粘贴钢板法在旧桥加固中的应用

1 现实问题及解决方案

312国道咸阳沣河桥加宽, 改建工程, 是将原84年建设的旧桥利用作为左半幅的右幅, 与上游新建的左幅联合组成一个左半幅, 下游同时再建一个新桥为右半幅。由于新建桥泄洪能力及铺装层的提高增加, 就必须对原84年建设的老桥进行顶升并加固, 方可使新老桥成为一体。由于荷载的增加, 必须对原梁板进行补强, 方可提高老桥梁板的承载能力。为了不影响净空, 节约资源, 我们对梁体加固采用粘贴钢板法进行补强加固。

2 粘贴钢板加固法

采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位, 使之与原结构物形成整体共同受力, 以提高其刚度, 改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态, 限制裂缝的进一步发展, 从而达到加固补强, 提高桥梁承载能力的目的。

2.1 粘贴钢板加固设计

首先, 应对桥梁 (梁板、箱梁、盖梁等) 存在的病害与产生缺陷的原因进行分析, 当确定采用粘贴钢板进行加固后, 根据病害与缺陷的所在部位, 确定钢板的规格和粘贴部分和形式。一般将钢板粘贴在被加固的梁体结构受力部位的外边缘, 以便充分发挥粘贴的钢板强度与作用。同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷, 约束混凝土变形, 从而有效地提高被加固构件的刚度和抗裂性。设计时, 可根据需要与可能在不同的部位粘贴钢板, 有效地发挥粘贴构件的抗弯、抗剪、抗压性能。

(1) 为了提高桥梁结构的抗弯能力, 一般在构件的受拉缘的表面粘贴钢板, 使钢板与原结构形成整体来受力, 此时以钢板与混凝土粘结处的混凝土局部抗剪切强度控制设计。合理与安全的设计应控制在钢板发生屈服变形前, 粘结处混凝土不出现剪切破坏。

(2) 当桥梁结构的主拉应力斜筋不足, 为了加固和增加结构的抗剪切强度, 可将钢板粘贴在结构的侧面, 并垂直于剪切裂缝的方向粘贴 (斜度一般为45°~60°) , 以承受主拉应力。补强设计时, 钢板可作为钢筋的断面来考虑, 将钢板换算成钢筋, 有构件承受恒载与活载, 增加的钢板承受原有构件承受不了的那部分荷载。

(3) 在构造设计时, 加固用的钢板可按实际需要采用不同的形状, 但钢板的厚度必须比设计算出的厚度大些。用于抗弯能力补强的钢板尺寸应尽可能薄而宽, 厚度一般为4mm~6mm。较薄的钢板可有足够的弹性来适应构件表面的形状。用于抗剪能力提高的钢板厚度宜厚点, 可依设计而定, 一般采用10mm~1 5 m m。

(4) 设计钢板长度时应将钢板的顶端延伸到低应力区, 以减少钢板锚固端的粘结应力集中, 防止粘结部位构件出现裂缝或粘贴钢板被拉脱现象的发生。

(5) 粘贴钢板法加固桥梁如何确保钢板和被加固构件形成整体受力是加固成功与否的关键, 所以在补强设计时, 除应考虑钢板具有足够的锚固长度, 粘结剂具有足够的粘贴强度和耐久性外, 为避免钢板在自由端脱胶拉开, 端部可用夹紧螺栓固定, 或设置U型箍板, 水平锚固板条, 并在钢板上按一定的距离用螺栓固定, 确保钢板与混凝土之间的粘结力满足抗拉或抗剪强度的需要。

2.2 材料与构造要求

(1) 加固所用的粘结剂, 必须是粘结剂强度高、耐水性好, 具有一定弹性。 (2) 加固使用权的钢板, 一般以3号钢或16号锰钢为宜。钢板连接螺栓及焊缝的强度设计值, 应按现行国家标准《钢结构设计规范》 (GBJ17—88) 规定采用。 (3) 粘钢加固结合面的粘结强度, 除粘剂本身强度应确保外, 主要取决被加固构件混凝土强度。因此, 粘钢加固基层的混凝土强度等级不应低于C15。

