三峡专用公路桥梁加固及施工工艺研究
2015-09-14
1 工程概况
三峡专用公路是三峡工程对外交通的主干道，为全封闭、全立交、双向四车道的山岭区准一级汽车专用公路，全长28km，于1996年10月建成通车。全线共有大中小桥27座，其中特大桥3座，大桥9座，中桥14座，小桥1座。其中特大桥均为钢管砼拱结构，大桥为75m~125m连续箱梁、30m预应力简支T梁和16m空心板结构，中小桥除了宋家沟中桥为1-30m混凝土板拱桥外，其余均为30m预应力简支T梁和16m空心板。
2病害形式及加固措施
2.1 空心板裂缝
检测发现多数空心板桥梁的底板上横向贯穿裂缝较普遍，有些板的裂缝从底板向侧面延伸。
首先对裂缝按以下原则进行处理：裂缝宽度＜0.15mm，封闭处理；裂缝宽度≥0.15mm，灌浆处理；裂缝宽度≥5mm，填充胶泥处理。
此外，当部分空心板板底裂缝较多或裂缝超限（≥0.2mm）时，结构刚度降低、结构开裂处会发生应力重新分布。因此，除了对空心板裂缝进行封闭和灌浆处理外，还采取在板底粘贴碳纤维布进行加固。
2.2 墩台身、墩台帽裂缝
墩台身裂缝多为竖向，破损较严重的墩台身伴有横向裂缝。部分墩台帽梁在正弯矩区或负弯矩区沿主拉应力的垂直方向产生裂缝。分析原因是由于地基不均匀沉降或墩台身（墩台帽）砼强度及配筋不足等原因所产生。加固措施为首先对裂缝处理后，再在裂缝处粘贴钢板加固。
2.3 拱桥主拱圈和腹拱圈出现裂缝
根据荷载试验和结构验算，该桥主拱圈和部分腹拱圈的刚度不足。最初设计采用拱底植钢筋网、加厚拱圈、立墙粘贴碳纤维布的加固方案，后来优化调整为在主拱跨中部位粘贴纵横向钢板、腹拱及立墙粘贴横向钢板的加固方案，较原方案可大量减轻结构自重，同时施工简便可靠。
2.4 箱梁斜向剪切缝、横隔板竖向剪切缝
荷载试验结果表明，梁端和箱梁腹板抗剪能力不足。加固措施为在腹板内外两侧局部范围粘贴钢板（纵向和斜向布置）、墩顶及跨中横隔梁粘贴钢板（水平布置）、底板外侧部局部范围纵向粘贴碳纤维布、腹板内侧局部竖向粘贴碳纤维布。
2.5 特大桥钢管拱内混凝土脱粘空洞
荷载试验分析表明跨中拱顶截面应力校验系数较大是由于钢管拱内局部混凝土与钢管脱粘导致局部钢管应力偏大引起的。加固措施为对脱粘厚度1mm以上，且沿桥纵向连续脱粘长度大于100cm的脱粘空洞采用灌浆法修补。
2.6 支座损坏
对损坏及严重变形的空心板和T梁支座，采取整体顶升梁板进行更换。
3 施工工艺
上述病害加固措施归纳起来主要有：裂缝封闭、裂缝灌浆、粘贴碳纤维布、粘贴钢板、梁板整体顶升更换支座、钢管拱灌浆等，其施工工艺如下。
3.1 裂缝封闭（裂缝宽度＜0.15mm）
先用高速砂轮片沿裂缝走向打磨，开V型槽，深约1mm~2mm，宽约4mm~6mm；再对打磨区域除污去尘，用丙酮或酒精清洗干净；最后用混凝土修补胶将裂缝表面或V型槽封闭、压实、刮平，封闭裂缝。
3.2 裂缝灌浆（0.15mm≤裂缝宽度＜5mm）
1）工艺流程：裂缝的测量与记录→缝口清理→粘贴灌胶嘴→密封胶封闭裂缝→密封检查→配置灌缝胶注入胶液→养护→表面清理；2）裂缝缝口表面的处理：先用钢丝轮清除掉缝口6cm范围的灰尘和污垢，再对缝口两旁密封部分除污去尘，并用压缩空气吹除缝内浮尘；3）埋设灌浆嘴：裂缝表面处理完后，将灌浆嘴埋设在裂缝的交叉处、较宽处、端部或经拓宽处理的缝口部位，埋设间距为300 mm~500mm；4）封缝：灌浆嘴埋设后，沿缝口用混凝土密封胶材料进行密封，封缝厚度约1mm~2mm，宽度约30mm~50mm；5）密封检查：待密封胶达到强度后，沿缝涂抹一层肥皂水，并隔1 000mm~2 000mm的间距把中间的注浆孔用螺栓（缠生胶带）堵上，从灌浆嘴中通入压缩空气，对于密封的缝上有冒泡现象的，则对该部位重新密封；6）配制注缝胶注胶：严格按说明书控制浆液的配制比例，采用空压机进行压力灌浆灌浆压力控制在0.2MPa～0.5MPa之间，防止压力过大使裂缝封堵材料爆裂。 灌浆由低端向高端进行，灌浆时间隔预留出气孔和进浆孔，当出气孔出浆后，再把其作为进浆孔再进行灌注，依序进行，前面的进浆孔予以密封，直至灌完；7）封口结束：待浆液初凝后即拆下灌浆嘴，清除密封层,并将灌浆嘴处用密封胶抹平。
