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缺点:
1.预应力的施工工艺,在钢绞线下料与穿束中粘接段段的长度和位置,新老混凝土之间的粘结,后加预应力对原预应力的影响,很难确定。
2.施加预应力索加固现在存在的问题:如合理的加固预应力筋的位置和数量后加固的预应力钢筋对已经存在的预应力钢筋的影响
3.体外预应力钢筋松弛、断筋等失效的现象也较为常见
二、体外预应力的加固另外的加强措施
1、弯曲加强
采用体外预应力加固法可提高结构构件的受弯承载力。预应力筋布置应符合优化布置原则,即加固筋外形与外荷载产生的弯矩图形相似。因此,加固梁式结构时,体外预应力筋多采用折线形连续筋,以充分发挥加固筋的抗拉强度。体外筋的灵活布置,可以有效地补强加固不同受力情况的简支梁和连续梁。若连续梁中仅有个别跨需要加固,则可采取在这些跨上单独布置预应力筋进行局部加固;若连续梁普遍较差,则可用各跨布置给予整体加固,若连续梁普遍较弱,但个别跨更弱,则可采取通长布置与局部布置相结合的办法进行加固。
2、剪切加强
梁的剪切强度可通过外部加设扁钢!钢板和钢箍等方法来提高。扁钢通常箍在构件上用后张法拉紧并已开发了一种后张不锈钢钢箍的方法。后张法能使新材料平分恒载及活载,这样就能更有效地利用新增材料。提高剪切强度的另外一种方法为采用后张的附加预应力钢筋。预应力钢筋可以加在垂直和倾斜方向上,而且既可安装在梁腹板内,又可安装在箱内。施加预应力时应当小心谨慎,避免结构某些部分出现超限应力。若构件中存在裂缝,一个好的实施方法是在施加预应力之前,先在裂纹上注射环氧树脂。
三、粘贴碳纤维法与钢板粘贴加强法基本原理是一致的,均是将其增强材料粘贴在混凝土结构的受拉边缘或薄弱部位,使之与结构形成整体,代替需增设的补强钢筋,提高梁的承载能力达到补强的目的。
粘贴碳纤维法
碳纤维加固桥梁构件的部位:用粘结材料将碳纤维材料有序地缠绕粘贴于构件表面,实现对构件变形的约束并因此提高构件的极限强度和承载能力。在桥梁加固运用中,可粘贴在混凝土梁的顶面或底板上,以提高混凝土梁的截面强度和刚度:也可粘贴在梁的腹板上,以提高其抗剪强度
具体的施工工艺:
1、处理结构混凝土表面,涂敷基底树脂并整平
2、涂刮整平胶并对其表面作砂光处理
3、滚刷粘结剂粘结碳纤维
4、对已贴的碳纤维作压面处理
5、表面整饰(如抹砂浆等)
四、体系转换法:
是通过改变桥梁结构体系以减少梁内应力,提高承载能力的一种加固方法这是一种‘变被动加固为主动加固’的方法,该方法需要对原结构的现状进行仔细的调查,对其承载潜能进行正确评价,用周密、细致、可靠的汁算分析确定体系转换的方法和施工工艺流程,以达到加固修复病桥的目的。一般可通过简支梁下增一设支架或桥墩;或把简支梁与简支梁加以连接,使结构由简支变为连续等。
施工工艺:(1)揭开桥面铺装层。将梁顶保护层凿除。使主筋外露。沿梁顶增设纵向受力主筋,数量根据计算决定。
(2)浇注端头混凝土
(3)拆除或改变原有支座
(4)重新做好桥面铺装
该加固方法主要对于大、中简支梁桥的加固,将多跨简支梁的梁端连接起来,变为多跨连续梁,可以有效改善结构的受力状况,提高桥梁的承载能力,但不适合连续刚构桥的后期加固。
五、桥面系减载。
对大跨度连续刚构而言,恒载在总重量中占有相当大的比重,减小桥跨内桥面的恒载重量诸如变硷桥面铺装为沥青硷桥面铺装、变硷栏杆系为钢质栏杆系、减薄人行道铺装厚度等能有效地减小跨中的下挠量。
六、扩大或增加原结构构件截面,以提高原结构的强度和刚度;该方法虽然能提高结构承载力,但也会因而加大结构自重。
桥梁加固方案(二)
一、公路桥梁存在的常见病害
1.主拱圈裂缝病害
a.主拱圈中波纵向裂缝,检查时常发现各孔中波波顶均存在纵向裂缝。
b.肋、波连接处裂缝。各孔拱波与拱肋连接处大部分均发生裂缝。
c.拱肋裂缝。各孔拱肋均有横向裂缝,有不少是U形裂缝,这些裂缝多发生在拱顶前后10m左右范围内。
d.横系梁裂缝
2.钢筋锈蚀病害
钢筋发生锈蚀时,锈蚀部分的体积可膨胀至原来体积的10倍以上,从而对周围混凝土形成挤压,造成混凝土开裂、剥蚀、使截面有效尺寸减小,导致结构承载能力下降,锈蚀剥蚀,使截面有效尺寸减小,导致结构承载能力下降。锈蚀的直接后果是钢筋断面面积减小,对于以钢筋作为抗弯能力。钢筋锈蚀还会降低混凝土对钢筋的握裹力,锈蚀物外流,在结构表面形成锈迹,影响结构美观。
3.墩台基础病害
桥梁墩台基础在常年使用过程中,除了承受上部构造荷载外,还将承受土压力,风力,流水压力,冰压力和浮力等等各种力的作用。另外,自然界各种因素的影响作用,以及由于过桥车辆的日益重型化,墩台基础经常受到过重荷载的作用,因此,桥墩台将会出现不同程度的损坏。
4.主梁裂缝及主梁变形病害
主梁裂缝多发生在锚跨中部(正弯矩区)梁的下缘及悬臂梁根部(负弯矩区)上缘,后者大都贯穿整个车行道翼板。此类裂缝显然是由于大量重车通过使梁的受拉区开裂,属正常现象。但由于负变矩区裂缝在上面,雨水易从裂缝渗入梁内,引起钢筋锈蚀及砼强度降低。
二、公路桥梁加固的重要性
