桥址区地形较平缓,跨越的沟渠中部局部地段为负地形,大致呈锅底状,雨季排水较为不畅通,并经常存有死水滩,随后几日,缓慢下渗至地下深处。根据原始勘察资料,桥址区0~10.0m范围内黄土(粉土)具Ⅱ级非自重湿陷性(中等),湿陷系数δs=0.023~0.080,自重系数δzs=0.015~0.034,自重湿陷量Δzs=6.19cm,总湿陷量Δs=56.88cm,桥台基础持力层位于该地层上,虽采用0.5m厚灰土垫层进行地基处理,但处理范围仅在基础之下局部范围内,对基础周围地表水的下渗未起防水作用,从而使地表水扩散运移至基础以下湿陷性黄土之中,在荷载作用下,产生湿陷下沉。其下沉速度较为缓慢,且随季节具有一定的规律,在雨季期间,下沉较迅速,雨季后地下水下渗至地表深处时,下沉较为缓慢或停止。根据地勘报告,基底附加应力为203kPa,第一层土的平均附加应力+自重应力约为124.5kPa,大于9.4m以上土层的湿陷起始压力,故第一层土在上部荷载作用和浸水状态下,0~9.4m范围内将会产生附加湿陷变形,变形量为56.88-2.46=54.42cm。据以上综合分析,桥台地基沉降量主要由湿陷变形量和土层压缩变形量组成,其总的变形量为54.42+8.223=62.64cm,目前已沉降约33cm,完成总沉降的52.7%,以后还会继续下沉,因此对其进行加固是非常必要的。
2桥梁的加固设计
本文针对其出现的桥台整体沉降的病害提出了两个具体加固方案。
2.1方案一
a)在原两侧桥台前1.35m加设双柱式桥墩,形成(1.7+12.6+1.7)m跨径的双悬臂板结构,桥台的支撑作用慢慢消失,新的柱式墩主要起支撑主梁作用,b)铲除后期养护逐年增加的沥青混凝土,以减轻上部恒载,利用液压顶升设备将空心板抬升,恢复原桥面的设计标高。c)在墩顶原铺装层增设一层直径25mm的钢筋网用以承担墩顶负弯矩。d)墩盖梁达到设计强度后,顶升主梁,落梁于墩顶支座上,形成双悬臂结构,完成体系转换。e)将原桥的背墙和侧墙均相应进行加高,原桥台基础周围需做防水封闭处理,以防止其继续渗水下沉。
2.2方案二
a)先采用直径为127mm的钻头钻孔,钻孔按梅花型布置,孔间距为1m,钻孔深度为7m,要求钻孔必须穿透原桥的扩基底部,用直径为127mm的PVC管做护壁。b)通过PVC管将直径为110mm,长度为8m钢管桩垂直击打到原桥扩大基础底以下8m处,利用钢管桩加固原有桥位处的地基,通过桩土复合作用共同承担桥梁的上部荷载。c)为了减轻上部的自重,铲除原桥面沥青混凝土铺装25cm,利用液压顶升设备将主梁进行顶升,梁下垫增高度为25cm焊接好的槽钢,同时更换原桥支座。d)待主梁放下与支座紧密结合好后,需对桥台处进行桥面连续的施工,浇筑钢筋混凝土和沥青混凝土,重新摊铺沥青混凝土铺装层。e)原桥台基础周围需做防水封闭处理,以防止其继续渗水下沉。
3设计方案比对
针对前述桥梁病害以及现行桥梁规范,为彻底消除隐患,保证现有桥梁的正常使用,本文拟定了两个加固设计方案。
4结论
本文通过K706+547小桥整体沉降病害的分析,对其提出了两种加固方案,最终通过造价、施工工艺、加固效果的比较确定方案一为推荐方案。通过MIDAS-civil软件对加固后的桥梁主梁进行了计算分析,根据《公桥规》对其正常使用极限状态应力进行了验算,包括短期效应组合,长期效应组合和基本组合下主梁的应力均满足要求,这说明针对这种病害通过增加桥墩改变原桥的结构体系的加固方案,在理论和实际当中均是合理可行的,对以后该类型桥梁的病害加固提出一定的指导意义。
关键词:桥梁;旧桥加固;管理
河南省鹤壁市的公路旧桥一般都具有一个通性:荷载等级低、使用年限长的特点。从技术资料分析,大多数桥梁是三不知:①不知基底地质;②不知基础深度;③不知隐蔽部分的尺寸。从桥梁技术状况分析,由于河床屡遭洪水冲刷,河床底部加深,桥梁墩台基础外露、冲空,产生不均匀沉降,导致桥台、拱圈产生附加应力而出现开裂,有的甚至出现开合现象;有的桥梁由于桥台较高,受行车及台后土压力的作用,桥台出现开裂、凸肚等病害;桥面混凝土铺装层由于使用时间长加之重车作用,导致开裂、剥落等病害。按桥梁技术状况来评定大多属三类桥梁。随着鹤壁市国民经济的发展和市重点工程的建设,目前鹤壁市的公路桥梁所承受的负荷主要有3个特点:
①交通量不断增大;②重型车辆增加及超载现象严重;③超限运输的出现和增加。按现在桥梁和运输状况,桥梁的承载能力和通过的车辆荷载是公路与运输的矛盾之一。旧桥加固,提高旧桥的承载能力,确保交通运输的安全是目前和今后面临的任务。本文按桥梁的组成部分介绍桥梁的加固方法。
一、塞缝灌浆
塞缝灌浆是把按一定比例配制的水泥(砂)浆、环氧树脂(砂)浆,通过喷浆机按一定压力灌入结构物缝隙内,起到填塞裂缝、避免钢筋锈蚀并提高结构整体强度的作用。裂缝在桥梁病害中较为普遍,产生裂缝的原因很多,也很复杂。结构物一旦出现裂缝,其受力截面发生应力重分布,也就意味着受力有效截面变小,结构应力增大,承载能力降低。塞缝灌浆是用胶结材料把结构的裂缝填满,使力的作用、传递尽可能恢复到原状态。
