旧桥结构加固关键技术与工艺探讨

李 良 杰

(武汉轻工大学土建学院土木工程系，湖北 武汉 430023)

伴随着公路运输业的迅速发展，我国公路交通量和车辆荷载大幅增加，旧桥发生老化、损坏现象，承载能力明显下降，危桥数量逐年增多。这些桥梁由于当初设计等级不高、运营年限较长，部分梁体破损严重。而选取合适的补强方案和路面拓宽方案，能够还原与提升结构的承重能力和交通通行流畅，提高结构的服役年限。旧桥加固技术可以避免新修带来的巨额投资，还可以收到良好的社会经济效益；对原有的旧结构补强和改造，能够有效地避免安全问题带来的危险，同时是能够提高结构承载能力和服务水平的有效方法。引进和开发旧桥加固、改造的先进技术、材料和设备，合理确定加固、改造方案是确保桥梁健康运营的重要途径。

1 加固方案设计

本文依据对四川省成都市立交桥的检测和静载试验结果的分析，对实际工程旧立交桥加固方案设计和方案进行了评估，综合考虑各种因素，工程采用粘贴钢板法对旧桥主梁进行补强。

1.1 加固设计依据和原则

立交桥加固方案主要依据：

1)《公路桥梁设计通用规范》；2)《公路桥涵施工技术规范》；3)《混凝土结构加固技术规范》。

立交桥加固设计目的在于恢复设计通行能力，所以加固后荷载等级标准按现行公路二级进行加固设计。

桥梁的加固维修原则：

1)维修补强方案和施工应本着并充分利用原有结构条件，尽量避免对原来结构的损伤原则，应该充分确保原来工程的余留构件的安全性与耐久性。2)桥梁经补强加固施工后，其结构性能、承载能力及耐久性等必须满足设计和使用的需求。

1.2 桥梁结构常用补强方案

由于旧桥主梁梁体日积月累，多处严重破损，截面承载能力严重下降，不能满足现实的需求。通常，工程上采用增加截面的惯性矩来提高截面的承载能力。但是这种方法在技术或经济上不够合理，则可改变结构体系或者增强主梁间的横向联系，以减少主梁中的内力，也可施加体外预应力或采用其他有效的加固方法。

提高主梁截面的承载能力，加固办法通常有两大种类的方案：一是通过增设体外受拉钢筋或者增大主梁截面惯性矩，提高主梁承重能力；二是选用粘贴高强材料加固技术，也就是在混凝土受张力部位粘贴钢板、钢筋或碳纤维，提高主梁截面的抗弯、抗剪应力的能力。本次加固设计对粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法和加大截面加固法这三种常用的加固方法进行了分析。

1.2.1粘贴钢板加固法

粘贴钢板是粘贴加固中比较常见使用的一种方法，选用粘结剂主要是环氧树脂类制剂，选取来粘贴的加固材料应具备良好的抗拉性能，主要有三种材料：碳纤维布、钢板、钢筋。为了有效提升梁体的抗弯刚度，通常我们把这些增强材料布置在梁体的受拉区域，钢板粘贴在梁体的侧面和腹板处，方向为主拉应力线上，此方法能够降低结构的开裂破坏程度，提升梁体的抵抗弯矩和剪力破坏的能力。近些年来粘贴钢板加固法在结构补强维修工作中被社会最为广泛的采用。

1.2.2粘贴高强纤维加固法

碳纤维为高强纤维，其比强度极高，利用环氧树脂结合成一体后，在纤维方向上具有很高的抗拉强度，抗腐蚀性能也好，与此同时具备良好的抗疲劳、抗老化能力。碳纤维在加固补强工作中被采用于增加抗拉应力能力，通常布置在梁体的受拉区域。粘贴纤维材料加固的方法近年来使用较广。

1.2.3加大截面法

由于对截面的增加区域存在差异，扩大截面法既可以从梁板结构的上部加强，也可以从梁体的下部分加强。

1)从梁体结构的上部分加固。

可将梁桥原桥面铺装和三角垫层上传力结构改为受力结构。在桥面板上浇筑新的混凝土，使其与原T梁形成组合截面，增大主梁抗弯刚度。采用从梁板结构的上部加大截面(加厚桥面板)的加固方法。

