粘贴钢板法进行双曲拱桥加固的研究
2015-06-24
1粘贴钢板法加固双曲拱桥概述
1.1可行性
许多早期修建的双曲拱桥,普遍存在设计荷载标准低、结构整体性差的缺点,由于长期的超载作用,大部分都出现了不同程度的破损,使结构的承载力大大降低。因此,对双曲拱桥进行加固改造具有重要现实意义 。在随之产生的众多加固维修方法中,粘贴钢板法便是行之有效的一种。
粘贴钢板加固法是采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板粘贴在石拱桥构件的受拉区或薄弱部位表面,使之与结构物形成整体共同受力,从而达到加固增强、提高桥梁承载能力的目的。
根据不同的加固部位和加固要求,粘贴钢板法可设计为在拱肋上一侧、两侧、三侧粘贴钢板加固和在拱脚上粘贴和焊接角钢加固法。
粘贴钢板加固法的优点是:粘贴钢板所占空间小,基本上不减少桥梁的净空,能在桥下施工,不中断交通,施工方便,工期短,加固工作量小,加固效果却很明显。
外贴钢板相当于提高了混凝土结构的含钢量,因而能起到减少裂缝扩展,改善原结构受力,提高结构的抗弯、抗剪的能力。在构造设计时,用于抗弯能力补强的钢板尺寸应尽可能薄而宽,厚度一般为4～6mm,较薄的钢板可有足够的弹性来适应构件表面形状。用于提高抗剪能力的钢板厚度宜厚点,一般采用10～15mm。
1.2加固类型
针对不同病害类型,粘贴钢板法对主拱圈进行加固常见的有两种情况:
(1)由于拱肋强度不足而引起的径向裂缝。
此时可仅在拱肋底面粘贴钢板或底面和侧面都粘贴钢板,使拱肋下部形成一侧加固或三侧加固。
(2)不仅拱肋出现径向裂缝,而且在拱脚出现环向裂缝。
此时在拱肋底面和侧面都粘贴钢板的基础上,选择尺寸适宜的角钢,将角钢一侧与拱肋上已粘贴的钢板焊接,另一侧粘贴在墩台上,并用锚栓锚固。
对于上述情况,在粘贴钢板之前要特别注意运用灌浆封缝的方法处理裂缝。
1.3施工工艺
粘贴钢板法的施工工艺一般为:
(1)钢板制作。制作用于粘贴加固的钢板,并对其表面进行处理。
(2)表面处理。将混凝土破碎部分清除,凿平凿毛,清除浮尘,钢板表面去油污,除锈,用丙酮擦洗干净,涂环氧树脂薄浆。
(3)粘贴钢板。先在混凝土、钢板表面刷环氧树脂胶,再在钢板上铺环氧树脂砂浆。将钢板贴到混凝土表面上,旋紧螺丝进行加压。固化后卸除螺帽,截去外露的螺丝杆。
(4)加压方式。混凝土粘贴面埋设螺栓,钢板设孔,把钢板粘贴到混凝土表面后立即旋紧螺帽进行加压。
(5)检查粘贴质量。用肉眼观察,如发现钢板与混凝土表面之间有空隙,填入胶结剂补贴。
(6)防护处理。钢板表面先涂环氧树脂薄浆,再涂防锈漆进行保护。
2工程实例
2.1工程概况
某双曲拱桥修建于1972年,桥梁全长246.26m,桥面宽度为净7.0+2�.25m安全带。双向各一车道,无人行道,原设计荷载为汽车-13级,挂-60。该桥上部结构为4�0.4米空腹式钢筋混凝土双曲拱桥,主拱圈为等截面悬链线无铰拱,矢跨比为1/9,拱轴系数m=3.5。拱肋为矩形截面,主拱圈由6根拱肋、5根拱波组成。拱肋底宽20cm,各肋间净距1.26m,每跨用25道钢筋混凝土横系梁联系。本桥下部构造为重力式墩、空心台、沉井基础。
由于长期的超载作用,桥梁众多部分都出现了不同程度的破损,承载力大大降低。拱肋出现多道纵向裂缝,拱脚处混凝土开裂。
为保证结构及行车安全,必须进行加固处理。
2.2加固要求
(1)加固后桥梁荷载等级提高到公路-II级标准;(2)尽量不破坏原有结构;(3)尽量减少中断交通时间;(4)便于施工和养护。