塞缝灌浆一般用于处理桥梁上、下部结构裂缝,灌浆分为水泥浆、水泥砂浆、环氧树脂浆、环氧树脂、砂浆等,具体采用哪一种,应视实际情况而定。通常水泥(砂)浆用于石砌墩、台和拱圈裂缝,由裂缝的大小来决定灌浆中是否掺砂,采用水泥(砂)浆造价低、效果好。环氧树脂浆一般用于钢筋混凝土结构物,因为钢筋混凝土构件产生的裂缝较小,易灌满,粘结性好;环氧树脂砂浆多用于桥面裂缝。
塞缝灌浆的通常做法是:先用1:1水泥砂浆勾缝,勾缝时须预留直径约6-8mm的灌浆孔,孔距视裂缝宽度而定,缝宽处孔距为0.6-1.0m,缝小处孔距为0.4-0.6m。待勾缝砂浆达到一定强度后即可灌浆。钢筋混凝土梁的裂缝较小,用环氧树脂勾缝,凡大于0.2mm的裂缝都要留孔灌浆,孔距一般为0.25-0.30m,灌浆方法与灌水泥浆大致相同。在公路旧桥加固中,塞缝灌浆是综合处治的方法之一,用得比较普遍,通过试载及使用观察,效果较好。
二、上部结构改建
在调查研究旧桥的基础上,经过技术、经济比较,采用充分利用原桥进行拼宽,利用桥台将拱式结构改为板式结构的加固方法,使其满足超限运输要求。
(一)拼宽原桥
对验算不能满足超限运输要求的旧桥,经技术经济比较后,按实际通过的超限运输荷载设计拼宽桥梁,以确保超限运输安全。
(二)利用原桥台改拱式结构为板式结构
对于小跨径石拱桥,由于拱圈厚度不能满足超限运输要求或因地基较差发生不均匀沉降,致使拱圈开裂,降低承载能力,可采用此办法。
三、旧桥下部结构加固
桥台特别是高度较大的桥台,受行车荷载和土压力作用,常见病害有桥台开裂、凸肚,翼墙外崩、开裂、错位等。对于跨径较小,水流不大的石拱桥,我们采用在桥跨内加钢筋混凝土框架进行加固。
四、旧桥基础加固
桥梁基础特别是天然地基上的浅基础,由于埋置深度较浅,易受河水冲刷而淘空。受河水改道冲刷桥梁引道,导致桥台基础冲空,引道被毁。桥梁地基局部软弱,致使桥台发生不均匀沉降,引起桥台开裂等。针对以上病害,我们采取对河床用浆砌片石进行铺砌,上游河床设置丁坝,打木桩扩大桥台基础等方法进行加固。
对于跨径较小的桥梁,由于河水改道,洪水直接冲刷桥台基础,导致基础冲空甚至掉脚,可采取在桥跨范围内满铺15号片石混凝土的方法进行加固,铺砌厚度为30cm,铺砌两端设置截水墙,截水墙的深度为1m,宽度为0.6m。采用该法共加固桥涵8座。对于桥梁上游河床变迁、水流改道,洪水直接冲刷桥台基础和桥台引道,导致桥台基础冲空、引道被毁的桥梁,采取在桥梁上游适当位置设置丁坝等调治构造物,将河水导入主河道。
五、桥面铺装层的加固
桥面铺装层开裂或剥离等病害,对于钢筋混凝土梁板桥容易使钢筋锈蚀,减弱桥梁的横向整体性;对于石拱桥,由于桥面雨水下渗,加大了拱上填料的含水量,使拱圈出现渗水现象等;同时由于桥面铺装层的破损,引起桥面平整度差,车辆通行时,使桥梁产生震动,对桥梁产生不利影响,同时又加重了桥面铺装层的病害。根据桥梁的具体情况,采用不同的加固方法,对于使用年限长、破损严重的采用拆除、修复的加固方案。而对于病害较轻,使用年限短,且混凝土强度仍符合设计要求的则先处治病害,在不降低设计荷载标准的前提下可采用加铺沥青碎石层的方案。
六、公路旧桥的管理
加强公路旧桥的管理,并进行维修和加固,使其处于正常的工作状态,充分发挥旧桥的作用,是公路管理部门的一项主要任务。对于旧桥的超限运输管理工作具有工期短、要求高、工程量较小、前期工作量大等特点,公路超限运输一般是为国家或省的重点建设工程服务,我们的经验是:
对于经常过大件的路段,桥梁进行重点检查和管理,收集原始档案材料,掌握其动态;在施工中注意抓重点、制约工程;重视加固工程中原始资料的收集和整理工作,为今后的加固工程积累经验;充分调动基层单位的积极性,正确处理责、权、利的关系。
笔者认为公路旧桥的维修加固同样属于桥梁工程,不能重建轻养,旧桥的加固比新建还难,因为旧桥的维修加固,没有现成的规范,更没有可供使用的标准图,桥梁的病害又错综复杂,病害原因难以确定,因此,应充分重视公路旧桥的管理工作,加大资金投入,使其保持良好的工作状态,确保公路运输的安全。
目前制约旧桥加固工作的主要因素是资金问题,在养路资金紧缺的情况下,投入到旧桥加固上的资金更加有限,为此建议采用以下办法逐步解决:(1)公路局应加大对大中型桥梁加固资金的投入,并将属于危桥的小桥纳入这个范围,集中资金重点解决危桥的加固;(2)对于桥梁的小修保养,应纳入公路小修保养议标中,特别是实行养路工程费制后,可将各县(区)局管养的桥梁编入小修保养工程量清单内,对道班不能承担的项目可安排有专业资质的工程队施工,公路局加强检查和考核。
参考文献:
1.蒙云.桥梁加固与改造.重庆:重庆大学出版社,1989.1
2.中国公路:编辑部加强旧危桥梁养护管理工作的通知(交公路法〈1999〉74号)
桥梁结构应具有足够的强度,以承受作用于其上的重力和附加力;结构各部必须具有足够的刚度,以使其在荷载作用下不产生过大的挠曲和变形;结构各部尺寸必须具有适当大小,以使其承受轴向压力时的构件不发生屈曲,丧失稳定性。同时结构也要具有较高的耐久性。由于作用荷载的随机性、材料强度的离散性、制造与施工质量的分散性、计算假定的近似性,致使在长期使用过程中桥梁结构产生病害,其具体原因如下:
