桥梁结构加固与维修技术浅析
2015-08-26
1、引言
桥梁自身在施工过程中或多或少存在一些无法控制、难以克服或极易疏忽的不利因素，在建成后运营过程中又受到车辆荷载的不断冲击，以及风、雨、水流等外力的侵蚀，并且长期受温度、湿度变化的影响，甚至遭到地震的严重损害，使得其承载能力与交通需求的矛盾日益突出。因此，在确保桥梁的安全性能的基础上，充分考虑项目建设的经济性、科学性、合理性，对现有桥梁存在的相关缺陷和隐患进行加固补强与维修改造是很有必要的，本文对桥梁的结构缺陷进行了总结，简要浅析了桥梁加固与维修技术，并通过实例，介绍和展示了桥梁的加固与维修工作。
2、桥梁加固与维修的目的和基本原则
桥梁加固与维修的根本目的是为了消除和降低桥梁的安全缺陷、质量隐患，保证桥梁的正常通行功能。因此其基本的处理原则要坚持从实际出发、消除隐患、全面比较、协同受力、预防损坏、有序实施。
3、桥梁加固与维修的常用技术方案和处置方法
常用的加固改造技术方案有：减轻桥梁恒载、加固临界构件、替换更新构件、改善原结构受力体系等方法，以达到增大桥梁承受活载的能力，维系桥梁体系的健康运行，改善原桥梁服务性能和延长现有结构使用寿命，也都起着重要作用，其常见的处置方法如下：
3.1增大构件截面加固法
增大构件截面加固法又称外包混凝土加固法，它是增大构件的截面和配筋，用以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性，也可用来修补裂缝等，适用于梁式桥和拱式桥。
3.2粘贴（钢板、碳纤维、锦纶纤维）加固法
粘贴加固法即粘钢法，粘钢法加固桥梁一般采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋或玻璃钢等抗拉强度高的材料粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载能力的目的。
3.3体外预应力加固法
对于钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板，采用对受拉区施以体外预应力加固，可以抵消部分自重应力，起到卸载的作用，从而能较大幅度地提高梁的承裁能力。体外须应力加固法优点是：
3.3.1在自重增加很小的情况下，能够大幅度改善和调整原结构的受力状况，提高承重结构的刚度、抗裂性能；
3.3.2由于承重结构自更增加小，故对墩台及基础受力状况影响很小，可节省对墩台及基础的加固；
3.3.3对桥梁营运影响较小，可在不限制通行的条件下加固施工；
3.3.4预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。
4、桥梁的加固维修实例
4.1项目概况
合肥市WLD立交桥工程桥体共计四层，分地上三层、地下一层，桥梁面积4万㎡，占地8.9公顷。为双“Y”定向式加环型匝道的四层互通式立交，分五个交叉道向四周辐射，解决了17个流向的交通。
4.2存在的主要病害
桥梁建成后运行十几年，期间经过不间断的定期检测评估，该桥已发现不同程度的病害：
（1）桥面沥青铺装层厚度普遍偏薄，部分纵向裂缝间断性贯穿桥面，墩顶横向开裂；
（2）较多空心板底部有纵向裂缝，部分板梁底部有横向裂缝，底板厚度偏薄；
（3）部分孔跨空心板梁间铰缝失效，有向单板受力发展的趋势；
（4）多处墩顶横向裂缝处对应整体化混凝土开裂和渗水；
（5）部分支座缺失、脱空；
（6）部分板底部有不同程度露筋、锈胀和保护层厚度不足；
（7）现浇连续梁裂缝较多，箱梁的跨中部分出现大面积裂缝，其裂缝的发展从底板延伸到腹板，且裂缝超标，裂缝最大宽度达到0.5㎜。
4.3本次维修加固主要内容和方法