1.在公路桥梁使用期间内,任何桥梁都会成为旧桥。早期修建的桥梁,由于当时人们对铺装功能、病害认识有限,往往存在配筋偏小,钢筋直径过细,铺装与承载构件的界面连续不牢靠等问题。由于桥梁是建在大地上的特殊产品,不仅受自然环境的影响(如大气腐蚀、温度、湿度变化等),而且还受到使用环境的影响,难以避免产生损坏现象。这使桥梁的维修、养护、加固、改造已成为必然。
2.从经济上分析,桥梁加固可以节省大量投资,收到良好的社会经济效益。采用适当的加固技术和拓宽措施,不仅可以避免因拆除旧桥与重建新桥而增加工程费用;而且对现有交通运输影响有的甚至可以在不中断交通的情况下完成,早期设计施工的高速公的桥梁在长期大交通量、重荷载的运营情况下大部分出现了病害;同时也恢复和提高了旧桥的承载能力及通行能力,延长桥梁的使用寿命,满足现代化交通运输的需求。
3.同时桥梁的改造和加固,不仅可以提高公路桥梁的通行能力和服务水平,而且在更大程度上能够消除交通安全隐患。从发展中分析,旧的公路桥梁加固有利于促进桥梁建设的可持续发展。既满足现代人的需求以不损害后代人满足需求的能力,使经济、社会、资源和环境保护协调发展。
三、公路桥梁加固的方法
1、桥面铺装加固法
1)局部修复凿补法。将水泥混凝土铺装层的表面凿毛,深度以使骨料露出为准;用清水冲洗干净断面并充分润湿,涂刷上同标号的水泥砂浆(或其他粘结材料),最后在桥梁承载能力容许范围内,铺筑一层1~5cm厚的水泥混凝土铺装层。
3)桥面补强层加固法。即在旧有桥面上,重新加铺一层混凝土或钢筋混凝土补强层,此方法既修补已出现裂缝、剥离等损坏的桥面板,又能加高原有梁板的有效高度,增加梁板的抗弯能力,改善铰结梁板的荷载横向分布,从而提高桥梁的承载能力。
4)其他方法。如加铺一层沥青混凝土,采用混凝土粘结剂或环氧树脂材料修补法,钢纤维混土修补法,聚合物混凝土罩面法等。
2、加大截面加固法
也称为外包混凝土加固法,是用增大混凝土结构物的截面面积和配筋进行加固的一种方法。加大截面加固法一般采用两种方式:一种是加厚桥面板;另一种是加大主梁梁肋的高度和宽度。该法工艺简单、适应性强,具有成熟的设计和施工经验,适用于较小跨径的T梁桥或板桥的加固。采用此法加固后桥梁刚度明显提高,承载能力也能取得较好的效果。但现场施工的湿作业时间较长,加固后的建筑物净空有一定减小。
3、粘贴碳纤维增强塑料加固法
采用专门的树脂将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉表面,碳纤维与原结构形成新的受力整体,碳纤维与钢筋共同承受荷载,降低了钢筋应力,从而使结构达到了加固和补强效果。此法几乎不增加结构自重和截面尺寸,不改变净空高度,施工方便,对原结构几乎不会造成新的损伤,具有良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能,根据受力分析可进行多层粘贴进行补强,其方向性也可以灵活掌握。缺点是环氧树脂在温度高于60℃时会呈现软化现象,而桥梁一般受到阳光直射,桥面温度高于60℃的可能性很大,不利于采用树脂胶作粘贴剂。
4、桥下部结构加固法
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,可采用在桥跨内加钢筋混凝土框架进行加固。
与新建桥梁工程相比,服役桥的维修加固施工有不少特点。首先,维修加固的标准与设计时所采用的标准往往会有不同。由于服役有建筑物的存在,以及未来使用年限要求的不同,桥梁加固或改建的标准不可能与设计时所采用的标准完全相同。比如,服役桥的荷载等级假设是汽车-13级,而经加固后,其荷载等级可能会提高[1]。故应在保证行车安全的前提下,根据使用要求和耐久性要求的具体情况,正确地掌握和提出加固或改建的有关标准要求。其次,维修加固工作的难度要比新建时大。维修加固桥梁建筑物的工作必须在不妨碍交通的条件下进行,因此,往往会增加不少困难。即使会使施工产生困难,也必须尽量照顾交通。为此,在桥梁维修加固工作中,应从设计上和施工组织上采取有效措施,尽量减少对交通的影响。再者,桥梁的维修加固工作应充分利用原有结构。桥梁的维修加固,应在对原有结构作周密、细致检查评定的基础上,合理利用原有结构,能不更换原有结构的就不更换,能充分利用服役桥的,要充分利用。
2.桥梁加固的工作内容及步骤
2.1桥梁加固的工作内容
桥梁加固与改建工作的主要内容:对发生重大病害和不能满足运输要求的桥涵设备彻底进行整治加固、改善和更新。目的是恢复原有桥梁建筑物的整体使用效能和延长使用年限;提高原有桥梁建筑物的荷载等级和通过能力。桥梁加固与改建工作的主要内容有:
对服役桥上部构件进行加固;对服役桥下部构件进行加固;拓宽桥梁的行车道或人行道;升高桥梁上部构造的高度;更换桥梁行车道路面或引桥路面的结构;部分或全部更换桥梁损坏或破服役了的结构物。
桥梁的加固与改建工作,应充分利用原有的部分,凡能加固的,则不宜改建。如能部分改建的,则不应全部改建。
2.2桥梁加固的工作步骤
对服役桥进行维修加固,一般可采用如下的步骤:
(1)检查桥梁现状及损坏情况;
(2)调查桥梁历史技术资料及现有交通状况;