2)从梁板结构的下部加强。

从梁板结构的下部加强，也是常用的加固方法之一。此法是在梁体的下部分增设钢板钢筋，用来提升结构的抗弯刚度，其中补强用的钢筋绑置在主筋上。

1.3 “T梁”加固方案选择

结构的加固设计，当有多个补强设计方案进行比较对比时，应该服从如下原则：1)计算分析校核应简单、施工方案合理易操作、技术路线务必成熟易复制。2)施工过程中粉尘、噪声、建筑垃圾等对周围的影响要小。3)施工要因地制宜易于操作、工艺要成熟、质量和工期要易于控制。4)施工的同时，要确保人身安全、行车安全和结构安全。5)工程造价应合理。6)加固后的结构耐久性要好，后期维护保养的费用要低，便于管理。

同时在比选过程中要满足下列要求：1)各加固设计方案应进行同等深度的比选。2)针对以上比选原则，应列表进行综合比选。

立交桥上部结构为T梁，经过多年运营，多处出现了病害：横隔板焊接钢板开裂、腹板端部剪切裂缝。梁腹板端部剪切裂缝是由于其抗剪强度不足引起，可采用加大截面、粘贴钢板等方法加固。加大截面需要植筋、绑扎钢筋网、浇筑混凝土，由于操作空间小，混凝土很难浇筑密实，加固效果不好，一般采用粘贴钢板加固。

由于荷载标准增大或超载引起的横隔板焊接钢板开裂，横隔板承担的横向弯矩超过其抗弯强度，出现连接钢板焊缝开裂。连接钢板焊缝开裂后，不再能承担横向弯矩，横向弯矩转由桥面板承担，因桥面板有效高度比横隔板小很多，必然出现桥面板纵向开裂的单板受力现象，此时桥梁的横向分布系数m=0.5，T梁内力增加很多，从而易产生单板破坏，容易导致桥梁坍塌的重大事故。

横隔板补强主要有加大截面、粘贴钢板、体外预应力等方法。加大截面需要凿除原横隔板混凝土，露出钢筋，将钢筋焊接并增加钢筋网后，浇筑混凝土，凿除原横隔板混凝土使T梁间横向联系完全解除，这需要封闭交通施工，桥下浇筑混凝土操作空间小，横隔板顶部混凝土难以浇筑密实。而体外预应力加固是在T梁腹板下部钻孔，安装预应力束，由于T梁下部钢筋布置密集，钻孔难以避免破坏钢筋，且钻孔不可能对中在一条直线上，这样就造成预应力钢束局部弯曲，易出现疲劳断裂等病害。而粘贴钢板工艺成熟，可在确保通行条件下施工，所以方案选用粘贴钢板法。

2 立交桥加固方案

针对桥梁主要病害，立交桥的加固方案如下：

1)立交桥上部结构为T梁，经过多年运营，出现了腹板端部剪切裂缝、横隔板焊接钢板开裂等病害，设计对腹板端部和横隔板部分进行了粘贴钢板加固补强，提高横向整体性。

2)对桥梁进行了两侧加宽，提高了其承载能力和通行能力。

3)凿除原有所有的桥面铺装，重新浇筑混凝土桥面铺装，更换伸缩缝。

4)对主梁肋板裂缝采用灌浆法或环氧胶泥进行封闭。

5)原护栏予以拆除，改为墙式防撞护栏。

6)对主梁、盖梁外露锈蚀钢筋、脱落混凝土及其他部位混凝土缺损，采用丙乳砂浆进行填充。

3 粘贴加固施工

3.1 粘贴钢板加固工艺

粘贴钢板法采用环氧树脂粘结剂先涂在钢板上，然后将其压贴于破损处的裂缝位置上的方法。

施工工艺流程：施工准备→混凝土基面处理→植锚固螺栓→钢板下料、粘贴面处理→配胶、涂胶→钢板粘结→施压固定→表面防腐防潮处置→养护。

1)粘贴增强材料处的混凝土表面处理。

根据设计图纸，在粘钢加固补强区表面放出钢板位置大样，使梁体粗骨料外露，用角磨机安装金刚石圆锯片打磨去除粘贴区域表面6 mm左右厚的表层，并形成平整的粗糙面，对混凝土缺陷部位用DSJ修补胶进行事先修补，固化后再磨平。最后用压缩空气吹净表面粉尘，采用工业酒精擦拭表面，保持干净。还应对所使用的钢材、配套粘接剂、施工机具进行检查，做好施工准备工作。

2)植埋螺杆。

按设计要求，在粘贴区域沿粘贴钢板长度方向以不大于30 cm布置孔位，避开主裂缝，钻孔植埋M12膨胀螺栓，保证螺栓离粘贴钢板区域在7 cm左右。当螺栓孔的位置与板内钢筋交叉时，孔位可以沿轴线方向移动，移动范围不大于4 cm。盲孔直径为16 mm左右，孔深度为60 mm。对于施工前预制的盲孔采用压缩空气将孔底向孔外排出孔内的浮尘，采用无水酒精清洗盲孔，晾干后向盲孔内注入60%孔深的环氧类结构胶，将螺杆缓慢转动插入，然后立即填充树脂结构胶，使孔洞被填充满。

