目前,我国为扩大国家经济内需,不少高速公路已建成投入运营中,还有不少正在建设的高速公路和其它等级的公路也即将建成投入运营。但是,由于施工质量和桥梁设计等方面的原因,使得桥梁的检测和加固成为必要,更因为新中国成立以来所修建的不少旧桥,受到当时的设计、材料、施工等方面的影响和局限,先天不足,加上不能适应目前交通量的迅猛增长,使得旧桥的检测和加固技术显得非常迫切。
1. 维修加固方法
目前,关于混凝土桥梁加固方法主要有:桥面铺装补强层加固法、截面增强和配筋加固法、锚喷混凝土加固法、体外张拉预应力加固法、粘贴钢板(钢筋)加固法、改变结构受力体系加固法、增设纵梁加固法、增加横向联系加固法以及近几年刚刚兴起的粘贴碳纤维布加固法;对裂缝进行封闭或压浆处理;粘贴纤维布(板)加固法等等。
1.1桥面补强层加固法
当采用桥面补强层加固法时,需将原桥面铺装全部凿除或凿毛,然后加铺一定厚度的补强层,以增大主梁有效高度及改变桥梁荷载横向分布能力,从而达到提高单梁承载能力或桥梁结构整体承载能力的目的。该加固方法实施的前提是原主梁具有足够的配筋率且桥梁结构处于良好的工作状态。该方法的缺点在于凿除或凿毛桥面铺装时一般无法采用机械化施工手段,全部工作均由手工作业完成,用工量较大,工期较长,并有可能对原结构(如主梁等)造成一定的损伤,因此,该方法一般是结合桥面铺装的大修工程进行的,很少有为提高承载能力而增铺桥面铺装的加固实例。
1.2截面增强法
当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时,通常采用增大构件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是在梁底面或侧面加大尺寸,增加配筋,提高梁的有效高度和抗弯强度,从而提高梁的承载能力的目的。然而,由于增大截面法在施工过程中全部的作业,需在梁底进行,施工难度较大且施工质量难以控制。因此,尽管在某些情况下,费用并不太大,但以上因素制约了该技术的广泛应用,一般用于T型截面梁的加固维修。如:河南南阳桐柏淮河大桥加固。
1.3改变结构受力体系加固法
改变结构受力体系加固法是通过改变桥梁结构受力体系以达到提高结构整体承载能力的目的,是一种变被动为主动的加固方法。该方法需对原结构的受力状况进行仔细的现场调查与分析,在此基础上,确定拟采用的新的结构受力体系转换方法以及施工工艺、措施,并对转换后的桥梁结构进行可靠的受力分析,最终确定桥梁结构整体承载能力的提高幅度,判断是否满足规定交通荷载等级的需要。
该加固方法的技术关键是如何有效降低桥梁各控制截面的计算内力,常见的如通过在简支梁下增设支架或桥墩,以减小桥梁跨径;通过在相邻简支梁支点区域进行连接处理,将简支梁桥变为连续梁桥,以降低跨中计算弯矩;通过在梁下增设钢桁架或叠合梁,以分担原结构的内力等。最简单的如通过简支体系变连续体系,以降低跨中弯矩,但该技术争议颇大,特别是相邻梁端负弯矩区的处理技术,是困扰该技术推广应用的难点。因此,尽管国内有此类加固实例的报道,但施工改造时,一般要涉及到桥面铺装的再处理,增加了改造费用,且加固效果受负弯矩区施工质量的影响较大,目前极少单独采用。
1.4碳纤维复合材料(CFRP)加固贴法
当交通量增加,主梁出现承载能力不足,或纵向主筋出现严重腐蚀的情况时,梁板桥的主梁会出现严重的横向裂缝。采用粘结剂及锚栓,将钢板或炭纤维条粘贴锚固在混凝土结构的受拉面或其它薄弱部位,使钢板与加固混凝土结构形成整体,以钢板或碳纤维条代替增设的补强钢筋,达到提高梁的承载能力的目的。该方法具有基本不改变原结构的尺寸、施工简单、技术可靠、短期加固效果较好且工艺成熟等优点,近些年,在钢筋混凝土桥梁的加固维修中为公路部门广泛采纳,是近几年应用最多的加固方法。碳纤维加固技术是近几年内才由国外引进的一种新技术,因其强度高、耐腐蚀、施工简便等优点,目前已广泛应用于实际工程中。如:广深高速公路福田互通立交桥加固、107国道(深圳段)洋涌河大桥加固。然而,由于碳纤维本身的一些缺陷,如脆性、耐火性不好等使得这种材料的应用受到限制。