1.原设计荷载偏低,交通发展后车辆荷载增大,桥梁因承载能力不足而产生病害。
2.结构设计中存在缺陷,如采用桥型结构不当、设计假定不尽合理。
3.桥梁施工质量差,未按设计要求和施工规程实施。
4.不重视桥梁后期养护工作,没有及时消除己产生的病害。
5.洪水等自然灾害使桥梁产生损坏。
6.地质条件差,如滑坡、软基等导致桥梁产生病害。
二、桥梁加固的一般流程
在桥梁结构发生病害后,需要采取措施进行加固维修或者更换。桥梁加固工程一般应遵循以下工作程序:
结构可靠性鉴定—加固方案确定—加固设计—施丁组织设计—施工—验收。
结构可靠性鉴定,主要是对病害结构的病情诊断。加固方案好比处方,加固设计是现行规范及有关标准对加固方案的深化过程。加固施工是对被加固结构按加固设计进行加固的施工过程,对于大型结构加固,为确保质量和安全,施工前应编制施工组织设计。
三、桥梁加固增强技术
桥梁的增强改造可以分为裂缝修补和对桥梁结构的加固增强,下面介绍其特点及其适用的场合。
(一)裂缝修补技术
裂缝修补的目的在于恢复结构物的防水性和耐久性,主要技术有:
1.表面处理法,在微裂缝的表面涂抹填料及防水材料,以提高其防水性和耐久性。对于宽度发生变化的裂缝,要设法使用有伸缩性的材料。
2.注浆法,在裂缝中注入树脂或水泥类材料,以提高其防水性及耐久性。主要注浆材料是环氧树脂,多采用低压低速注入法。环氧树脂注入法与钢钉并用,可以增强裂缝部位的整体性,是一种防止裂缝继续发展的好办法。
3.充填法,这是一种适合于修补较宽裂缝的方法,具体做法是沿裂缝凿一条深槽,然后在槽内嵌补各种粘结材料,如水泥砂浆、环氧砂浆、膨胀水泥砂浆、环氧树脂硅、沥青及各种化学补强剂等。4.表面喷涂法,喷浆修补是一种在经凿毛处理的裂缝表面,喷射一层密实而且粘度高的水泥砂浆保护层,来封闭裂缝的修补方法。喷浆前,需要把结构表面的剥离部分除去,再用水冲洗清洁,并在开始喷浆之前把基层湿润,然后再开始喷浆。
5.粘结钢板封闭法,当钢筋硂构件产生主拉应力裂缝时,可对裂缝先进行处理之后,再在裂缝处粘结钢板,并用膨胀螺栓对钢板加压。钢板粘结方向应和裂缝方向垂直。
(二)桥梁加固增强技术
本文以最常见的桥梁结构形式的上部结构及其常见的加固方法进行说明。
梁式桥上部结构加固增强技术主要有加大截面加固法、外部粘贴加固法、外部预应力加固法、改变结构体系加固法、增设纵梁加固法。
加大截面加固法采用增大构件的截面面积,根据荷载大小和净空条件不同,可分为以加大截面面积为主和加配钢筋为主两种加固方案。
外部粘贴加固法系用型钢、玻璃钢等材料通过环氧树脂等粘合剂粘贴在结构外部,以提高结构承载能力的一种方法。适用于构件尺寸受限制但又必须大幅度提高结构承载能力的场合,必须保证粘和剂的质量
外部预应力加固法指运用预应力原理,在增设的构件或原有构件上施加一定初始应力的一种加固方法。采用对受拉区施加预加压力,可以抵消部分自重应力,起到卸载、减小跨中挠度、减小裂缝宽度或闭合裂缝的作用。
改变结构体系加固法通过增设支撑或桥墩,把简支变为连续、在梁下增设如钢架等加劲梁或叠合梁,以减小梁内控制截面峰值弯矩,提高承载能力的一种加固方法。
增设纵梁加固法在桥梁墩、台基础稳定,并具有足够承载能力的情况下,可采用增设承载能力高和刚度大的新纵梁,这些新梁与旧梁连接在一起共同受力。由于应运中的车辆荷载在新增主梁后的桥梁结构中重新分布,使原梁中所受荷载得以减少,加固后的桥梁承载能力和刚度得以提高。当增设的纵梁位于主梁的一侧或两侧时,兼有拓宽的作用。此法适用于梁体结构基础完好,而承载能力不能满足要求的场合。
(三)桥梁结构加固新技术——锚喷
随着施喷机具的发展以及速凝剂的采用,人们把喷射硂与锚杆、钢筋网等配合起来使用,促进了锚喷技术的完善。实践证明,锚喷技术完全可以应用于桥梁上部结构的加固增强。
根据大桥外观检测及荷载试验报告,目前大桥出现了混凝土表面蜂窝、麻面;保护层较薄,箍筋外露;底板混凝土剥落、钢筋外露锈蚀,翼缘板间渗水,预应力混凝土T梁梁体裂缝,横隔板断裂,盖梁裂缝和桩基露筋、部分支座出现局部脱空、老化、开裂和剪切变形、钢板锈蚀、防尘罩破损等现象。
2主要病害原因分析
2.1通行车辆
该桥修建于20世纪80年代,已经运营27年。原桥梁设计为一级公路桥梁,按照交通部《公路工程技术标准》(JTJ001-97)的规定,一般能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量为15000~30000辆。免费通行前交通量已经超过了原设计交通量的60.2%,免费通行后,交通量较免费通行前又增加19.8%。按照交通部《公路工程技术标准》(JTGB01-2003),免费通行后平均日交通量是四车道一级公路能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量上限30000辆的1.92倍,平均日交通量已经达到六车道高速公路能适应的年平均日交通量标准(45000~80000辆)。由上可见,限载前,该公路大桥车流量远超过当初设计标准,再加上超载车的数量和超载重量都越来越多,对桥面铺装、T梁、支座、盖梁、桥墩等各个承重部位均造成不利影响。