3)钢板构件制备和处理。

对A3钢板构件进行一次切割成型。由于在施工过程中，材料受高温变形，可采用局部降温措施，仍有变形的局部采用人工整平。在螺杆埋设处粘贴钢板并且放样钻孔，接着利用角磨机对钢板的粘贴面进行去锈和打磨操作，打磨至出现金属光泽，打磨过程中，其方向必须与钢板受力方向保持90°，打磨完毕后采用工业酒精将钢板粘贴面清理干净。如果长时间不用，可在钢板表面涂一层环氧基液防锈。

4)配制结构胶。

根据材料使用说明，按比例制备粘钢胶，力学性能参数如表1所示。

表1 粘接胶性能参数

5)粘贴钢板、加压固定。

先用工业酒精清洗处理粘贴区域混凝土表面和钢板粘贴面，然后再在钢板粘贴表面均匀涂抹一层中间厚两边薄的5 mm左右的厚度结构胶，胶的剪切强度应大于混凝土的剪切强度且大于4 MPa，当埋植螺杆的张力达到设计强度的75%左右的时候，将钢板贴合上，加垫片，紧固螺母，交替拧紧各加压螺杆，使多余的结构胶沿板缝及螺栓孔挤出，达到密贴程度。同时及时检查钢板下结构胶的饱满性。如果某些部位出现了胶液不足的情况，必须立即松开螺母，把胶液从钢板侧面填充入空隙处，始终保证钢板平整密贴。螺栓拧紧次序应按由内向外、由中间向两边的原则进行。

6)粘贴效果检验。

粘贴施工完成1 d左右，采用小锤轻敲钢板粘贴部位，从音响判断粘贴效果，如果发现粘贴锚固区有效粘贴面积小于应粘贴面的90%，非粘贴锚固区有效粘贴面积小于70%，则粘贴效果判定为无效，若发现空鼓量大或较为密集，则应铲除再重新粘贴。

7)局部防腐防潮处置。

粘贴施工完毕后，采用无水酒精清洗干净，同时用角磨机打磨掉遗漏在钢板表面的胶液，接着用钢丝刷清理钢板表面污渍和锈迹，最后反复涂刷防锈漆。使用水泥和107胶混合剂涂抹在补强钢板表面上。

8)养护、固化。

在常温下进行养护、固化，当环境温度保持在10 ℃以上时，24 h后达到一定强度，72 h后可投入使用。

3.2 加固质量控制要点

质量控制应当重点控制的几个方面：钢板粘贴面打磨无锈蚀，混凝土表面凿毛并清洗干净，粘贴面不小于98%，螺栓埋入深度适宜。

1)现场使用的钢材、混凝土和砂浆性能，应按工程项目取样检验，试验报告资料应齐全，材料性能应满足《公路桥涵施工技术规范》和《公路工程质量检验评定标准》的规定。2)施工采用的结构胶必须满足《混凝土结构加固技术规范》和现行的国家标准及行业标准。3)锚栓的埋设深度必须严格符合设计要求，误差不应大于3 mm。4)粘接钢板边缘附件的溢胶，胶体必须确保固化。钢板的有效粘结面积应大于98%，采用敲击法对其关键部分进行检查。

3.3 粘贴加固效果

立交桥经加固后，当地公路部门对加固效果进行了评估，结论如下：立交桥的承载能力、使用状况显著提高，修补后的T梁经过交通实际检验各项技术指标均符合设计和规范要求。通过对横隔板连接处粘贴钢板加固，加强了桥梁横向联系，对于跨中的主梁梁肋裂缝进行抗弯加固，对于处支点附近的梁肋裂缝采用抗剪加固，使腹板弯曲和剪切裂缝得到有效控制，结果显示此次加固效果较好，腹板裂缝没有扩展。加固效果见图1。

4 结语

随着粘贴钢板加固技术的推广应用，加固费用逐步下降，总体而言，与其他主要的两种方法：增大截面法和体外张拉预应力法造价比选，该方法总的加固费用是最低的。该补强法具有以下优点：施工操作快速、方便、安全，施工作业周期短，便于工程管理，现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业，与此同时它周围环境影响小，而且由于利用了旧桥梁体，施工完成后对原来的外观和净空无大的影响，同时可以明显地提高结构的承载能力，确保了结构的可靠性，减少了施工损失，有效的降低了工程造价。