(3)提出维修加固或改建方案并进行分析比较;
(4)确定方案并付诸实施,即进行维修加固或改建施工。
3.桥梁加固的原则及方法
3.1桥梁加固的原则
(1)桥梁加固是一种借加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力或通过能力的措施。因此,桥梁加固工作一般以不更改原建筑形式为原则,只有在复杂的情况下,才更改其结构。
如仅加固仍不足以适应交通运输的需要,必须进行重建桥梁的一部或全部时,则重建桥梁需考虑到将来的发展,并按现行桥梁设计及施工规范进行设计与施工。
(2)桥梁加固可以有各种不同的方式,视服役桥的情况,承载能力的减弱程度以及今后的任务而变。桥梁的加固一般有如下几种[2]:
1)扩大或增加原结构构件截面,以提高原结构的强度和刚度。
2)以新的结构代替服役的应力不够的结构。
3)改变原结构的受力体系,使原结构减少受力。
4)对原结构施加外应力(如预应力),以改变原结构的受力图形,达到提高桥梁刚度和强度的目的。
(3)采用扩大或增加桥梁构件截面的方法进行加固时,应特别注意新加部分与原有部分的结合,使其成为一个整体起到加固作用。
(4)不管采用何种加固方案,都应考虑投资少、功效快、不中断交通、技术上可行、有较好的耐久性等方面的要求。
3.2桥梁加固的主要方法
3.2.1扩大或增加构件截面法
(1)桥面补强层加固法
通过一定的工艺和结构措施,在梁顶面(桥面)上加铺一层钢筋混凝土面层,使其与原有主梁形成整体,达到加厚主梁高度和增大梁的抗压截面的目的,以提高桥梁的承载能力。其特点是:
1)施工简便,亦较经济,但加铺梁面层后,静载增加,承载能力提高不显著;
2)施工需凿除原有桥面铺装,同时考虑到新服役混凝土相结合,新浇混凝土的干燥收缩影响等,尚需设置连续钢筋和钢筋网等;
3)此法利于在抗压截面较小的场合使用;
4)浇筑后混凝土须经养护,故必须对交通加以限制。
(2)增大梁截面和配筋加固法
在梁底或侧面,加大钢筋混凝土截面(增配主筋),使梁抗弯截面加大,提高梁的承载能力,其特点是:
1)为加强新服役混凝土的结合,需对服役梁面凿毛工作,操作麻烦、凿除工作量大,常需在桥下搭设脚手架;
2)对T形梁有采用底面及侧面同时加大,以及底部马蹄形加大两种加固形式;
3)加固效果显著,适用于梁桥及拱桥对拱圈的加固。
(3)钢板粘贴或增设其他钢梁,以作成组合梁的加固法
用环氧树脂类粘结剂,将钢板(或槽钢)粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位,使其与结构形成整体,以钢板代替钢筋作用,提高梁的承载能力,其特点是:
1)不需要破坏被加固的原有结构物;
2)加固工程几乎不增大原结构的尺寸;
3)尽管工程质量要求很高,但施工时并不要求高级的专门技术人员操作;
4)能在短期内完成加固工程;
5)几乎可以不改变具有历史价值建筑物的原有艺术特点。
(4)粘贴炭纤维布加固法
碳纤维是一种高新材料,它有着优异的力学性能,是在几千度的高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品。用环氧树脂类粘结剂,将炭纤维粘贴锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位,使其与结构形成整体,以炭纤维布代替钢筋作用,提高梁的承载能力,其特点是[1]:
1)优异的力学性能。可有效应用于多种形式的结构补强,包括抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展等等;
2)优异的化学稳定性。碳纤维片具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力,具有足够的适应气温变化的能力,外加防火涂料后可以有效地防火。因此,可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力,延长构件寿命;
3)材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外形,增加的结构重量可以忽略,便于用所需的色彩涂装,而不留补强痕迹,这是其他方法不可比拟的;
4)施工工序简单。可用小型电动工具操作,工种少,用工少,工期短,进度快,更有资料表明能在持续交通有震动的情况下施工,而不影响补强效果,从而大大缩短施工断交的时间,具有较大的经济效益和社会效益。
3.2.2改变结构体系法
(1)增设纵梁法
在墩台地基安全性能好、并有足够承载能力的情况下,可增设承载力高和刚度大的新纵梁。当基础承载力不足时,必须对基础采取加固措施。新增主梁与服役梁连接,共同受力,从而达到提高桥梁承载力的目的。当新增主梁位于两侧时,则兼有加宽的作用[3]。
(2)增设立柱或桥墩,使简支变连续,或改桥为涵的改变结构体系法
【关键词】桥梁;加固;技术
1 引言