2.2T梁病害
(1)混凝土施工质量较差,施工完成后,混凝土表面出现蜂窝、麻面;保护层较薄,箍筋外露;底板混凝土剥落、钢筋外露锈蚀,翼缘板间渗水。此类病害短期内不会引起桥梁承载能力的降低,但对结构耐久性影响较大。如表层混凝土剥落导致内部钢筋锈蚀,继而引起混凝土更大面积的锈蚀开裂,长期作用会降低截面刚度、减小钢筋的有效直径,对于预应力混凝土桥梁,如果钢绞线锈蚀后果将很严重。
(2)在主梁跨中1/4L~3/4L之间,腹板产生大量由下而上的竖向、斜向裂缝和对称贯通裂缝。该裂缝的主要成因是:主梁1/4L~3/4L跨附近承受较大弯剪导致梁体腹板混凝土主拉应力超过允许值,进而产生裂缝。而在主梁支点附近,梁体腹板上产生斜向裂缝。该类裂缝的主要成因是:主梁支点附近位置承受较大剪力,当主拉应力过大或腹板抗剪能力不足时会导致斜向剪切裂缝的产生。主梁斜截面强度不足会导致结构产生剪切性破坏,该类破坏属于脆性破坏,在桥梁结构中不允许发生。
2.3盖梁病害
由于桥梁运营时间较长,伸缩缝橡胶条破损漏水,盖梁上建筑垃圾堆积,排水不畅,加上盖梁混凝土施工缺陷,环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部,导致了混凝土碳化和钢筋锈胀,影响结构的受力性能和耐久性,部分盖梁的整体承载力降低。
2.4支座病害
桥梁支座已经使用27年,橡胶开始老化,钢板严重锈蚀,支座已经接近使用寿命。
3加固设计
针对此现状,考虑到原设计T梁抗裂安全储备较小,T梁间横向联系偏弱,考虑进行全面加固。除对出现病害的部位进行维修加固外,另从两个方面加强桥梁的横向联系和承载力:①对尚未出现但未来最可能出现病害的T梁进行整体性加固,提高T梁的承载能力;②对全桥T梁横隔板进行整体性加固,提高桥梁横向刚度;③将原有桥面铺装凿除,采用双层钢筋网片或并筋桥面铺装,加强桥梁的整体性。主要加固方案如下:
(1)对全桥已出现裂缝的所有T梁全部进行加固,考虑到桥梁西半幅未来通行重车的可能,有必要对西半幅未出现裂缝的部分T梁进行整体性加固,如西半幅单跨有2片及2片以上T梁出现裂缝需要加固的,则西半幅4片T梁全部加固。加固基本方案为裂缝封闭、破损修复后进行梁底粘贴钢板。腹板粘贴钢板。对梁体竖向裂缝严重的T梁增加体外预应力。本次加固中,考虑到20mT梁梁体未出现斜向裂缝,不采用腹板粘贴钢板加固;40mT梁腹板有竖向裂缝或斜向裂缝,采用腹板粘贴钢板加固,加固范围为2~6号横隔板之间的腹板,其中,跨中6.5m范围腹板粘贴水平钢板,其余粘贴斜向钢板,另1~2和6~7号横隔板间腹板出现裂缝,则对1~2和6~7号横隔板间腹板粘贴斜向钢板加固;50mT梁腹板有竖向裂缝或斜向裂缝,采用腹板粘贴钢板加固,加固范围为2~7号横隔板之间的腹板,其中,4~5号横隔板间腹板粘贴水平钢板,其余粘贴斜向钢板,另1~2和7~8号横隔板间腹板出现裂缝,则对1~2和7~8号横隔板间腹板粘贴斜向钢板加固。T梁自东向西依次为1#、2#、3#-7#T梁。腹板粘钢除116-1#、123-1#、124-1#、133-1#134-1#、135-1#梁采用方法1加固外,其余均采用方法2。而对于20mT梁、40mT梁和50mT梁梁体出现4条或4条以上竖向裂缝,或梁体出现2条或2条以上竖向贯通裂缝,则对T梁采用体外预应力加固,其余计划加固的T梁采用梁底粘贴钢板加固。
(2)对全桥未加固的所有横隔板进行加固,增大横隔板截面,加强横向联系,避免单梁受力。具体方案为对全桥尚未加固的20m、40m、50m跨T梁横隔板采取粘贴钢板加固或整体性加固,钢板材质采用Q345B,钢板厚度6mm,钢板外露表面进行防腐涂装。并对40m、50m跨T梁横隔板镂空的部分植入钢筋,浇筑快速修补料增大横隔板跨中截面。
(3)对出现裂缝和大面积锈胀的盖梁进行加固,对盖梁出现严重锈胀的部位进行处理,首先将锈胀部位混凝土凿掉,其次对发生锈胀钢筋进行除锈处理,后浇筑环氧混凝土(在破损区域过大处使用)进行修补,对病害严重或出现受力性裂缝的盖梁进行粘贴钢板加固。
4加固前后结果对比分析
经体外索加固后,虽然边梁的抗力值未变,但由于体外预应力索改善了结构的受力性能,边梁跨中弯矩值降低了4.9%。40mT梁经过粘贴钢板加固后,中梁的跨中承载能力较设计时提高了8.39%;50mT梁经过粘贴钢板加固后,中梁的跨中承载能力较设计时提高了53.2%。且加固后所有梁截面抗力R≥计算弯矩Mj,中梁、边梁的持久状况和正常使用状况的各项指标均满足《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)的要求。
5结语
