钢筋混凝土箱梁桥加固技术对比研究

摘要：钢筋混凝土箱梁在我国应用广泛，但是在长期交通荷载、环境侵蚀、结构性能退化等耦合作用下，混凝土箱梁桥的累积损伤不容忽视。文章总结了钢筋混凝土箱梁的病害原因，对其加固技术进行了总结分析，并依托实桥加固后的承载力对预应力碳板加固、锚粘钢板加固、顶板补强层加固和钢板混凝土组合加固等四种加固方法进行了最优工序分析研究，为后续加固工作提供参考。

关键词：桥梁工程;混凝土箱梁;加固;工序

0 引言

我国自新中国成立后开始大量建造桥梁，尤其在改革開放以来的30多年，是我国桥梁建设发展的黄金时期。截至2017年年底，我国公路桥梁总数达80万座，已超越美国，位居世界第一。然而，在建造大型高等级桥梁的同时，由于桥梁的“老化”和使用条件的恶化，许多桥梁的服役能力已不同程度地降低，使桥梁安全问题变得愈加突出，安全事故不断增加。到2017年，我国公路路网中步入维修期的在役桥梁日渐增多，有超过10万座桥梁为危桥，占现有桥梁的1/8。在这些危险桥梁中，最典型的是混凝土桥梁。在过去的30年中，大量的混凝土桥梁陆续建成，也产生了各种问题，例如腹板底板开裂、跨中严重下挠、钢筋腐蚀和混凝土剥落等，以上问题使混凝土桥梁的平均使用寿命仅为20～30年。既有混凝土桥梁的加固方法（如粘贴钢板、粘贴碳纤维板、体外预应力补强等）虽然可以改善结构受力状况，但仍然存在提高承载能力程度不足、耐久性不足等问题，尚不能长期有效地保证混凝土梁桥使用安全。因此，满足混凝土箱梁桥承载性能与耐久性的新型加固方法和探索不同加固方法的最优工艺流程是桥梁工程师们面临的重要研究工作。

1 混凝土桥梁病害原因

混凝土桥梁病害是由多方面原因造成的，主要总结为以下几点：

（1）环境因素：主要包括混凝土桥梁腐蚀、硫酸盐侵蚀、碱硅反应以及冻融破坏等。

（2）施工因素：施工不当、施工标准化程度低甚至施工过程中偷工减料等施工质量问题也是造成混凝土桥梁病害的主要原因之一。

（3）设计因素：主要包括旧规范里的部分规定已不适用于当前交通环境以及桥梁设计不当等原因。

（4）使用与养护：监管不力，使得桥梁总是在超载的条件下运营以及养护不到位、维修不及时，也会给桥梁带来不同程度的损坏。

桥梁产生病害后，若不及时维修加固，不断扩大的病害势必会导致桥梁的提前损坏，危及人民生命财产安全，而近些年国内外不断出现的桥梁病害所引发的桥梁坍塌事故更是为各国敲响了警钟，我国也已经越来越重视旧桥、危桥的维修、养护、加固以及改造。交通部于2001年开始在全国范围内组织开展旧桥改造工程，国家用于桥梁养护与加固的投资也逐年增加，同时对简单高效又经济实用的桥梁加固技术的探索也不断深入。这些措施都有效改善了我国桥梁使用技术状况，提高了公路行车的安全水平。

2 加固工程背景

本文以某绕城高速公路养护大修工程为依托，进行了2片带损伤的预应力混凝土箱梁的试验研究，实桥箱梁每片跨径为20 m。两片试验梁中，一片梁使用预应力碳纤维板与锚贴钢板加固，并在顶板铺设16 cm厚补强层。具体试验设计参数如表1所示。箱梁底部预应力碳纤维板布置图如图1（a）所示，钢箱梁锚贴钢板构造如图1（b）所示。本项目所使用的碳纤维板的参数如表2所示。另一片试验梁采用钢板-混凝土组合加固，试验梁通过在底板和腹板设置加固钢板和混凝土组合结构体系以及在顶板铺设混凝土补强层来提高梁的刚度和承载力。组合加固构造如图1（c）所示。

3 加固工序内容研究

本文对预应力碳板加固、锚贴钢板加固、顶板混凝土加固层铺设和钢板混凝土组合加固进行了最优的施工流程研究。

3.1 预应力碳板加固

本项目对预应力碳板加固方法的工序进行了研究和实践，得出梁底张拉预应力碳纤维板的操作方法具体如下：

3.2 锚贴钢板加固

本项目对锚贴钢板加固的方法进行了最优工序的实践和研究，具体腹板锚贴钢板加固工序如下：

（1）定位钢板位置，放出大样，对该处的腹板混凝土进行打磨处理，去除表面浮浆，形成平整的粗糙面，使用丙酮擦洗。

（2）放样锚栓孔位置大样，使用钢筋测试仪检测钻孔位置是否与钢筋冲突，并适当避开。植埋螺杆，螺杆距离钢板边缘上、下边缘9 cm。

（3）将钢板上的螺栓孔打出，用角磨机去除钢板接触面上的锈蚀并进行粗加工。打磨方向垂直于钢板的受力方向，然后用丙酮擦拭接触面。将钢板固定在螺栓上，并确保钢板与混凝土表面之间的间隙>3 mm，以确保注入的厚度>3 mm。