3.3粘贴碳纤维布
1）工艺流程：混凝土表面处理→配制并涂刷底层胶→涂刷浸渍胶→粘贴碳纤维布→表面防护→固化与养护；2）混凝土表面处理：用钢丝轮角磨机打磨混凝土表层的劣化层，并用吹风机吹净，露出干净、结构坚实的表面。对基面尖锐凸起的部位，用角磨机磨平，对于转角粘贴部位，用角磨机进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径R≥25mm。最后用无油压缩空气吹除粉尘，使得表面干净并保持干燥；3）配置并涂刷底层胶：按配方比例配置底层胶，用滚筒刷或毛刷将底层胶均匀涂抹于混凝土表面。涂刷时应力求薄而均匀，厚度不得超过1mm，钢筋及凸凹不平等难于涂刷部位须反复涂刷。待胶体表面指触干燥后，再进行下一步施工；4）涂刷浸渍胶：按配方比例配置浸渍胶，均匀涂抹于需要粘贴的混凝土表面，搭接、拐角等部位要多涂抹一遍；5）粘贴碳纤维布：将碳纤维布用手轻压贴于粘贴处，用特制的滚筒或塑料批刀沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，并使浸渍胶充分浸透碳纤维布，且不要损伤碳纤维布，这是确保粘贴碳纤维布施工质量的关键。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面指触干燥后进行下层的粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹表层胶，带胶体凝固后用小锤进行敲击检查其粘接情况，如出现空敲等粘结不密实现象，应采取补救措施，保证粘接面粘接率大于95%；6）表面防护：最外层表面在涂抹浸渍胶后须再用人工或机械在表面点粘砂粒，增加表面粗糙度，然后用空压泵喷涂一层水泥胶砂，使处理后梁体表面颜色一致；7）固化与养护：采取措施保证碳纤布粘贴后不受污染或雨水侵蚀，24小时内确保不受外力硬性冲击等干扰，自然养护时间为5天左右。
3.4 粘贴钢板
1）工艺流程：画线定位→被粘混凝土表面和钢板表面处理→植化学锚栓→安装钢板→封边→灌注粘钢胶→固化→检查→表面防腐；2）划线定位：根据加固施工图，准确地在混凝土表面划出粘贴部位轮廓线及锚栓位置；3）表面处理：对混凝土表面进行打磨，除去2mm~3mm厚表层，直到露出新鲜混凝土面，并用无油空压机进行除灰，再用酒精清洗干净，对凹凸不平的位置进行修补处理。对钢板粘结面用角磨机打磨除锈，直到露出金属光泽，并用棉纱沾丙酮擦拭干净；4）植化学锚栓：将化学锚栓按设计要求植入混凝土；5）钢板安装：采用磁力钻在钢板上钻出锚栓孔，将钢板通过化学锚栓螺杆固定在粘贴位置，钢板与砼面之间留出不小于3mm间隙以便灌胶，可采用加塞3mm铁丝进行控制；6）封边：将注胶嘴粘结在钢板的注入孔上，在钢板边缘插入排气管，在螺杆外露端头用高强封堵材料包裹密封，然后用钢板封边胶封闭螺杆和钢板边缘。注胶嘴布置间距为50cm~60cm。用批刀将钢板周边缝隙、注胶嘴周边间隙用封边胶密封，封边胶与梁底板成近似45°角；7）灌注粘钢胶：按照由低往高的顺序从较低的一端开始注胶；邻注胶嘴开始有胶液流出后，在当前注胶嘴持续灌注2min~5min，同时用小锤持续敲击检查当前注胶嘴与下一注胶嘴之间的钢板段的注胶密实度，在确认该段钢板内胶液已密实后，将当前注胶嘴封闭，移至下一注胶嘴继续注胶。注胶压力控制在0.3MPa~0.5MPa，注胶的同时用小锤持续敲击钢板，提高胶液流动性，在通过检查最后一个排气管口周围已满胶并确定连续出胶无气泡后进行封堵，封堵后维持较低压力稳压注入3min~10min封堵注胶嘴；8）检测：小锤敲击钢板检验钢板的有效粘结面积，锚固区有效粘贴面积不小于95%，并对空鼓位置进行补灌；9）表面防腐：钢板表面喷涂水泥胶砂进行表面防腐。