桥梁的生命周期都要经历建造、营运和老化三个阶段,虽然桥梁建设初期充分考虑了近、远期经济发展和社会的诸多需求,采用了当时最先进的技术和材料,但仍然难以摆脱历史的局限。随着科技的进步,车辆载重逐渐增大,车速相继提高,人们对行车的安全性和舒适性也提出了更高的要求。但早期建设的桥梁,荷载标准低,施工水平差,经过多年运营桥梁病害相继出现,因此旧桥维修和加固便成为一个急需解决的问题。
目前,世界上发达国家都投入了不小的人力和物力进行旧桥加固技术研究,在兴建新桥的同时,仍然十分重视旧桥的利用价值。我国现时期正在大力发展基础设施,资金需求量大,而要在短时间内重建等级公路上的危桥,不仅需要大量资金,同时也有悖于桥梁建设的可持续发展。下面笔者就根据近几年来在公路路网改造过程中,针对中小跨径桥梁经常采用的一些维修加固方法做一些介绍。
2 外包混凝土加固法
外包混凝土加固法又称增大截面加固法,是指增大构件的截面和配筋,以提高构件的强度和刚度的一种加固方法。此种加固法在增加桥梁横向联系方面应用较多,早期修建的桥梁横系梁或横隔板尺寸都较小,强度和刚度也较弱,在当前较大外荷载作用下, 产生了较大变形,导致横系梁开裂、脱落,无法有效地横向分布荷载。此时采用外包混凝土加固法适当增大横系梁尺寸,随着横向联系的加强,主梁的横向整体受力性能提高,从而增加了桥梁的承载能力,提高了桥梁的刚度和稳定性。
外包混凝土加固施工工序:
2.1 为了加强新、旧混凝土的结合,应对原构件混凝土的缺陷进行清理,并将构件表面凿毛;
2.2 当采用三面或四面外包加固时,应将构件的棱角敲掉,同时除去浮碴和灰尘;
2.3 用高压水冲洗原混凝土表面,在浇筑混凝土前,在原混凝土表面刷一层水泥浆以加强新、旧混凝土的结合。
3 锚喷混凝土加固法
锚喷混凝土是指先将锚杆锚入补强部位结构内,挂设补强钢筋网,然后再喷射一定厚度的混凝土,使其与原结构共同承受外力的组合结构。
此种加固法在浆砌片石板拱桥加固中运用较多,目前低等级公路上的石板拱桥由于早期施工时未按强度和规格要求严格选料,砌筑片石时砂浆不饱满,砂浆配合比控制不严,再加上超重车辆长期作用,普遍存在主拱圈片石风化、石料大小不一、片石被挤压碎裂、石料强度不均匀等现象,砌筑砂浆松动脱落并存在较多空洞,有的拱圈已发现纵向裂缝。针对此种情况采用锚喷混凝土加固既不中断交通,又能很好地解决这些病害。
锚喷混凝土施工工序:
3.1 将拱圈底面人工打毛,并将污染的砂浆完全凿除,然后用高压水冲洗拱底表面;
3.2 在拱圈底面用电钻打锚筋孔,孔深不得小于10cm,锚筋直径不得小于12mm,孔内灰尘要吹洗干净,然后用M12号砂浆或环氧树脂注入孔内,再插入锚筋,使之粘结牢固;
3.3 将钢筋网点焊在锚筋上,焊点不能太少,以免喷射混凝土时钢筋移动;
3.4 喷射混凝土前先将拱圈底面用水冲洗湿润,然后在表面先喷一层M12号砂浆,厚度约1cm,再喷射混凝土,使新老混凝土粘结良好并能填塞片石间孔洞,喷射混凝土后要注意及时养生。
4 桥面补强层加固法
桥面补强层加固法是指先凿除原桥铺装层后,重新浇筑一层钢筋混凝土补强层,使其与原桥结构形成整体。利用梁体截面加高,改善桥梁横向应力分布能力,从而提高桥梁承载能力。
由于桥面铺装层直接承受车辆荷载作用, 应力集中明显,再加上中小跨径桥梁所受应力变化和冲击影响较大。因而它也是最易出现破坏的结构之一,常见病害有:磨耗、露筋、网裂、坑洞等。
原中小跨径桥梁横向大都通过铰缝进行连接,而桥梁设计老规范对铰缝未作明确要求,现经过多年运营,已有铰缝开始出现松动脱落,减弱或失去横向传力功能,这样就给主梁安全运营带来了隐患。
桥面补强层加固法针对此种病害具有施工简便、加固效果明显的特点,尤其适用于中小跨径的梁式桥。其常用方法是铺筑钢筋网与混凝土或钢筋网与钢纤维混凝土。铺筑的厚度和配筋视加固需要而定,一般补强层厚度不小于8cm,以不增加新的恒载为宜,并要注意确保新旧混凝土能成为一个受力整体。
5 粘贴碳纤维布加固法
碳纤维是一种新型材料,具有高强、轻质、耐腐蚀以及施工简便等优点而成为旧桥加固的理想材料。加固混凝土构件时,按构件的不同受力特点,用粘结材料将碳纤维布粘贴于构件表面,实现对构件变形的约束并由此提高构件的承载能力。
此种加固法在增强构件抗弯刚度、减少构件挠度和约束混凝土裂缝扩展方面应用较多。当补强结构外形较复杂,采用外包混凝土或者粘贴钢板加固法时,施工难度很大,且粘贴钢板可能会对原结构造成损伤,此时就可以发挥碳纤维布随结构外形变化任意施工,从而降低施工难度的优点。
5.1 粘贴碳纤维布施工工序:
5.1.1 按加固设计要求,对需要表面处理和粘贴纤维布的部位进行放样定位;
5.1.2 混凝土表面打磨平整,除去表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出结构新面, 将混凝土表面清理干净,去除灰尘并保持干燥;
5.1.3 用一次性软毛刷或特制滚筒将底胶均匀涂抹于混凝土表面,待胶表面指触干燥时即进行下一步工序施工;
5.1.4 混凝土表面凹陷部位用找平胶填补平整,且不应有棱角,转角处应用找平胶修复为光滑的圆弧;
5.1.5 按设计要求的尺寸裁剪纤维布,配制粘贴胶并均匀涂抹于所要粘贴的部位,用一次性软毛刷或特制滚筒沿纤维方向多次涂刷,挤除气泡,并使胶水充分浸透纤维布。多层粘贴重复上述步骤,待纤维布表面指触干燥时即进行下一层的粘贴。在最后一层的碳纤维布表面均匀涂抹粘贴胶。
