管，待形成一定坡度后，采用预埋的混凝土灌浆管灌注水下不扩散混凝土，最后形成基础周边河床的防冲刷保护层。
4.2.2 网架支架
施工支架是支撑桥梁的关键，本工程网架为桥面的施工提供平台的同时亦是吊杆置换的临时支架。为保证度汛安全及汛期前后的快速装拆要求，施工支架采用钢管柱加空间网架结构形式。钢管桩施工支架符合放水后河床的地质条件（软基），不易产生变形，防止突发洪水灾害造成支架损毁。为保证施工支架有足够的强度及稳定性，支撑前需对支架支顶位置处进行预压，预压力为单点250KN，一跨8点。
4.2.3 拱肋、系梁加固
梅江桥30年代拱肋下缘钢筋锈蚀非常严重，全部进行拆除。原30年代拱肋为中空的桁架式结构，桁架腹杆间空隙为后期砂浆填充，并不受力，考虑种种因素，把30年代T型拱肋的翼缘加肋以下的部分拆除，拆除后重新浇筑新的拱肋截面，并使拱肋截面底面与30年代拱肋高度相同，并覆盖60年代拱肋底面。施工时，拆除30年代拱肋的相应部分后，先对60年代拱肋与新增截面接触面混凝土进行凿毛、凿槽处理，并在拱肋截面上植筋增加新旧混凝土间抗剪作用，在新增拱肋位置预埋预应力管道与预应力钢筋。
系梁加固采用了扩大截面法、植筋加固等多种方法。梅江桥加固过程中将30年代系梁部分拆除，拆除后在30年代系梁侧新增系梁并与60年代系梁连接成整体。对新旧接触面混凝土进行凿毛和凿槽处理，并植抗剪钢筋。在新增系梁位置预留预应力孔道（原有人行道挑臂位置通过钻孔后埋置钢管，钢管与混凝土间灌注环氧）。
4.2.4 植筋加固法
梅江桥加固工程中，系梁和拱肋都采用了植筋加固法，其施工工艺流程为：定位→钻孔→清孔→钢筋处理→配胶注胶→锚固钢筋→固定养护→检查验收。
植筋加固中应注意以下几点要求：①清理原结构：清除原基材表面松动杂物，混凝土表面温度及湿度达到胶体的要求；②标定孔位钻孔：按照图纸尺寸标定孔位；③钻孔：孔深与锚筋埋设深度相同，孔径孔深宜按设计数据，孔位应避让构造钢筋，孔道应顺直。④清理钻孔：孔道先用硬鬃毛刷清理，再以高压干燥空气吹去孔底灰尘、碎片和水分，孔内应保持干燥。⑤灌胶：将植筋胶由孔底灌注至孔深约2/3处，待插入锚筋后，胶即充满整个孔洞（孔内胶量以插入钢筋后溢出少许为宜）。⑥插入锚筋：将钢筋插入已注胶的孔并固定，确保植入深度，锚筋插入前应清除插入部分的表面污物，若有新旧锈斑，应用砂纸擦干净；应旋转插到孔底，孔口多余的胶应清除；污物应先以钢刷清除，再用丙酮擦净，并予拭干。⑦在环氧材料完成固化过程之前，不得对结构有较大扰动。植筋后12小时内不得扰动钢筋，若有较大扰动宜重新植筋。
4.2.5 吊杆置换
通过在拱肋、系梁增大截面部分预留管道，安装精轧螺纹钢预应力吊杆。吊杆上端预埋在新增拱肋，下端在系梁底面作为张拉端。吊杆位置通过局部植抗剪钢筋加强新旧混凝土之间的共同作用。
精轧螺纹钢采用一端张拉方式：拱肋端预埋在新增拱肋混凝土内，通过预埋管道延伸至新增系梁下部，施工时在系梁底部进行张拉，张拉完成后进行封锚。吊杆布置与30年代吊杆布置相同，每跨单侧12根吊杆，每根吊杆为单根Φ32精轧螺纹钢，抗拉强度标准值为930MPa。
吊杆更换施工采用临时支架法，在系梁下设置网架支架，利用千斤顶，将作用在原吊杆上的力转移到网架支架上，在吊杆卸载后，临时支架代替被更换吊杆，支撑住横梁而防止横梁过大的变形，确保桥梁处于安全状态。
