公路混凝土桥梁加固技术探析
2015-06-09
1.前言
我国公路混凝土桥梁以梁式桥为主要形式，随着社会的发展和设计标准、结构使用要求的改变，很多公路混凝土桥梁无法继续使用。相较于花费较大，周期较长的旧桥拆除重建工程而言，旧桥加固不仅可以延长桥梁的使用周期，而且在低投入的条件下满足了交通量的要求。因此，桥梁加固技术是值得工程人员研究的重要课题。
2.公路混凝土桥梁加固原则
混凝土材料抗压，但是不抗拉，因此通常与钢材共同使用。但是由于加入钢材后，混凝土的应力-应变关系放生改变，使得工程师无法准确对材料内部的时变性进行计算。与此同时，桥梁在交通量、温度、湿度等环境因素的影响下，必然会出现一些病害。对于一般混凝土桥梁而言，比较常见的病害是混凝土裂缝，按裂缝的性质而言，可以分为结构性裂缝与非结构性裂缝，其中，结构性裂缝应该受到更加的重视。对于大跨连续梁结构桥而言，还应该关注桥梁的跨中下挠问题。除此之外，一些自然灾害与施工因素也会而引起桥梁的病害，比如上部结构损毁、桥墩桥台开裂失效、支座脱空变形等，针对桥梁病害的不同情况与不同位置，应该合理的选择加固方案。
目前桥梁的加固技术有几十种之多，比如：置换混凝土加固法、加大截面加固法、粘结外包型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴钢筋加固法、粘结碳纤维增强塑料加固法（CFRP）、绕丝加固梁柱法、锚栓锚固加固法（只适用于C20-C60强度的混凝土结构加固）、聚合物浸渍混凝土加固法、玻璃钢加固法、预应力加固法、增加支撑加固法、托换技术、植筋技术、裂缝修补技术、混凝土表面处理技术、改变体系加固法等。在加固时应该坚守两个原则，其一是不能因为加固而造成桥梁的新病害，其二是不能因为加固而进一步损伤受损结构。对于结构性病害，加固补强方案可以采用多种加固方式，综合对病害进行处理。
3.公路混凝土桥梁加固技术
3.1置换混凝土加固法
在梁受压区强度严重不足或遇到偏心受压柱，成批混凝土不达标时，可以用置换混凝土加固法。通过弯矩包络图确定混凝土强度最低的构件的危险截面，在受压区采用高等级的新混凝土置换。虽然只是局部置换，但是根据相关实验，效果与增大截面法类似，且不影响桥梁的净空。
3.2加大截面加固法
加大截面法是指增加混凝土面积，同时增加受力钢筋，使得新旧混凝土形成整体，增加受力面积和构件有效高度，以提高桥梁的承载力。这种方法应用广泛，具有一套成熟的设计方法，可以用于梁、板、柱等结构的加固，对于混凝土拱桥拱肋的加固也可以使用这种方法。加固后，桥梁上部结构的恒载增加，因此必要时需要同时对桥梁基础进行加固，加固设计的关键是处理结合面的共同工作问题，根据相关文献资料，选择具有高张拉应变能力且低收缩性能的材料可以提高结合面的抗剪力和抗拉力。对主梁承载能力极限状态等的验算按照二次受力的叠合梁进行。通常采用加大截面法施工时，会考虑桥面铺装部分的加固，并且将铺装部分的受力也考虑进来。这种方法计算简单，能够提高主梁的承载力、刚度，施工便利，对交通的影响小，但是施工量较大，而且养护周期长。
3.3粘贴钢板加固法
粘贴钢板加固法可以用于纵向主筋锈蚀、梁板桥主梁的横向裂缝、主梁承载能力不足以及其他受弯、受拉、受简部件加固的问题处理中，要求所处环境湿度不大于70%且无化学腐蚀。通过在薄弱部分或受拉边缘粘贴钢板，可以以钢板代替钢筋，从而改善桥梁的受力情况，相关实验已经证明，粘贴在混凝土梁侧面和底面的钢板，不但能提高抗弯承载能力，而且还能提高梁的抗弯刚度，相应地减少挠度和混凝土开裂。值得注意的是，对结合面进行处理以及钻埋螺栓孔时会损伤原混凝土结构，对于使用这种方法的加固部件，当钢板达到屈服，进入破坏阶段后，钢板会与混凝土间发生局部剥离，出现斜裂缝（类似普通钢筋混凝土受剪构件），导致混凝土构件进一步损坏。为了避免这种问题，环氧树脂的粘结强度应该超过混凝土粘结强度，钢板应该尽量薄而长，并采用足够的描固，发挥钢板的抗拉性能，建议锚固的方式最好是胶粘错固。
