复杂异型板桥区粘钢加固施工关键技术

2011-09-03崔松涛

铁道标准设计 2011年9期

崔松涛

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

1 工程概况

国贸桥一期异型板区域位于北京市东三环中路与建国门外大街的交叉路口北侧，南北向长约35.6 m，东西向长约65 m，面积约1800㎡。桥梁上部结构为现浇混凝土异型连续板，结构高度0.76 m，异型板分为对称的东西两块，中间为沉降缝，异型板南北两侧均为预应力混凝土简支梁结构。

由于受近年大型市政工程建设的影响，异型板区域墩柱累计沉降及差异沉降较大，中横梁及异型板底面产生了大量的裂缝(图1)。该裂缝的出现直接导致了结构安全储备的降低和耐久性下降。为保证桥梁结构安全，经方案论证，制定的加固方案共包括三方面内容［1，2］:

图1 一期异型板裂缝发展状况

(1)桥梁基础补桩并扩大承台，通过在承台和桩体之间施加预加顶力，实现新旧桩体部分受力转换，最终共同受力［3，4］。

(2)对中横梁采用主动加固的概念，在既有桥梁墩柱两侧增设π形钢盖梁，将原桥的“单点支承”转化为“三点支承”，从而改善中横梁及其邻近区域的受力条件。

(3)对于异型板采用全桥底板粘贴钢板的技术，实施系统桥板加固。

本文主要针对上述第3项关键技术进行介绍与讨论。

2 异型板结构受力特点及裂缝状况

2.1 异型板结构受力特点

“桥梁异型板”市政工程领域称为“多点支承异型板”，其上部结构为不规则平面形状的实体板，以适应复杂线形或平面布置要求，桥梁下部墩柱通常直接支承在异型板下表面，在北京市政桥梁领域该结构形式被广泛应用于多座立交桥。异型板桥通常采用钢筋混凝土或局部预应力钢筋混凝土结构形式，除具有钢筋混凝土桥梁的特点外，因其结构布设的特殊性，还具有以下的结构受力特征。

(1)结构整体空间效应较为突出，板体处于双向空间作用下，导致板内力分布不均匀，局部存在应力集中情况。

(2)桥墩在桥板下缘采用点支承方式承载，由于板体较薄，故支点处板受冲切作用明显。

(3)异型板区域墩柱支撑呈多个支点状态，且墩柱位置受平面位置影响，呈现不均匀布设的情况，受荷载的空间效应影响，横向各支点的反力分配不均匀，一般边支点反力较大。

(4)对于已经因地层沉降导致桥梁基础不均匀沉降的情况，以上不利状况有进一步加剧的状况。

2.2 加固前异型板裂缝特点

通过研究国贸桥一期异型板裂缝的性状，结合该桥异型板的裂缝破坏发展趋势的模拟，发现基础沉降是导致裂缝发展的主因，其分布规律为:主要集中在中墩横梁处、跨中及GM47与GM48墩翼缘边，其位置与规模在实际统计与数值模拟对比中吻合得较好。

为便于研究裂缝成因，区分裂缝部位的性状，并进一步确定加固方案，将桥板上的裂缝划分为5个区域，即:主桥轴向的横向裂缝区(2处)、盖梁斜裂缝区、匝道边缘的斜裂缝区、匝道与主桥轴向平行的裂缝区。如图2所示。

3 粘钢板加固设计

3.1 粘钢板加固设计原理

粘钢加固属于结构被动加固措施，该方法采用建筑结构胶将钢板直接粘贴在被加固的桥梁底板，形成“混凝土-钢板”叠合结构，钢板与钢筋混凝土板在胶

图2 异型板裂缝区域划分(西半幅)(单位:cm)

结材料的作用下形成整体受力构件，由于增加钢板使结构的受拉区的受力性状提升。通过粘钢能够有效提高异型板的刚度，提高板体的承载力及安全储备，改善破损结构的受力状态，并限制裂缝的进一步发展［3］。

3.2 设计及实施方案的确定

原设计拟采用整块钢板对桥板实施大面积粘钢，由于大面积钢板粘贴非常困难，缺乏有效的工艺保证措施，最终未能实现。后经设计、施工联合攻关，最终采用小幅钢板(共设宽度为1.5、0.5 m及不规则宽度3种钢板形式)进行分区域粘钢的方案。在实施加固措施时，遵从以下加固原则［1］。