5.2 粘贴注意事项:
5.2.1 纤维布粘贴施工宜在5℃~35℃环境温度条件下进行,并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时, 应采取加温措施;
5.2.2 用碳纤维布加固混凝土构件宜采用薄布多层的粘贴方法,使其与粘接材料充分浸润,确保粘接效率。设计时根据各块件处的应力值大小决定碳纤维布的层数。
6 小结
以上为中、小跨径桥梁在常规加固中经常采用的一些方法。由于我国暂时经济能力有限,为保证桥梁安全运营,在一定时期内桥梁维修加固不可避免。
6.1 由于老桥资料不全,实际受力情况与结构计算模型也存在一定的差异,所以桥梁加固在设计单位严格计算、施工单位按图精心施工后,建议仍要对加固后的桥梁进行检测,作好各项数据的详细观测和记录,与理论计算相比较,经分析得出安全可靠的结论后,方能通车。
6.2 对桥梁病害处理要贯彻“建养并重”、“预防为主”的思想。桥梁要进行定期检查和周期性养护,对发现的一些小病害要及时维修,避免病害扩大,失去承载能力。
6.3 现时期桥梁建设要走可持续发展的道路,新建桥梁应考虑其可检测性、可加强性和可更换性。
参考文献:
[1]张继承,中小跨径桥梁常用加固方法[J]. 桥梁施工,2010。6
【关键词】桥梁、加固、处理
1 桥梁概况
台河沟桥为河北与北京房山区交界处的一座乡村公路跨河桥,该桥长22m,结构形式为2-7.5m的钢筋混凝土宽腹T梁桥,桥面宽度5.0+2×0.25m,重力式桥台,单柱墩。建成年代1990年,荷载等级汽车-10。
2 桥梁存在问题
该桥2010年以前为常年有水状态,以后逐渐枯竭。2013年5月,该河道露底,墩柱承台整体浮出水面,承台长3m,宽3m,高1.2m。养护人员在巡检中发现承台四面出现网状裂缝,开裂严重,并及时上报。经检测,最大裂缝宽度2mm,位于承台上游迎水面;主要裂缝宽度多集中在在0.2~1.0m之间,深度大多已透过保护层,接近主筋位置,裂缝表面呈不规则几何形状。
3 病害原因分析
通过查阅以前的施工文件,结合现场情况的调查分析,认为造成该情况的要原因是:
(1) 承台混凝土施工质量控制不严格。体现在混凝土表面挂浆、浅蜂窝、麻面较多,分层浇筑界限明显。
(2) 混凝土中存在碱骨料反应。凿开裂缝处混凝土,发现混凝土石子周围出现乳白色反应环,裂缝中夹杂有黑色的碱硅凝胶,属于明显的碱骨料反应。
因素(1)在混凝土施工中完成后,易使河中的水进入混凝土浅表层裂缝,在自然环境反复冻融的影响下,造成混凝土开裂。
根据取得的混凝土块料分析,承台混凝土的骨料存在碱含量超标的情况。而在台河沟桥的建成年代,混凝土单方碱含量的控制并不严格,因此出现此种情况并不意外。碱骨料反应一般认为是含有氧化镁、硫酸盐的骨料遇水缓慢膨胀而破坏混凝土结构的一种现象,这类病害的发展是由表及里的,与外界潮湿空气由表面通过毛细孔逐渐渗入有关。台河沟桥承台所处的水环境给这种病害的出现提供了外在的便利条件,导致了承台混凝土结构病害的产生。
4 处理措施
现场观测,桥梁中墩墩顶、支座、桥面高程等均未发现偏移或异常变位。因此,设计单位提出了对旧承台做混凝土套箍,并在承台表面横向采用两道混凝土“扁担梁”的方式进行加固的处治方案。
5 加固方案
5.1 对旧承台混凝土植筋,绑扎新的钢筋骨架,顺桥方向前后均加宽30cm;横向左右各加宽1m,在横向加宽50cm位置预埋4束无粘结预应力张拉钢束;承台加高20cm。
5.2 承台混凝土套箍完成后,施做钢筋混凝土“扁担梁”,张拉预应力钢束。
5.3 承台加固示意图
6 施工工艺及要求
6.1 施工季节为河道枯水期,采用土袋围堰,并抽尽围堰内存水。
6.2 承台基础为岩石,根据施工范围,清理出作业空间并保持干燥。
6.3 根据检测出的承台混凝土裂缝深度,标刻出承台四周已开裂的混凝土的范围。人工使用风镐将承台表面劣化的混凝土清除(厚度不小于3cm),露出坚实的混凝土面。
6.4 锚筋施工
(1) 设计植筋为Φ18Ⅱ级螺纹筋,锚固胶采用爱牢达XH111A/B。
(2) 植筋施工方法
1) 弹线定位。根据设计图的配筋位置及数量,错开原结构钢筋位置,标注出植筋位置。
2)钻孔。用冲击钻钻孔,成孔直径为22mm,孔深不小于10d(180mm)。钻孔过程中,钻头始终与钻进面保持垂直。
3)清理钻孔。先用硬毛刷伸至孔底,来回反复抽动,将灰尘、碎渣带出,再用高压干燥空气吹出孔内浮尘,吹完后用脱脂棉沾酒精或丙酮擦洗孔内壁。
4)注胶。将锚固胶灌注于钻孔中,灌注量不小于孔深的3/4。
5)插入锚筋。锚筋插入前须清除表面污物,插入深度要达到孔底。将孔口溢出的锚固胶清理干净,先用钢刷清除,再用丙酮擦干、拭净。
6)固化养护。植筋胶在常温下完成固化,固化养护时间不小于48小时。其间,避免扰动锚固钢筋,孔位周围保持干燥。
7)植筋抗拔力检测。在承台次要部位,按施工要求选取3组植筋进行拉拔检测实验。当拉拔试验钢筋屈服强度大于300Mpa时,钢筋出现颈缩现象,继而拉断,则证明植筋抗拉拔强度合格。