（4）将胶水喷嘴和排气管分别安装在钢板的边缘，将碗盖在膨胀螺栓的头部，并用钢板的边缘密封剂密封钢板的边缘以完成密封。

（5）用泵将粘钢灌注胶从注胶嘴注入钢板与混凝土间隙。在填充过程中，用橡皮锤敲打钢板以确认填充是否密实，直到所有排气管胶体溢流，停止灌注。

（6）待灌注胶粘结密实可靠后对钢板表面进行防腐处理。

3.3 顶板混凝土加固层铺设

本项目对顶板混凝土加固层铺设的方法进行了最优工序的实践和研究，得出顶板混凝土加固层铺设的操作工序具体如下：

（1）在顶板钻植筋孔，孔深与植筋埋深相同，为10 cm，孔径比植筋直径大2～4 mm，钻孔应竖直且与顶板钢筋错开。

（2）使用空气压缩机清理钻孔内的碎片、灰尘和水分。

（3）将植筋胶灌注至孔深2/3处，待插入植筋后，植筋胶即充满孔洞。

（4）将植筋胶植入的部分表面污物处理干净，植筋须插到孔底，孔口溢出的胶体使用钢刷清理，并用丙酮擦净、拭干。

（5）待植筋胶完全固化形成强度后，绑扎加固层钢筋网。若使用植筋焊接定位钢筋网，则应注意焊点离胶面≥10 cm，且不能对一根植筋连续焊接。

（6）浇筑顶板加固层混凝土层。

3.4 钢板混凝土组合加固

本项目通过对钢板混凝土组合加固进行了最优的工序实践研究，得出以下具体工序：

（1）凿毛和钻植筋孔。将加固梁底板和腹板与混凝土接触的部分凿毛，然后放出植筋孔位置。為了避免给原梁混凝土造成不必要的伤害，设计植筋孔位置时应考虑将其在纵向错开布置，同时也注意避让原梁预应力钢筋和普通钢筋。放样后钻孔，孔径比植筋直径大2～4 mm。钻孔完成后使用空气压缩机清除孔内杂质并使用丙酮擦拭干净。

（2）植筋。将植筋要植入的部分表面污物处理干净，将植筋胶灌注至孔深2/3处，迅速插入植筋，防止胶体溢出。植筋须插到孔底，孔口溢出的胶体使用钢刷清理，并用丙酮擦净、拭干。腹板植筋在支点附近加密，植筋头朝向支座45°向上，大致与主拉应力平行，达到抑制斜裂缝的作用。底板植筋头方向与梁纵轴线平行。

（3）绑扎钢筋网。钢筋网可以与植筋绑扎以固定其位置。箍筋在支座附近与植筋同等加密，以提高梁的抗剪强度。

（4）焊接栓钉，钢板就位。在钢板上焊接圆柱头栓钉，安装钢板就位，确保钢板与原梁之间的距离为加固混凝土的厚度。为便于安装与制作，钢板分为三个节段，安装就位后焊接钢板。

（5）封边并浇筑加固混凝土。混凝土浇筑时应使用振捣棒不断在钢板外侧振捣，确保混凝土浇筑密实。

（6）试验梁养生。加固混凝土浇筑完毕后，试验梁进入养生阶段，在标准条件养生28 d以后，便可进行钢板-混凝土组合加固混凝土梁静力破坏性试验。

4 结语

本文介绍了钢筋混凝土梁加固的试验设计与施工，并对加固方案的整体设计做了介绍，研究了预应力碳纤维板加固、锚贴钢板加固梁、顶板混凝土加固层铺设和钢板-混凝土组合加固梁的加固设计优化施工工艺流程，为以后的混凝土梁桥加固提供参考。

参考文献：

[1]Zhang X G，Liu G，Ma J H，et al.Design Concept and Approach on Sustainable Development of Bridge Engineering.In：Chen A R，Frangopol D M，Ruan X，eds.Bridge Maintenance，Safety，Management and Life Extension[M].London：CRC Press，2014.

[2]李青松，田安国.预应力CFRP技术在桥梁加固中的应用[J].世界桥梁，2008（3）：58-60，65.

[3]王 敬.碳纤维片材加固混凝土结构技术经济分析[J].工业建筑，2002，32（6）：74-76.

[4]高轩能，周期源，陈明华.粘钢加固RC梁承载性能的理论和试验研究[J].土木工程学报，2006，39（8）：38-44.

[5]戴 松，禹智涛.某钢筋混凝土桥梁检测及病害分析[J].公路工程，2004，29（1）：115-116.

[6]肖玉辉，沈立宏.混凝土桥梁病害成因分析及对策研究[J].中外公路，2004，24（1）：39-42.

作者简介：刘铄龙（1992—），助理工程师，主要从事高速公路建设与养护工作。