吊杆预应力张拉采用内力和线形双控制控制方法，在上部结构全部施工完毕混凝土强度达到设计强度的90%后，单跨24根吊杆同时进行。初张拉分二级进行（均匀分配），二次张拉分三级进行（均匀分配）。张拉过程中严格对梁体的挠度、60年代吊杆、新旧砼结合部位进行监控。
4.2.6 碳纤维布加固
工程项目中对原60年代系梁、拱肋、引桥部分采用了碳纤维加固方法。碳纤维片材采用300g/m2、0.167mm厚的碳纤维布。粘贴好后涂刷聚氨酯防护漆，施工时粘贴碳纤维布在凿除30年代系梁前完成。
碳纤维布加固施工工艺：砼表面处理→涂刷底胶→构件表面残缺面修补→粘贴碳纤维→养护固化→表面涂装。
粘贴碳纤维材料之前，首先应确认粘贴表面干燥，气温宜在-10℃以上，相对湿度RH≤85%。碳纤维材料运输、储存、裁切和粘贴过程中应注意保护：宜用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维材料，每段长度一般不超过6m，材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。碳纤维纵向接头必须搭接20cm以上。
4.2.7 裂缝处理
对结构上、下部存在的所有可见裂缝进行处理，对于裂缝宽度w<0.15mm且深度较小的细小裂缝可采用表面涂刷封闭胶进行处理，对于裂缝宽度w≥0.15mm的裂缝采用高压裂缝灌浆处理。裂缝灌浆胶采用无溶剂型改性环氧树脂类灌注树脂。施工时不得掺加任何溶剂，不得含有任何填料。
环氧树脂灌缝处理流程：裂缝调查→裂缝处理→设置灌浆嘴→封缝胶封缝→封缝检查→配置胶液→压力注胶→固化→检验。
施工要点：
①裂缝混凝土表面处理：用钢丝刷反复刷裂缝表面左右4cm的混凝土直至表面浮浆脱落，用无油压缩空气除尘，用丙酮试剂擦洗表面。
②粘贴注入器底座：首尾各一个，中间按间距20～30cm布置，缝宽则疏，缝窄则密。在一条逢上必须有进浆孔，排气孔，出浆孔。
③裂缝表面封闭：用密封胶封闭裂缝表面，胶泥厚不小于lmm，宽度2～3cm。
④密封检查：从最下或左的进浆孔输入0.4 MPa无油压缩空气，相邻或右孔排气时逐个关闭所有阀门，再沿缝附近涂刷肥皂水检漏；若有气泡冒出说明该处漏气，作好标记。用裂缝表面封闭胶对漏气的区域进行封闭，待达到强度后再气检，如此反复直至不漏气为止。
⑤按照供应商提供的产品说明书要求配制裂缝灌注胶，用低速搅拌器搅拌均匀。
⑥裂缝灌浆：用有恒压作用的注入器自动灌注裂缝封闭胶，当相邻孔不夹气冒胶时关闭该阀，逐一排气冒胶关阀，直至最后一个阀。
⑦封口结束：待缝内浆液达到初凝而不外流时可拆下灌浆嘴，再用封闭胶抹平封口。
4.3 加固后桥梁运行效果
梅江桥加固工程于2008年10月中旬开始施工，2010年元旦开放通行。加固大修后的梅江桥消除了病害，结构安全稳定，重新恢复了桥梁的使用功能，能够满足12座以下（含12座）客运车辆、两轮摩托车和自行车、行人通行的要求，并解决了管线架空悬挂等问题。梅江桥加固大修，最大程度地保留了结构特色和建筑风格，延续了其历史性和文化性，取得了一定的经济和文化效益。
5 结语
本文通过梅江桥加固大修施工中采取的扩大截面法、预应力法、植筋法、粘贴碳纤维布法等多种方法实例，说明钢筋混凝土系杆拱桥加固一般方法及其施工技术。旧桥检测、评定与加固技术是一项既综合复杂又在不断发展和更新的技术，施工技术与经验也在不断积累和探索中，其工艺的可靠性、可行性、合理性、耐久性等必须经过反复的科学试验和实践论证且需经受时间的考验。通过大量实践，进一步探求其规律，不断更新和发展加固技术，是工程技术人员不懈的追求。