6.5 承台混凝土套箍施工
(1) 按设计要求绑扎套箍钢筋骨架,并与植筋连接牢固。
(2) 预埋设“扁担梁”预应力管道及钢束,预设承台套箍与“扁担梁”相连的预留筋。
(3) 浇筑承台套箍混凝土。
1)混凝土材料要求:混泥土单方碱含量小于3kg,抗冻融F>200,抗渗大于S6级,抗压强度等级C30。
2)混凝土浇筑采用分仓整体浇筑,缩短浇筑间隔时间,充分振捣,外露面保持光滑,平整。
(4) 承台混凝土养护。混凝土表面采用厚无纺布苫盖,在整个养生期间洒水养生,保证温湿度要求,养生期不少于14天。
7 施工观测
为确保工程质量,在施工区域内设置控制点,对承台套箍纵横向位置、顶面高程及“扁担梁”预应力钢束张拉前后的变化进行监测,便于随时掌握控制施工状况,能够及时采取处置措施。
8结束
通过加包混凝土套箍,增强了墩柱承台的稳定性和抗侵蚀能力,张拉“扁担梁”预应力束,加强了新旧承台的连接,提高了承台的加固整体效果。台河沟桥于2013年7月初开始施工,8月中旬完成加固工作。经过1年多的观察,承台混凝土未出现裂缝,亦未发现新的侵蚀现象,说明加固方案和施工工艺控制是有效的。这为今后类似桥梁病害的治理提供了一定的借鉴。
参考文献:
随着我国经济建设的迅猛发展,铁路网的覆盖范围和里程长度将越来宽广。作为国家运输主体的铁路,正朝着重载化、快速化和繁忙化的方向发展,特别是铁路既有线提速的不断深入,对铁路桥梁的运输承载能力提出了更高的要求。而桥梁病害的大量存在,无疑对列车的高速行驶是一个极大的安全隐患,对行车安全构成极大威胁。如何在不中断运输的条件下对既有混凝土T梁进行加固、改造,以确保列车的顺利运行,保证铁路行车安全,必须对病害桥梁进行加固处理,以消除病害。
既有线桥梁中,混凝土桥跨结构一般采用钢筋混凝土和预应力混凝土双片式简支T梁,大部分采用横隔板联结,少部分无横向联结。从对既有线桥梁评估看,无论是混凝土梁、钢梁,还是桥墩基础;除下承钢板梁竖向刚度偏低外,桥梁主要问题在于横向刚度不足和桥墩过于纤细如何对桥梁的状况进行评估与加固以及加固效果如何评估,是本文研究的主要问题。结合宁西铁路河大桥的加固实例以及加固后所做的试验,取得了桥梁加固后相关技术数据,分析了加固中存在的问题和相关对策,为以后桥梁的加固与检测提供借鉴。
关键词:加固方法评估刚度振幅 既有线
中图分类号:U445文献标识码: A
随着我国经济建设的迅猛发展,铁路网的覆盖范围和里程长度将越来宽广。在我们日常桥梁检测、检查中,时有发现混凝土桥梁梁体大量存在破损、裂缝等缺陷,梁体承载力明显降低,特别是在我国大量使用的 T 型并置梁,列车行驶通过时横向振幅超限,梁体的横向刚度明显不足。
目前,我国铁路运营线路上的混凝土桥梁共计 12 万余孔,绝大部分采用分片式混凝土预制 T 梁。这种 T 梁横向刚度普遍偏低,经过一段时间的使用后,相继出现各种病害,严重影响结构的耐久性乃至运营安全。在不中断运输的条件下对既有混凝土 T 梁进行加固、改造,以消除既有桥梁设备病害,确保列车的平稳安全运行,是提升桥梁设备质量水平、确保提速设备安全的重要课题。在铁路的六次大面积提速,特别是第五、第六次的提速过程中,对运营线上存在问题的桥梁进行了全面的加固,而其中 80%以上的工作量是在提高并置梁的横向自振频率和横向刚度上。在工程实践中,常用的加固手段主要有加固横隔板、增设水平板、加宽桥面板和增加梁中心距等增强两片梁横向联接和两端限位等降低横向振幅相结合的方法。
1 桥梁病害的形式及危害
混凝土桥梁结构所发生的各种缺陷中,根据其结构类型、构造形式、使用条件、缺陷发生部位和形式的不同,一般可分为表层缺陷和内部缺陷两类。表层缺陷主要有:蜂窝、麻面、漏筋、孔洞、层隙、表面腐蚀、老化、剥落、表面裂缝、掉角、模板走样、接缝不平、构件变形。内部隐蔽缺陷主要:混凝土的强度标号、抗渗标号、抗冻标号不足,内部空洞和蜂窝,钢筋的型号、数量、位置不对,焊接质量不良,混凝土保护层不足,钢筋锈蚀等。结构内部的缺陷的危害性更大,如混凝土强度不足、钢筋配置不符合设计要求、内部产生空洞等,都会直接危机结构的安全使用,严重的会造成结构的直接破坏。因此,对于这类缺陷,查清后就必须及时加以处理,或者进行修补加固,或者报废重新浇筑。
2.1 型钢粘贴锚固法
型钢粘贴锚固法是一种建筑结构工程的加固新技术。通常以树脂(一般采用粘结力较好的还氧树脂等)粘接钢板与混凝土的结构加固法。
2 粘贴纤维增强塑料加固法
粘贴碳纤维加固技术的主要特点是:几乎不增加结构自重和截面尺寸,不改变净空高度,施工方便,对原结构几乎不会造成新的损伤,具有良好的耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能,根据受力分析可进行多层粘贴进行补强,其方向性也可以灵活掌握。此外碳纤维质地柔软,加固后可用混凝土砂浆涂敷,或根据要求涂装各种颜料,修复补强不留痕迹。可在不改变结构外型的前提下补强各种混凝土结构物,包括抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展,增加结构的延性。适用性:用于结构梁、板抗弯、抗剪加固,补足原结构构件钢筋的不足,通过粘贴封闭提高柱子轴心抗压能力[11]。