2.3加固方法
根据以上要求决定采用粘贴钢板法加固此桥:
(1)对拱肋进行三侧加固,即拱肋底面粘贴6mm的补强钢板,两侧粘贴10mm的补强钢板,加固长度贯通拱肋全长。对于起横向连接作用的横系梁也采用和拱肋同样的加固方法。
(2)拱脚处在拱肋底面和侧面都粘贴钢板的基础上,选择140�40�6型角钢,将角钢一侧与拱肋上已粘贴的钢板焊接,另一侧粘贴在墩台上,并用 30�00的锚杆锚固。
2.4加固材料
混凝土:拱腹填料采用C10贫混凝土,其他采用C20,C30混凝土,所用混凝土必须严格按照相应的技术规范进行配制和施工。
钢板:采用10mm、6mm厚16Mn钢,其技术要求应符合《建筑结构用钢板》(GB/T19879-2005)的规定,为保证焊接质量,钢板采用Q235-B级钢板。螺杆:采用全螺纹非焊接螺杆,材料采用Q235级。
胶剂:本桥加固均采用A级胶,其性能应符合《公路桥梁加固设计规范》JTG/T J22-2008表4.6.2,表4.6.4,表4.6.5,表4.6.6的规定。
焊接材料:焊接材料及焊接工艺应满足公路钢桥施工规范的要求。
3 结构建模计算
利用有限元软件计算分析加固前后桥梁受力情况,判断加固效果。
3.1计算所用原理
粘贴钢板法内力计算主要按以下几条原理进行:
(1)恒载内力及活载内力用粘贴后的组合体截面模量计算内力,即钢板与原混凝土作为一个整体计算,对不同的混凝土标号和粘贴的补强钢板按其弹性模量进行截面换算;
(2)按弹性理论进行计算;
3.2材料和主拱圈截面
主拱圈为250号钢筋混凝土,腹拱圈为200号混凝土,腹拱横墙为150号片石混凝土,墩台身为150号片石混凝土。
3.3荷载和约束
由于原桥建成时间较长,不考虑收缩徐变的作用。主要考虑的作用有:恒载(加固前和加固后增加的恒载)、汽车荷载(考虑冲击力)。按照承载能力极限状态进行荷载组合1.2恒载+1.4汽车(考虑冲击力)。
约束条件为:主拱圈拱脚与墩台、腹拱圈与墩台和侧墙均为固结。
3.4结构建模计算
利用MIDAS Civil软件对桥台间的4跨建立模型,共分为889个单元,681个结点。主拱圈、腹拱圈及横墙、桥面系及拱上填料、墩台均用梁单元模拟。输入相应的截面、材料、边界条件及荷载后,计算加固前后的结构中的内力,并进行分析。
3.5计算结果比较分析
根据程序计算结果,选取主拱圈的拱脚、拱顶、1/4跨截面内力结果分析加固前后的受力情况。
从截面抗力与轴力的比值可以看出:原桥在公路-II级荷载作用下,主拱圈拱脚截面不能满足提载后的承载力要求;加固后该桥在公路-II级荷载作用下,主拱圈各截面满足了提载后的承载能力要求。表明通过粘贴钢板法加固拱肋后,该桥的承载能力得到了明显的提高。
4现场检测结果
对加固后的桥梁进行动载试验。动载试验反映的是桥梁在动荷载作用下桥梁上部结构的动力特征和动力响应。试验结果如下:
4.1 自振频率
对加固前后大桥的自振频率进行比较。
由表3可以看出,大桥加固后的自振频率的实测值均大于加固前,说明桥梁结构动力刚度得到明显提高。
4.2冲击系数
对加固前后大桥的冲击系数进行比较。
由表4可以看出,大桥加固后的冲击系数的实测值均小于加固前,并且小于规范理论值,说明桥梁结构动力刚度满足设计要求。
5结语
采用粘贴钢板法加固双曲拱桥效果显著。既不较少桥梁净空,又不中断交通,并且大大改善桥梁的受力情况,使结构受力更加合理。施工简单,成本较低,值得进行推广。