针对具体病害状况、机理，结合检测结果和通行状况，本次维修主要包括：桥面铺装层更换改造、连续大箱梁加固、空心板梁加固（局部更换）、裂缝修补、支座更换维修、通道桥改造、引道维修和交通工程等，采用粘贴（碳纤维）加固法进行维修加固。
4.4粘贴加固法的特点及原理
4.4.1为了提高桥梁结构的抗弯能力，一般在构件的受拉缘表面粘贴碳纤维、钢板等，使之与原结构形成整体来受力，此时以其与混凝土粘结处的混凝土局部抗剪切强度控制设计。合理与安全的设计应控制在介质发生屈服变形前，粘结处混凝土不出现剪切破坏；
4.4.2当桥梁结构的主拉应力区斜筋不足，为了加固和增加结构的抗剪切强度时，可将钢板粘贴在结构的侧面，并垂直于剪切裂缝的方向斜向粘贴，以承受主拉应力；
4.4.3补强设计时，钢板可作为钢筋的断面来考虑，将钢板换算成钢筋，原有构件承受恒载与活载，增加的钢板承受原有构件承受不了的那部分活载；
4.4.4在构造设计时，加固用的碳纤维或钢板可按实际需要采用不同的形状，但钢板的厚度必须比计算出的厚度大些。用于抗弯能力补强的钢板尺寸尽可能薄而宽，厚度一般为4～6 mm，较薄的钢板可有足够的弹性来适应构件表面形状；
4.5 主要施工工艺及技术要点
4.5.1表面缺陷修补措施
（1）对于面积小于（25×25）cm2，深度小于5㎝时的混凝土表面缺损，凿除松动混凝土，外露骨料，钢筋除锈，用聚合物水泥基修补材料进行修补； （2）对于缺损面积大于（25×25）cm2，深度大于5㎝时的混凝土结构表面缺损，凿除松动混凝土，外露骨料，钢筋除锈，喷涂界面剂，采用干轧混凝土修补；
（3）对于浅层缺陷，采用涂抹聚合物水泥基修补。
4.5.2粘贴钢板加固施工工艺
（1）碳纤维、胶粘剂及底胶材料要求
1）加固用碳纤维材料必须采用聚丙烯腈基（PAN基）12K或12K以下的小丝束纤维，严禁使用大丝束纤维。纤维复合材料FRS必须采用连续纤维与改性环氧树脂胶粘剂复合而成。技术指标见表1。
表1 碳纤维片材的主要力学性能指标
品名 抗拉强度标准值（MPa） 受拉弹性模量（MPa） 伸长率（%） 弯曲强度（MPa） 层间剪切强度（MPa） 仰贴条件下纤维复合材料与混凝土正拉粘结强度（MPa） 单位面积质量（g/㎡）
单向织物（布） ≥3100 ≥2.1×105 ≥1.5 ≥600 ≥35 ≥Max{2.5，ftk}，且为混凝土内聚破坏 300
2）粘贴碳纤维的胶粘剂必须采用专门配制的改性环氧树脂胶粘剂，其胶粘剂的基本性能达到A级胶的要求且为浸渍/粘结与修补兼用的单一胶粘剂。
3）粘贴碳纤维的底胶为浸渍/粘贴与修补兼用的单一胶粘剂
（2）工艺程序
构件表面处理→贴片前基层处理→用环氧裂缝修补剂FCS对构件表面残缺修补→涂胶粘剂→贴碳纤维片→养护→涂装
（3）工艺要求
粘贴碳纤维工艺的关键在于碳纤维粘贴的紧密、牢固性，保证与原结构形式成整体，能够共同工作。同时，碳纤维粘贴及养护固化期内，桥面不宜行车。
施工工艺为满足上述要求，需正确的掌握工艺流程，每道工序都要有利于保证碳纤维粘贴紧密。
（4）施工质量要求
1）碳纤维片材已按规定裁剪；
2）气温、空气湿度、构件表面含水率符合规定；
3）底涂和环氧腻子达到指触干燥（树脂表面达到固化硬结）；
4）环氧树脂的类型和施工时的气温适合，主剂和固化剂按规定的比例称量准确，装入容器用搅拌器拌合均匀，一次调和量应在可使用时间内用完；
5）碳纤维片材规格、贴片位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合设计规定。
6） 养护严格遵守自然养护的时间要求。
5、结语
桥梁加固是一项系统而繁杂的工程。随着国家基础建设设施的逐步投入，大型、特大型的桥梁工程已经相当普及，在负荷运行一定时期后，必然会出现一系列的缺陷和通病，因此旧桥的加固、维修工作将是后期项目建设的大趋势。桥梁的维修加固是一项技术上可行、经济上合理的举措，也是一项节约能耗、注重环保的工程。