2.1加大截面加固法
当梁的强度、刚度、稳定性和抗抗裂性能不足时,通常可采用增大构建截面和增加配筋的加固方法。增大混凝土截面一般采用两种方式,一种是加厚桥面板;另一种是加大主梁梁肋的高度和宽度。对于第一种方式常用于板桥的加固,一般情况下,除个别板块有严重破坏不能继续使用而需更换外,对配筋率偏低或断面尺寸不足、跨中出现裂纹等病害,可通过加固来确保钢筋混凝土板桥的正常使用。
2.2 化学植筋
化学植筋技术是运用高强度的化学粘合剂,使钢筋、螺杆等与混凝土产生握固力,从而达到预留效果。化学植筋特点:高承载力(剪力、拉力)对固定的基材不产生膨胀力,适宜适用性:钢筋锚固工艺主要用于在原结构上新增构件的钢筋生根工作。
2.3 喷射混凝土
喷射混凝土是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力,将按一定比例配合的拌和料,通过管道送并高速喷射到受喷面(岩面、模板、旧建筑物)上凝结硬化而成的一种混凝土,它不是以振动来捣实混凝土,而是在喷射时,由水泥与集料的反复连续撞击而使混凝土压实,同时又可采用较小的水灰比(0.4~0.5),因而它具有较高的力学强度和良好的耐久
性。喷射合成纤维混凝土除具有备喷射混凝土抗压、抗拉、抗剪、抗弯、粘结强度高的优点外,还具有以下特点:较好的抗裂、阻裂性能;较高的抗冲击性能;较好的耐磨、耐腐蚀性能;较好的抗渗、抗冻融性能;较好的抗疲劳性和抗碎裂性。适用性:适用于桥台、桥墩、梁、桥板的修复和加固。
2.4 改变桥梁结构体系加固法
改变桥梁结构体系加固法通过改变桥梁结构体系来达到提高桥梁承载能力和提高桥梁安全系数的目的。常用的方法有三种:
(1)八字撑架加固法
(2)连续体系加固法
(3)加劲梁式叠合梁加固法
2.5 体外预应力加固法
2.5.1 体外预应力加固方法的特点
预应力加固方法实际上是使被加固结构成为一个带柔性拉杆的超静定结构,与其它预应力结构或其它加固方法不同的是:加固前桥梁所受荷载由恒载和活载组成,预应力筋的张拉控制值是在上部结构的恒载作用下读取的,即带载加固。
体外预应力加固方法的特点:
(1)能较大幅度提高或恢复桥梁的承载能力和抗裂度,加固效果明显;
(2)施工工艺简单、干扰交通少、所需设备简单、人力投入少、工期短、经济效益明显;
(3)对原结构损伤小,可做到不影响桥下净空, 不增加路面标高;
(4)预应力加固需要可靠的防腐措施。
2.5.2 体外预应力加固的适用条件和不利影响
(1)适用性
①适用于正截面受弯承载力不足或正截面受拉区钢筋锈蚀的情况;
②适用于梁抗弯刚度不足导致梁的挠度超过规范规定,或由于刚度太小导致梁的受拉区裂缝宽度超过规范规定的情况;
③适用于梁斜截面受剪承载力不足的情况。
(2) 体外预应加固的不利影响
①预应力加固完成后,由于预应力的作用,原来的受力结构会出现不同程度的卸载现象,导致原结构发生内力重分布;
②由于预应力筋转向块和锚固点处存在巨大的集中力,这一区域的受力比较复杂;
③由于预应力筋一般布置在梁截面外部,易受环境(如温度、酸性气体等)的影响;
预应力筋一般不能参与局部裂缝控制。
4 既有线铁路桥梁状况评估
4.1 混凝土梁的评估
4.1.1 竖向自振频率的评估
既有线普通高度和低高度简支钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁的实际竖向自振频率在技术标准规定限值的 1.3~2.0 倍之间。动车组在 250km/h 运行时,跨度 24m 及以下桥梁均不会发生一次和二次共振;跨度 32m 桥梁可能会在 230km/h 运行时,发生二次共振,跨度 16~32m 桥梁可能会在 150~240km/h 范围内产生三次共振。货物列车在 120km/h 运行时,跨度 64m 及以下桥梁均不会发生一次共振;跨度 20~32m 桥梁可能会在 60~120km/h范围内产生三次共振。双层集装箱列车在 120km/h 运行时,跨度 32m 及以下桥梁均不会发生一次、二次共振;跨度 32m 桥梁可能会在 115km/h 时产生三次共振。动车组以 230km/h通过跨度 32m 混凝土梁时可能会出现二次共振,但速度参数仅为 0.203;其它可能会出现均为三次共振,振幅不大,可保证桥梁和列车安全运营。可认为既有线混凝土梁实际竖向自振频率满足提速要求。
4.1.2 竖向挠跨比和梁端转角
从竖向刚度较小的低高度梁来看,在中-活载的静力作用下,跨度 8~20m 低高度钢筋混凝土梁实际挠跨比在 1/1600~1/2600 之间,低高度预应力混凝土梁实际挠跨比应在1/1400~1/2300 之间;按最大挠跨比 1/1400,则最大转角 3.2‰/1.4=2.3‰。从大量桥梁挠度的实测结果来看,除超低高度预应力混凝土梁、型钢混凝土梁外,低高度钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁的竖向挠度和梁端竖向转角,均能满足提速要求。超低高度预应力混凝土梁,实际竖向挠跨比平均值在 1/1053~1/1230;最大转角 3.2‰/(1.05~1.23)=3.04~2.60‰。挠跨比和梁端竖向转角不满足提速的要求,应限速运行或进行加固改造。