本次加固基于相关的设计文件、竣工文件及历次检查、检测、试验和评估报告,参考相关设计规范,分别采用桥梁专用软件Midas、桥梁博士、以及人工手算方式进行计算、复核,所有设计满足要求。本次共加固20mT梁44片,40mT梁112片,50mT梁94片,20m跨径横隔板569片,40m跨径横隔板1459片50m跨径横隔板2571片,经检测部门鉴定验收,所有加固质量符合要求。桥梁加固技术是目前桥梁工程中一个新的研究领域,选择合理的加固方案是保证桥梁加固效果、质量及减少成本的重要前提,文章结合工程实例,提出了某大桥T梁、横隔板及盖梁的加固设计方案,解决了旧桥不用拆除重建而又能满足设计要求的目的,节约了成本和工期。本文方法为以后同类工程加固设计提供了参考。
关键词:公路桥梁;加固;施工技术
前言
随着我国交通量日益增加,单车重量也不断增大。为了适应道路运输载重量不断发展的要求,人们发现桥梁的混凝土开裂、剥落、衰变及钢筋的锈蚀(管道灌浆不饱满普遍存在)对桥梁的损害问题非常严重,需要大量的资金来维护或改建,现实使人们开始重视混凝土桥梁的耐久性。提高混凝土桥梁耐久性的技术途径有两个,一是采用高性能混凝土,以提高混凝土的抗渗性、匀质性、抗冻性,从而提高混凝土抵抗碳化和冷冻侵袭的能力;另外一种是提高既有桥梁耐久性的有效途径即对缺陷桥梁进行加固改造,延长其使用寿命。
一、工程概况
某桥为一斜腿刚架钢筋混凝土桥,1973年建成,通车至今已30多年。全桥在横桥向由六个刚架片组成,刚架片之间通过桥面连续以及横隔板连接,每个刚架片在拱脚和跨中铰接,形成三铰斜腿刚架桥。边跨梁一端直接搁置在桥台上,另一端搁置在中跨主梁端部的牛腿上。主桥计算跨径21.65M。全桥长26M,桥面净宽7M。设计荷载汽一26,拖一100。由于种种原因,桥梁结构出现了一些病害,主要有斜腿主筋、箍筋出现锈蚀,铁锈膨胀引起混凝土保护层剥落等。
二、桥粱加固的基本方法与原则
1、加固原则
加固设计以原桥为基础,在不改变原桥结构型式的前提下,对原桥主要受力构件进行加固,加固设计必须考虑以下几个重点:
1、下部结构具有足够的潜力。
2、加固后必须要达到能通过重吨的单车的要求。
3、因为下部是航道,所以在跨中腹板和斜腿加固过程中,应尽量保持原有净空,不得使下部空间削减过多。
4、对各开裂构件的表面进行修补,保证构件表面光滑而连续。
5、在补强的同时,应注意加固物本身自重对原桥的影响。
6、加固后保持桥梁的整体美观。
2、加固方法
根据目前该桥的交通情况,通过加固,将原桥设计荷载提高为能通过单车重车吨加固设计、加固施工完成后,还要对该桥进行静力荷载试验,以检测桥梁加固工程是否合格,确保其安全性。加固盖梁和桥墩,待桥墩压浆完毕,桥梁整体稳定后再进行封闭盖粱与桥墩裂缝,盖梁底部出现裂缝的部位作环氧硅,增加盖梁截面积,盖梁侧面粘贴钢板桥墩外侧先纵向粘贴碳纤维片,再环向粘贴碳纤维片将裂缝部位封住。
桥梁加固一般是通过对构件的补强和结构性能的改善来恢复或提高现有桥梁的承载能力,以延长使用年限,适应现代交通运输的要求。其改造的主要技术途径有加强薄弱构件、增加辅助构件、改变结构体系、减轻恒载、加固墩台及基础等。
三、加固理论计算
为了从整体上把握桥身在加固前各个部分在外部荷载作用下所产生的应力分布特征,找到最不利截面,为加固方案提供详细的理论依据,特利用大型有限元计算软件ANSYS对该桥梁结构进行了数值模拟分析。
1、计算模型采用数据
主跨、边跨型梁截面基本尺:T梁全高;H=800MM,上翼缘宽:B1=1250MM,翼缘高度:T=220MM;T梁下宽:B=250MM。
斜腿支点附近矩形截面基本尺寸:截面高度:H=500MM,截面宽度:B=250MM,材料特性:C30混凝土强性模量:E=3.0*10MPA;混凝土泊松比:V=0.1667。钢材泊松比:V=0.3。
2、有限元模型建立
全桥横向共由六榻梁组成,各棍梁的形态结构均一致,因此,先对单榻梁以及斜腿建立有限元计算模型。考虑到主梁结构复杂,斜腿截面沿纵桥向变化,为了能更真实的反映结构的空间特性,采用8节点的solid45空间实体单元进行模拟共划分节点6868个单元,4202个离散;如图1所示:
3、支承条件
由于加固将改变整个桥梁的支承条件,即将中跨跨中的铰接改回原设计方案中的固接,同时,将斜腿趾部的铰接改为固接,这会导致整个刚架片的应力重分布,而后的加固正是针对应力重分布后的结构进行处理的,因此,在有限元模拟加固前的结构应力分布时,各截面尺寸虽然按照加固前计算,但支承条件,在中跨跨中和斜腿趾部按照固接计算,而其他部位按铰接算。
四、加固措施
1、封缝处理
先用钢丝刷清除裂缝表面的灰尘、浮碴及松散物,确定需要封闭的范围,用气压0.2MPA的压缩空气清除缝内浮尘,用工业丙酮将裂缝刷洗干净。沿清理好的缝涂一层环氧树脂胶留出埋设灌浆底座的位置,待胶干后用树脂胶埋设灌浆底座。灌浆材料选用一灌浆材料,在干燥或潮湿环境下固化具有收缩性小、强度高、韧性好、可灌性好等特点,浆液配比均有说明。
施工顺序先将配制好的浆液吸人软管,装好注浆器,逐孔灌浆,如单孔不足可取下灌浆器补充后再继续灌注,灌后及时堵死灌浆孔。灌浆完毕待树脂初凝后凿除灌桨底座,并用环氧树脂胶封缝.