(1)加劲梁周边实体板下缘以放射形倾斜裂缝为主，是由于加劲梁抗剪强度不足所致，为保证质量，提高钢板粘贴的保证率，采用宽1.5 m的横桥向条形钢板加固该区域。

(2)异型板周边支撑位置的裂缝为横桥向裂缝，大多是由于正弯矩区法向应力所致;采用宽0.5 m、净间距0.3 m垂直于裂缝的条形钢板来加固该区域。

(3)异型板的圆弧变宽边缘处的裂缝呈垂直边缘轮廓分布，属于周边应力集中条件下双向弯矩所致，该区域采用整体异型钢板加固。

(4)异型板顶面负弯矩区，由于顶面配筋较多及加劲梁处增加了板的厚度，改善了结构的受力状态。经检查该区域混凝土无裂缝，工作状态良好，故未进行加固。

全桥底板所粘贴的各型钢板厚度均为8 mm，粘贴钢板采用优质粘钢胶(满足A级胶标准)。具体的粘贴钢板布置见图3。

4 粘钢加固工艺的关键技术要求

4.1 钢板固定封边压力灌注法

本工程采用“钢板固定封边压力灌注法”［6，7］实施粘钢板，此方法由下而上地将型腔中胶体的气泡赶出，液状的高分子粘接剂通过压力及重力自动地充满钢板与混凝土结构之间的缝隙，使混凝土、粘接剂、钢板混为一体，接合保证率在95%以上，能够保证补强的质量。

图3 国贸桥异型板加固粘贴钢板设计(单位:cm)

施工中采用了地质雷达与钢筋定位仪探测技术，对既有结构内的钢筋进行准确定位，防止锚栓打孔破坏结构钢筋，避免降低加固过程对既有结构的损坏，由于定位技术的采用，提高了施工安全性和施工效率，使加固后的结构表面整洁、美观。

4.2 建筑材料

(1)锚栓及其附件

锚栓螺杆采用适用于加固开裂混凝土的倒锥式杆头螺杆，该形式的螺杆在实施植入后具有较好的抗震性，同时螺杆受力后所带动的混凝土体量较大，能够有效避免应力集中的发生。锚栓钢材等级为8.8级，锚栓杆体表面均进行特殊镀层防腐处理，要求热浸镀锌45 μm以上，保证防腐能力。采用的焊条、螺栓、垫圈、节点板等工程附件的防腐能力不低于杆体材料。

(2)胶粘剂关键指标［8］

外粘钢板选用专门配制的灌注粘结型改性环氧胶粘剂，胶粘剂须满足《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)A级胶性能要求，共需要满足11项关键指标，具体参见表1。

表1 工程使用A级胶性能指标

(3)震区胶粘剂韧性指标

北京地处8度地震区，震区用胶尚须满足韧性指标要求，在实施本工程时，《建筑结构加固工程施工质量验收规范》尚处于报批阶段，尚无可以依据的规范，在实施“抗冲击剥离能力”的测定时，实验装置参考了规范报批稿附录的相关要求。

4.3 主要施工技术

(1)钢筋探测技术

施工前采用地质雷达对桥面既有结构钢筋进行全面探测，探明钢筋位置，以便于在钢筋间隙处定位打孔。探测工作分2步进行，分别采用地质雷达和钢筋定位仪。

第一步:采用地质雷达实施整体探测，以确定钢筋的分布区域和范围，地质雷达选用900 MHz的天线，采用连续测量方式进行测定。

第二步:在地质雷达探测基础上，采用钢筋定位仪准确标定钢筋的准确位置和埋深，最终确定具体的孔位放样。

(2)粘贴材料表面处理及防腐要求

钢板及待加固混凝土表面的清洗处理是保证粘结质量的重要因素，对粘结层的加压是保证粘结质量的关键。对钢板厚度大于5 mm的结构(例如本工程)，应采用压力注胶粘接。钢板施工前，其粘胶表面应做喷砂除锈处理，要求达到Sa2.5级。对于钢板外露面的防腐处理，与钢结构桥梁的处理是一样的，其涂装体系，要求防腐年限达到15～25年以上。

(3)注胶工艺［9］

①注胶时间的选择。由于桥梁属带载加固，胶固化过程的初期必须避免大的振动，因此注胶时间选在晚间10点至次日4点，并考虑了交通临时管制的配合。

②注胶时应选择从每片钢板的最低点开始注胶，以利于注胶空腔内空气的排出。

③注胶压力严格控制在0.2～0.4 MPa，既要防止压力过大导致的封边损坏和漏胶，又要防止压力不足导致的腔体气泡排出困难。

④注胶的同时用橡皮锤持续敲击钢板，提高胶液流动性，通过声响、注入量、压力等综合判断胶液是否已满注。

⑤单片钢板注胶完成，待结构胶初凝后，用锤击法进行检查，空鼓部分需进行补注。

(4)粘贴钢板的质量检查［5］

钢板与混凝土之间的粘结质量可用锤击法(粘贴钢板后用小锤轻轻地敲击钢板的表面，从音响效果上判断粘贴效果)或超声波探测法进行检查。要求有效粘贴的推定面积不应小于总粘贴面积的95%，且任一连贯区域该值不应低于92%。

检查时应将粘贴的钢板分区，逐区测定空鼓面积(即无效粘贴面积);若单个空鼓面积不大于10 000 mm2，可采用钻孔注射法充胶修复;若单个空鼓面积大于10 000 mm2，应揭去重贴，并重新检查验收。

以下为现场粘钢施工现场(图4)和加固后桥梁竣工状态(图5)。