4.1.3 混凝土梁横向自振频率
对于跨度 20m 及以下低高度钢筋混凝土梁和预应力混凝土低高度梁混凝土梁的横向刚度,以叁标桥 1024、叁标桥 2017 图为例,按空间计算,在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度变化的联合作用下,横向挠跨比在 1/4400~1/15000 之间,满足提速要求。但两片梁之间无横向连接或只有端部横向连接,横向整体性差,同一轮对下梁体竖、横向挠度差难以协调,影响列车运行的平稳性,甚至会危及提速后的行车安全,因此,对跨度 8m以下的低高度混凝土梁可采用梁端限位方式;跨度 16m 及以下没有横向连接的低高度混凝土梁,只有端部设有横隔板的跨度 20m 混凝土梁以及∏形混凝土梁,应增设横向联结;对已断裂的横向连接也应进行重新连接或加固。
4.1.4 混凝土梁桥横向振幅
胶新、遂渝、陇海、京哈、京广、胶济、广深等线桥梁提速综合试验中,动车组、提速货物列车和双层集装箱列车试验速度分别达到了 200km/h、120km/h、120km/h 及以上,对代表性的钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁桥进行了系统测试。对已进行横向加固的桥梁,动车组在 200km/h 速度范围内的实测横向振幅小于通常值。新型货物列车在 120km/h速度范围内的横向振幅,小于安全限值;脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力在安全限度以内。从新型货物列车与转 8A 货物列车产生的跨中横向振幅比较来看,新型货物列车在120km/h 速度范围内的横向振幅小于转 8A 货物列车在重车 80km/h、空车 70km/h 速度范围内的横向振幅。对于低高度和超低高度混凝土梁,除 32m 超低高度预应力梁横向自振频率不满足要求、横向振幅也大于安全限值外。横向振幅小于安全限值[4]。
4.1.5 预应力混凝土梁抗裂性
大-138、大(65)-138、叁标外桥-006、叁标外桥-006A、叁标桥-2019 系列预应力混凝土梁,按现行设计规范进行抗裂性检算,当桥上道碴厚度达到 0.25m 时,抗裂安全系数在 0.985~1.135 之间,设计荷载下跨中下缘混凝土出现 0.1~3.7MPa 的拉应力。对于跨度 31.7 和 32m 梁,当桥上道碴厚度由原设计的 0.25m 增加至 0.35m 时,抗裂性指标将降低约 0.035;跨中下缘混凝土拉应力增加约 0.6MPa。横向加固需要增加混凝土约 10m3,根据横向加固混凝土质量主要分布在梁的两端的具体情况,抗裂性指标将进一步降低约0.035,跨中下缘混凝土拉应力增加约 0.6MPa。同时为了解既有预应力混凝土梁的预应力随时间的实际损失情况,近年来,对现场更换下来的预应力混凝土梁,进行了抗裂等级和消压荷载等级试验。从实测结果看,既有预应力混凝土梁的预应力实际损失比既有规范设计计算值约大 10~15%;而现行桥规对预应力损失的计算规定与实际情况基本相符。因此,加固后的预应力混凝土梁应按现行规范进行抗裂性检算,检算荷载采用提速后的实际运营荷载。并加强对大-138、大(65)-138、叁标外桥-006、叁标外桥-006A 系列梁的检查。
5 既有线铁路桥梁的加固
5.1 混凝土梁横向加固
5.1.1 预应力混凝土梁横向加固方法
影响双片式 T 梁横向刚度的主要因素是梁体之间的联结状态,因此如何合理地加强两
片梁的横向联结,保证在活载作用下两片梁的共同受力,是提高梁体横向整体刚度的关键。一般情况下,简支结构梁端水平转角及纵向剪切变形最大,而跨中剪切变形小转角接近零。在两片梁共同承受横向荷载时,由于梁端纵向剪切应变最大,为保证两片梁能够共同工作,梁端横向联结必须有足够的剪切刚度。当梁端增设一定长度的横向联结并能约束两片梁的梁端水平转角时,两片梁可基本处于共同工作状态,而仅在跨中剪应力很小的区域加强横向联结,加固效果较差。横隔板数量及分布、沿梁纵向厚度、横向宽度等因素对横向刚度的影响均较大。预应力混凝土梁横向加固时,应综合考虑横向联结的合理分布,即在提高横向刚度和自振频率的同时,尽可能少地降低梁体抗裂性
5.2 增加双片式 T 梁横向间距
单纯加大梁的横向间距而不对横向联结进行必要的加强,不能提高梁体的横向刚度和自振频率。同时,增加梁横向间距的方法在实际应用存在支座位置调整等难题,因此该方法不宜采用。
5.3典型跨度双片式 T 梁横向合理加固方法组合
在实际加固工程中,为保证加固效果,各种加固方法往往会配合运用。通过对横隔板加厚和增设水平联结等联合应用后加固效果的计算分析可以看出,32m 双片式 T 梁采用增加两侧梁端附近各 3 块横隔板厚度至 0.6~0.8m 是横隔板加固的最优方法。
5.4 轻型桥墩、基础加固