2、盖梁加固
盖梁侧面粘贴的钢板应预先设计尺寸裁出备用,在盖梁侧面放出粘钢位置大样用切割机沿边线切割砼深1CM,然后用钢钎凿毛,剔出带槽,在剔好的槽内按设计锚固间距钻孔,空乓机吹净孔内粉尘后用配好的环氧树脂在孔内植人螺栓。根据盖梁预埋螺栓情况确定钢带钻孔位置,用角磨机对钥板猫合面除锈并打出横纹猫结前用丙酮对钢板猫结面及硷表面进行擦拭,以去除灰尘及油渍。硅表面用毛刷涂一道环氧胶液,钢板翁结面涂抹配好的环氧砂浆,砂浆涂抹宜中厚外薄,均匀一致,然后对准孔位粘合到硅表面。钢板粘好后立即紧固螺母,交替间隔紧固,同时不断轻敲钢板使砂浆扩散,排出气泡,使钥板平整,浆体饱满密实。粘完钢板30H后,用小锤轻敲钢板表面,判断密实程度如钢板猫结面小于此应剥下重粘。钢板猫结合格后应及时刷防锈漆。钢板的环氧砂浆固化后,支立模板在盖梁底部浇筑环氧砂浆。
环氧硷应浇筑密实,与原硅结为一体。
3、桥墩加固处理
设计要求桥墩侧面裂缝封缝后先在侧面纵向粘贴两层碳纤维片,再环向粘贴两层碳纤维片。碳纤维片与其他加固方法相比具有高强、耐腐蚀、不增加构件自重、便于施工等特点。加固前对加固桥面进行交通控制,尽可能对加固构件卸荷对加固底面的硅表层出现的剥落、空鼓、腐蚀等部位应先凿除,用角磨机、砂纸等除去硷表面的浮浆、油污,构件表面打磨平整,转角处打成圆弧状。硅表面清理干净并保持干燥。将底层树脂均匀刷于硷表面,待固化后以指触干燥为准,再将构件表面凹陷部位用找平胶填平。浸润胶调好后均匀涂于待粘贴部位,将裁好的碳纤维片粘于构件上用滚筒反复滚压去除气泡,将浸润胶充分浸透碳纤维片,待碳纤维片表面指触干燥后可进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维片表面均匀涂抹浸润胶。碳纤维片端部用横向碳纤维片固定。碳纤维片与硷的粘结质量可用手压碳纤维片表面的方法检查,总有效面积不应小于95%,当空鼓面积小于10000MM2时,可用针管注胶的方法进行修补,当空鼓面积大于10000MM2时应将空鼓部位的碳纤维片切除重新搭接等量的碳纤维片,搭接长度不应小于100MM。加固后的碳纤维片表面应涂一层水泥漆进行保护。
五、结束语
总之,公路桥梁加固技术是二十一世纪公路桥梁施工领域发展速度最快、用途最广的一门科学技术。然而加固施工工艺相对较复杂,要求桥梁加固工程取长补短,不仅延长了原桥的使用寿命,同时还增强了原桥的承载能力。因此,加速我国旧桥加固或改造技术的研究,不仅能更好地、及时地为现代交通运输服务,而且能为国家带来巨大的经济效益和社会效益。
参考文献:
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[2]王银桥陈亨锦,预应力混凝土连续箱梁加固设计[J]桥梁建设,2007年03期
在各式“彩虹”桥伫立的背后,饱含着一批专门从事相关研究科学工作者的艰辛汗水,华南理工大学土木与交通学院桥梁教研室单成林教授是其中一员。
30多年前,单成林考取重庆交通交通大学桥梁专业,在此之前他没想过自己有朝一日能够用妙笔绘就“彩虹桥”。然而当他选择沉浸下去,逐渐发现了其中的奥妙和乐趣,这一干就是30余年。
30年披荆斩棘,30年风雨兼程。30年时光里,单成林走过祖国南部的许多地方,先后从事过桥梁施工、设计、监理、科研及教学工作。主持和参与了国家自然基金、省部级等多个项目,多年来共负责和参加过55座大、中桥梁的设计及加固设计工作。
“积跬步至千里,积小流成江海。”通过实践不断磨砺,单成林逐渐从一名普通的科教人员成长为专业领域的知名专家。在时光的雕琢中,他累积了丰富的经验,形成了一套自己“特有”的科研思路和方法,而善于在实践中发现问题,解决问题成为其致力创新“开花结果”的重要“秘诀”之一。
自开展科研以来,单成林将主要的精力放在新结构、新材料在桥梁上的应用及桥梁加固设计理论领域,其专著、论文、专利、评奖及推广应用大多是该领域的内容,其复合材料正交异性桥面板及桥梁加固设计理论研究都走在国内最前沿,有些研究成果国内至今未见他人有类似的成果报道。尤其在桥梁加固设计理论方面,其成果在学术性、实用性及数量上都是国内极少数贡献比较多的学者之一。
8年前,单成林在桥梁加固领域的研究设计中,注意到一个普遍现象:当时国内加固设计无章可依,大多做些加固前的复核性计算,对于真正的加固设计计算,或不做,或仅做承载力计算,且呈现出五花八门的乱象。当时国内对桥梁加固后的设计计算只有一些零散的、局部的研究,有些方面只有概念,更无相关桥梁加固设计方面的规范。
能不能将这些较为散乱的桥梁加固设计研究形成一套系统的、深入的、具有可操作性的依据呢?单成林在工作中强烈感到这一工作的重要性。凭借过去在这方面累积的深厚的研究基础和功底,2004年,开始独自撰写《旧桥加固设计原理及计算示例》专著。全书52.5万字,融入了单成林自己的一些加固设计理念,2007年年初由人民交通出版社出版。值得一提的是,该书不仅成为从事桥梁加固研究人员、设计人员的重要参考用书,还成为后来国内桥梁加固规范编写的重要参考书,他本人还参与了交通运输部的“公路桥梁加固设计规范”评审。至今,该书也是桥梁加固设计方面写得最深入、最全面、最具实用性的著作,已被发表的期刊论文和学位论文引用150次。随后2011年由科学技术文献出版社出版了单成林撰写的另一部16.7万字的《混凝土梁式桥加固设计理论及试验》专著,现今成为参与住建部“城市桥梁结构加固技术规程”编写工作的基础,负责内容最多、最复杂的预应力加固设计一章,目前已形成征求意见稿。
多年来以第一作者发表桥梁加固方面的论文35篇,授权第一作者国家发明专利1项,实用新型专利5项,正进入专利受理实审阶段的第一作者发明专利8项。
Ren Zhenhua
(Shanxi Yuncheng Road & Bridge Co.,Ltd.,Yuncheng 044000,China)
摘要:随着我国经济的不断发展,对公路、铁路运输的要求的也越来越高,而这其中,桥梁技术是非常重要的环节。我国的桥梁技术自上个世纪八十年代以来,发展较为迅速,但是对桥梁的保养、维护、维修、加固技术的发展则比较缓慢,进度也相对滞后,这是目前我国公路桥梁发展的主要技术缺陷。本文重要探讨与研究如何使用碳纤维加固技术,使桥梁施工更加稳固。
Abstract: With the development of China's economy, the requirement of highway and railway transportation. Bridge technology is an important link. From 1980s, China's bridge technology develops rapidly. But service, maintenance and repair and reinforcement technology, the main technological defect of China's highway and bridge, develops slower. This paper mainly discussed how to use techniques of reinforcing bridge with carbon fiber.