3.5梁板整体顶升更换支座
1）工艺流程：安放千斤顶→联接、调试千斤顶和油泵站→顶升准备→梁体同步顶升→更换支座→回油松降千斤顶；2）安放千斤顶：采用板型联动式液压千斤顶，该千斤顶结构紧凑、扁平、体积小，可以直接置于梁底和盖梁或台帽之间，完成顶升作业。千斤顶要安放平稳，顶升支点严格对正T梁肋板或空心板两肋以防梁体损伤，上下均垫钢板以防混凝土局部损伤；3）联接、调试千斤顶和油泵站，确保全套顶升设备的机械完好率100%；4）顶升准备：顶升期间封闭交通，设备操作人员、监测人员明确分工，各就各位，统一指挥。首先缓慢加压、回油回油2次~3次，目的在于排出油管内的空气，并可以调节每个千斤顶钢板和梁体横隔板梁接触点的受力状况大至相同；5）梁体同步顶升：油泵站继续增油，各梁体同步、同幅顶升，顶升量不得超过计算值，不得造成桥梁上部桥面铺装和桥面连续部位的结构层受力破坏。顶升全过程应密切观察梁体和墩台情况，若有异常应立即停止顶升；6）更换支座：当梁体被顶升6mm~7mm，这时关紧输油油阀及各个千斤顶油管连接处的油阀，并停止油泵站工作，进行支座更换。
3.6 钢管拱灌浆
1）工艺流程：脱粘空洞检测→机械开孔→粘接灌浆嘴→配置灌浆液灌浆→养护→封闭灌浆口；2）脱粘空洞检测：采取锤击结合超声波的方法进行全桥详细检测，并绘制空洞现状图；3）机械开孔：依据空洞现状图，确定灌浆孔开孔的位置，在空洞端部、空洞交叉处和空洞较宽处应设灌浆孔，贯穿性空洞两端都必须设灌浆孔。采取机械钻孔，不得采用高温切割，同时采取降温措施，以保证主拱肋开孔位置处温度不发生急剧升高。开孔直径为8mm的圆形孔，间距50cm~100cm，不得同时在同一断面上开孔；4）粘接灌浆嘴：灌浆嘴粘接牢固、密封，灌浆前压气逐一检查灌浆孔的连通和密封效果；5）配置灌浆液：严格按产品确定的配合比配置灌浆料，搅拌均匀，配置好的灌浆料要在初凝时间内使用完毕。灌浆要求在夜间封闭交通时施工，灌浆顺序竖缝自下而上，平缝自一端向另一端逐一进行，灌浆压力0.3MPa~1MPa；6）养护：在浆液凝固后且有一定强度（抗压强度>20MPa）后方可开放交通。在未完成灌浆且灌浆材料强度未达到设计强度的80％前，须对交通严格管制；7）封闭灌浆口：待灌浆液固化后，拆除灌浆嘴，再次检测拱肋混凝土是否密实，如不密实，应进行二次灌浆。确认密实后，用钢板和粘钢胶将灌浆孔封闭，表面进行防腐处理。
4 结论
以上介绍的加固方法只是众多加固方法中的一部分，加固技术作为一门新兴技术，正随着新材料、新工艺的不断涌现而日益进步。目前全国有数以万计的桥梁亟待加固，科学合理又经济的加固方法会带来显著的经济和社会效益。首先要对桥梁病害进行全面细致的调查，必要时进行荷载试验，然后正确分析病害产生的原因，再结合结构验算制定科学、经济的加固方案。施工中要严格控制施工材料和工艺。目前市场上加固材料鱼目混杂，施工企业良莠不齐。由于桥梁加固工程施工具有影响因素多、质量隐蔽性强、检查难以及带载施工风险高等特点，比新建桥梁还复杂，因此对技术和过程管理要求很高，没有一定的设计、施工经验，对被加固桥梁没有充分的认识理解，不可能做出一个成功的加固项目。因此选择优质的加固材料和专业技术雄厚、管理规范的施工企业尤其关键。