1.5 筋混凝土套箍或护套加固法
当桥梁墩台由于埋置深度不够,或因施工质量控制不严等原因,导致墩台开裂破损时,有时会出现贯通裂缝,可采用钢筋混凝土围带或钢箍进行加固。当墩台损坏严重,如有严重裂缝及大面积表面破损、风化和剥落时,则可采用围绕整个墩台设置钢筋混凝土护套的方法进行加固。
1.6 压力灌浆和凿槽嵌补法
各类混凝土梁桥的裂缝修补,对于缝宽小于0.3mm的裂缝或表面裂缝,可采用表面封闭;对于0.3~0.5mm的裂缝,可采用化学灌浆封闭;对于大于0.5mm的裂缝,则需采用凿槽嵌补法修复。裂缝较大时采用手压泵注浆;裂缝较细或灌浆量小时采用注射器注浆;封闭应严格;作业要防火、防毒;凿槽嵌补时,应将槽内清除干净,用水泥砂浆填补时槽内应湿润,用环氧砂浆时槽内应干燥。
1.7 粘贴纤维布(板)加固法
粘贴纤维片加固法是近几年兴起的新型结构加固技术。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)是一种性能优良的混凝土结构加固材料,它具有强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点,是近十年来在日本以及欧美等发达国家兴起的一项新型结构加固技术。目前,国内外已有不少研究机构针对公路桥梁开展了相关的应用研究,我国己有应用该技术加固桥梁的实例见诸报道。
在上述加固方法中,除粘贴(钢板、纤维布)加固法施工较为简单外,其它方法无论是施工工艺还是设计计算都是比较复杂的,且一般需要在封闭交通的条件下方能实施,因此无论从社会效益还是经济效益的角度都是不利的。
当前在结构加固补强中,碳纤维加固技术应用较为广泛。然而,由于碳纤维本身的一些缺陷,如脆性、耐火性不好等使得这种材料的应用受到限制。芳纶纤维(Aramid Fiber)是已工业化的高性能增强纤维中唯一的有机纤维,与碳纤维相比,密度小,拉伸强度下降在20%左右,而断裂伸长率则提高60%以上。芳纶纤维的抗冲击和耐疲劳性能要大大优于碳纤维,在耐火性能、耐腐蚀方面亦要好于碳纤维。芳纶纤维的另一个显著优于碳纤维的特点是其破坏为非脆性,破坏前出现颈缩、有明显征兆。芳纶复合材料作为新型的复合材料具有超高强、超高模量、抗冲击、耐高温、耐腐蚀和比重轻等特性,利用其优越的性能对桥梁抗震加固有着广泛的应用前景。
2. 加固效果与经济效益分析
加固后需要对桥梁进行检测和观察,在不断总结经验和技术进步的基础上形成专门规范,以确定加固的效果。桥梁加固后的上部结构通常是用静载或动载试验,将试验结果与加固设计的计算结果进行对比,来判断桥梁加固成功与否。但对下部结构而言,不方便进行荷载试验,通过其频率变化来定量评估桥墩的加固效果。
3. 结束语
桥梁加固应形成专门的规范,在不断总结经验和技术进步的基础上,应形成桥梁加固的专门规范。尽管建设桥梁时,充分考虑了当时当地远景经济发展和社会诸多方面的要求,采取了时代最先进技术和材料,但仍然难以摆脱历史的局限性。早期建设的桥梁,标准低,承载力不足,成为公路交通的“瓶颈”,结合桥梁实际,采用合适的维修与加固技术,可使旧、危桥满足使用要求继续服务,让有限的投资发挥更大的效益。
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