关键词:碳纤维 加固桥梁
Key words: carbon fiber;reinforce bridg
中图分类号:U44文献标识码:A文章编号:1006-4311(2011)19-0068-01
0引言
随着国民经济的不断发展,公路桥梁的建筑也越来越受到高度的关注,因为公路桥梁的建筑不仅关系物流的四通八达,也关系着人民的生命财产安全。就目前的情况而言,我国的公路桥梁建筑没什么大问题,但是在桥梁的保养、维修、加固及技术改造方面仍然有所欠缺,尤其是加固技术需要技术人员进一步的加强与改良。
1材料及其性能
将碳纤维材料用于混凝土结构建筑,加强建筑结构的加固修复,是近几年来新开发的一项技术,这项新技术的优点在于,他利用浸渍树脂,将碳纤维材料制成的补助构件,沿着受损混凝土构件的受力方向,亦或是垂直于受损构件的受力方向,牢牢粘贴在受损构件之上,因为碳纤维材料优秀的韧性,使之与构件充分结合在一起,共同工作,发挥作用,从而有效的起到对混凝土构件的加固加强。
在桥梁加固施工中,通常使用两种碳纤维材料,分别是碳纤维复合材料包括碳纤维布和粘接材料,下面我们来做一个简单的介绍:①碳纤维布,碳纤维布是目前桥梁加固技术中运用最为广泛的材料,碳纤维布弹性好,不易被拉扯断,强度高,可以承受受损构件带来的巨大压力,韧性好,可以有效弥补受损构件的功能,同时,单根纤维间强度变化小、在制造与处理过程中强度稳定并保持不变。②粘接材料,粘接材料的功能就是将碳纤维与受损的混凝土构件连接在一起,具有一个纽带的作用。所以,粘接材料是碳纤维与受损构件是否能够连接在一起的重要关键点,也是两者传力途径中的薄弱环节,因此,粘接材料应当具有足够的刚度与强度以及韧性,才能够有效保障碳纤维与受损混凝土构件之间的剪力的传递,也不会因为混凝土构件的开裂从而导致脆性粘接的破坏。
2碳纤维加固的主要特点
作为一种新型的高效桥梁加固技术,碳纤维加固技术具有以下的几个特点:①使用碳纤维加固与其它加固方法比较,碳纤维布加固技术因为碳纤维独特的强度与韧性不会再增加构件的承载压力,也不会进一步的扩大断面的尺寸,进一步说,碳纤维加固技术不会影响整座桥梁的结构外观,也不会减小桥下空间。②碳纤维加固技术施工十分简单,技术也并不复杂,所以不需要使用大型设备,而施工的工期也比较短,施工过程中,可以不受空间的限制,在碳纤维与受损构件的连接时,因为碳纤维布本身的柔性特点,所以碳纤维布可以与任何一种形状的受损构件进行连接,对其进行加固,成型非常方便。③在进行碳纤维布加固时,依据碳纤维布本身的刚度与强度,再通过环氧树脂等粘结材料与受损混凝土构件进行有效的粘结,从而不需要再额外设置锚栓或者是凿开混凝土,所以不会损伤原有完好的构件。④在进行碳纤维布加固时,由于碳纤维布本身柔性很好的特点,当他粘贴在受损混凝土构件表面的时候,能够有效封闭并连接受损混凝土构件表面的裂缝,并能强力约束混凝土结构裂缝的生成,阻止裂缝的进一步扩展。⑤在加固时,由于受损构件的老化,可能使用的碳纤维布也许不止一次,但是碳纤维布能够在同一个部位不断缠绕、重叠、粘贴,从而充分的满足构件的补强要求,将加固的效果达到最佳。
3碳纤维加固技术的计算
虽然碳纤维加固技术有诸多优点,但是在施工时也不能有半点马虎,必须经过严格周详的计算,才能够进行施工。
①碳纤维布虽然柔韧性极好,但也仅仅能在活载作用下承担一部分承载压力,所以,在施工前的计算时,应当根据相应的弹性模式比值,并且按照极限应力法来计算碳纤维布的应力状态。②碳纤维布在进行加固时,技术人员应当先对受损构件的截面进行假定:当受损构件弯曲后,他的截面仍然保持为平面,那么在加固时,粘贴的碳纤维布材料的拉力应变能力仍然按照截面假定计算进行确定,但是也不能够超过碳纤维布材料的容许拉力应变强度。③在碳纤维布的加固时,应当注意,钢筋应力等于钢筋应变与其弹性模量的乘积,但是不大于其设计的强度值,否则尽管碳纤维布的柔韧性较好,但是也无法承受巨大的压力。④在达到受弯承载力极限状态前,碳纤维片材与混凝土之间必须粘结可靠,不发生粘结剥离破坏。⑤碳纤维布加固混凝土结构的破坏模式较多,且与受拉钢筋间的相关性较大,需判定加固后构件的极限状态。
4结语
在世纪初,我国加入世贸组织后,公路运输、铁路运输行业变得越来越炙手可热,交通运输量的增长幅度,每年都有50%左右,高速增长的经济与运输量,迫使我们必须重视公路交通,因为公路交通在国民经济中的作用和地位越来越显著地为人们所重视,而与此同时,公路桥梁的建设也已经进入了大家的视线。
目前,我国桥梁建造技术已经进入了世界领先水平,但是很遗憾,我国对桥梁的维修并不是十分严重,以为建成一座桥梁,就可以一劳永逸,却不知这种想法大错特错。桥梁也有他的使用期限,也会老化,当桥梁出现损伤的时候,如果不能进行及时加固,则会加快桥梁的老化。所以,我们应当重视桥梁加固技术。
所以,我们必须尽快认识到碳纤维加固技术对于桥梁加固的重要意义,伴随着碳纤维修复和补强技术的不断深入的研究和进一步的发展,该项先进技术必将广泛为工程界所接受和采用,真正、有效地提高桥梁通行荷载及安全性能,为我们的公路工程建设服务。
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关键词:既有浅基桥梁;成因;整治措施;分析
Abstract: This article from the existing bridge with shallow foundation formation reason and the present situation, briefly analyzes the existing bridge with shallow foundation treatment measures, hoping to help our bridge safety.