3.4粘结碳纤维片加固法
碳纤维增强塑料（CFRP）具有强度高（是一般建筑用钢的十多倍）、质量轻、操作简单、不锈蚀的有点，可以用于混凝土桥梁抗弯、抗剪、抗偏心受压的加固，尤其适用于配筋率低得旧桥梁、板加固。对于配筋率较高的混凝土桥梁而言，这种方法效果一般，因此常与其他方法联合使用。对于混凝土墩柱，采用碳纤维片加固效果较好。粘贴碳纤维片加固法的优点众多，能极大的提高混凝土构件的强度和承载力，而且不增加恒载以及断面的尺寸，但是缺乏详细的设计标准与施工规范，而且必须做专门的防火处理才能投入到使用中。目前在受弯面进行粘贴碳纤维片法加固时，T形截面梁的抗弯载力通常按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行计算。在进行计算式时，由于碳纤维的强度较高，所以其受弯折减系数取0.9比较安全，加固后抗弯加载提高幅度不宜过大（>30%）以控制变形和裂缝等问题。实际施工中，遇到桥梁恒载较大的情况时，还应该考虑二次受力，即碳纤维片的受力相对于混凝土受拉区边缘应变值具有滞后的特点。根据相关研究，普通钢筋混凝土桥梁的主梁在弯矩作用下，可以灵活的认为处于第二工作阶段，采用换算截面计算抗弯惯性矩，因此，梁的受拉边缘初始应变可按下公式计算：
I0――开裂截面的换算惯性矩
X0――受压区理论高度
从施工经验看，粘贴的CFRP片与加固的梁等长较好，且进行抗弯加固时应该在受拉面粘贴碳纤维片，进行抗剪加固时宜在梁底和侧面粘贴形成U型加固方案，对于碳纤维片的端部，应该锚固。
3.5预应力加固法
预应力加固法可以起到加固、卸载、改变结构内力的多重效果，避免了其他加固方法的滞后性，特别适用于正截面受弯承载力不足，梁的挠度过大以及受拉面裂缝过宽，梁斜截面抗剪力不足，高应变、高应力混凝土连续梁桥跨中持续下挠等桥梁结构病害。由于使用预应力加固后，新结构与原结构的力学行为所有差异，因此预应力筋的添加位置以及数量需要经过仔细的计算，考虑到旧桥混凝土的缓变，预应力筋的应力不宜超过150MPa。另外，预应力筋的转向块与锚固点处应该进行严格的防腐蚀处理，在施工中应该实时的用X射线进行监测，以减少设计失误导致的桥梁进一步损坏。预应力加固法的缺点是易腐蚀、易燃、对桥梁外观有所损坏。为了避免上述缺点，可以采用喷射混凝土以及纤维加筋塑料的方法对预应力筋进行保护，降低外界的侵蚀。由于环氧树脂等结硬后具有脆性，所以预应力加固法通常不用于60℃以上的高温环境，也不用于混凝土缓变较大的桥梁结构。下图1为某预应力混凝土连续梁结构桥梁加固示意图，经检测该桥梁仍处于弹性受力状态，承载力满足相关要求，但是出现了跨中下挠现象，主梁主拉应力较大，箱梁腹板、箱梁顶板出现了裂缝，多为受力裂缝。采用的加固方式是在箱内加厚腹板，并且在加厚的腹板内侧布设预应力钢绞丝，对箱梁顶板采用粘贴碳纤维片的方式加固。对于箱梁腹板而言，使用体内预应力方案为宜，且钢筋的单位束力较小些为佳，锚固的位置选择在梁跨1/8至根部的效果较好。如果遇到复杂应力区域，应该避开。
3.6改变体系结构法
这种方法主要通过增加附加构件完成，以减小承重构件的应力，改善桥梁性能。常用的方法有：简支转连续法；增加支撑法；梁式桥转梁拱组合体系；钢索斜拉加固等。其中，增加支撑加固法的施工简单，但是会减少使用空间，在相关条件允许时才可使用，以千斤顶作为刚性元件的加固方法。
4.结语
每一种加固技术都有相应的使用范围，在桥梁加固中，必须结合桥梁加固的原因和自身的特点，以及所处的环境条件，选择不同的加固方法，确实保证桥梁的加固质量。