Key words: existing bridge with shallow foundation; cause; control measures;
analysis
中图分类号:TU7 文献标识码: A文章编号:2095-2104(2012)
1.序言
近几年来, 随着我国经济的又好又快发展,国家加大了基础建设的力度,投资建设了公路、铁路等基础设施,桥梁作为交通运输的纽带发挥着越来越重要的作用,许多既有的桥梁由于私自滥采河沙、河流冲刷、污染物质侵蚀等原因,给桥梁的基础安全以及桥梁运营的安全带来严重的隐患。马磊在《桥基安全防护技术研究》一文中提出:“随着公路建设的快速发展,高速公路建设已大规模的进入山区。山区高速公路中纵向桥梁的数量增加较多,桥墩顺河道排列,数量多,范围大,对水流的干扰较大;同时桥梁下部结构也受到了水流和推移质的强烈作用,特别是峡谷河段河道狭窄、比降较大,且多跌坎;山洪暴发时,水流速度快、波动大,并携带较大的卵石或漂石,水流的冲击力和滚石的撞击力都会对桥梁下部结构的安全造成严重威胁,河道行洪和桥梁安全问题出。”①因此,必须重视既有浅基桥梁的整治工作,确保交通安全。
2.既有浅基桥梁的整治措施
2.1加强对既有浅基桥梁的保护措施
加强对既有浅基桥梁的保护是既有浅基桥梁整治的一项重要措施,其中最重要的是要禁止在桥梁周边区域采砂、挖坑。随着建设事业的逐步升温,作为主要建筑材料的河沙的需求量激增,非法采集砂石能为桥梁周边地区的当地居民带来可观的收入,导致非法采集砂石屡禁不止,违规非法采集砂石加快了河床的下降速度,造成桥梁基础埋置深度减小,形成浅基桥梁,据有关部门统计,非法采集砂石已经成为既有桥梁的第一杀手。违规非法采集砂石严重影响到了桥梁及通
限载通车的安徽六安县黑石渡大桥
行的安全,因此,桥梁管理部门同桥梁所在地地方人民政府联合打击非法采砂成为浅基桥梁的重要整治措施。在加大打击非法采集砂石力度的同时,在距离桥墩一定距离的下游修建拦砂防护坝可以有效保证桥梁基础的地埋深度,是对既有浅基桥梁实行保护的重要措施。《中华人民共和国铁路法》第四十六条规定:“在铁路线路和铁路桥梁、涵洞两侧一定距离内,修建山塘、水库、堤坝,开挖河道、干渠,采石挖砂,打井取水,影响铁路路基稳定或者危害铁路桥梁、涵洞安全的,由县级以上地方人民政府责令停止建设或者采挖、打井等活动,限期恢复原状或者责令采取必要的安全防护措施。”刑法也对破坏桥梁的行为处以3年以上10年以下有期徒刑的处罚。法律的规定,使非法采集砂石的行为远离了桥墩,使在距离桥墩一定距离的下游修建拦砂防护坝成为了可能。
2.2做好桥梁的加固防护
做好桥梁的加固防护也是既有浅基桥梁的重要整治措施,该防护措施可分为局部的加固防护措施和整体的加固防护措施。既有浅基桥梁的自然环境方面的侵害主要来源于河床的侵蚀作用、河流的冲刷以及河流携带的泥沙及卵石、粗颗粒等对桥墩的撞击、摩擦而出现磨蚀,从而造成桥墩地埋深度减少、基础掏空等现象,严重影响桥墩的稳定性,给桥梁本身和交通安全带来巨大的隐患。为了有效防止这些自然因素对既有浅基桥梁带来的可能损害,需要对浅基桥梁进行局部防护和整体防护。主要是通过减弱河流冲刷能力的方法,逐步提高桥墩的抗冲刷能力,或者采取深埋桥梁基础,加大桥梁安全深度的方法,来减小自然因素对既有浅基桥梁造成损害的可能性。按照“因地制宜、就地取材、经济合理”的原则,以实现根治为目的,充分考虑既有浅基桥梁防护工程的长期效益,对既有浅基桥梁实行永久或半永久的防护,确保加固防护的耐久性。防护方法主要有以下四种:一是减轻水流对桥梁的冲击;二是提高桥墩的抗冲刷能力;三是增加桥墩的埋深;四是在下游设置拦砂坝。要结合对河流的集中整治,充分考虑既有浅基桥梁的整体抗冲击强度,尽可能地减少对河道的挤压。切实实现加固防护一处、杜绝一处隐患的终极目标。在实施桥梁的加固防护时,要综合考虑桥梁所在区域的地质条件、气候条件、河流的水文特征等因素对既有浅基桥梁的影响,制定科学、合理的施工方案,既可以通过修建护岸、护坡、河床护砌及丁坝、顺坝、导流堤等永久性建筑控制河流对桥墩的冲击,减少河床下降和冲刷的概率。同时还要采取生物措施,如建设防护林进行防风固沙等手段对既有浅基桥梁进行必要的防护。
注:①引自:《桥基安全防护技术研究》。作者:马磊。2009年10月7日。
参考文献:
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