(4) 对于受压区粘贴钢板加固, 当采用梁侧粘贴钢板时, 钢板宽度不宜大于梁高的1/3。 (5) 粘贴钢板在加固点外的锚固长度, 除满足计算值外, 尚应保证一定的构造要求:对于受拉区, 不得小于200t (t为钢板厚度) , 亦不得小于600mm;对于受压区, 不得小于160t, 亦不得小于480mm;同时, 锚固区尚宜增设U形箍板或螺栓等附加锚固措施。 (6) 为防止钢板锈蚀延缓粘结剂的老化, 钢板表面应作密封防水防腐处理。

3 粘贴钢板法计算方法

3.1 受弯构件的计算

受弯构件截面强度不足时, 在受拉区加固, 可采取在受拉区表面粘贴钢板方法, 按截面受弯承截力计算, 可按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》规定进行, 其受压区高度和截面受弯承截力可按式1-2、1-3确定:

公式中:R1为原构件纵向钢筋抗拉强度设计值;

A1为原构件纵向受拉钢筋截面面积;R2为加固钢板抗拉强度设计值;

A2为加固钢板截面面积;R4为原构件纵向受压钢筋抗压强度设计值;

A4为原构件纵向受压钢筋截面面积;R3为原构件混凝土弯曲抗压强度设计值;

X为混凝土受压区高度;B1为原构件的宽度;

H1为原构件的有效高度;H2为原构件的受压区保护层厚度;

0.9为考虑加固钢板的应力滞后, 以及拉脱力影响等强度折减系数。

3.2 钢板锚固长度计算

(1) 受拉钢板在其加固点外的锚固粘结长度L1·L1≥R2·H3/R5

H3为受拉加固钢板厚度;R5为被粘混凝土抗剪强度设计值。

公式中数值2为锚固区剪应力分布不均匀系数, 近似按三角形考虑。

(2) 若钢板粘结无法满足以上要求, 可在钢板的端部锚固区粘结U型箍板, 此时, 锚固区的长度应满足下列规定:

当R6·b1≤2R5·Lu时

当R6·b1>2R5·Lu时

公式中:n为每端箍板数量;bu为箍板宽度;Lu为箍板单肢的梁侧混凝土的粘结长度;R6为钢与铪粘结抗剪强度设计值。

4 粘贴钢板在沣河桥加固中的应用

4.1 桥梁概况

沣河桥南桥于1984年建成, 上部结构为钢筋混凝土空心板, 下部为柱式墩台, 桩基、跨径为13.3m和14.1m组合, 原设计荷载为汽—20, 挂—100, 为了该旧桥与新建桥梁连为整体, 必须对该旧桥进行抬高加固处理, 由于桥面铺装水泥砼现浇层加厚, 致使该旧桥负载增加, 原板难以承受现有荷载, 所以对原板采用了粘贴钢板法进行补强加固。

4.2 钢板几何尺寸及锚栓孔的确定

经设计单位验算最后确定, 钢板长10米, 钢板宽18cm, 钢板厚6mm, 在每片梁底距外缘2cm处设两道纵向粘贴钢板, 钢板采用16Mn钢。锚栓孔及钢板接长如图2。

4.3 粘贴钢板施工要示与安全措施

4.3.1 钢板施工应注意以下几方面。

(1) 待粘贴部位的混凝土表面应清凿平顺, 坚硬干净。 (2) 钢板除锈要彻底, 且表面应有一定的粗糙度。 (3) 慎重选择胶粘材料, 配胶要精确。施工时开始固化的胶不得再用。 (4) 粘贴时注意环氧砂浆饱满。一般在混凝土表面及钢板表面分别涂刷一层均匀的环氧砂浆薄层合计层厚约2mm, 然后加压使之密贴并使之固定 (粘结剂固化前应有措施使钢板固定并夹紧) 。 (5) 粘贴前在混凝土上钻孔并安装锚固螺栓, 兼作固定件和压紧件, 要求埋设牢固, 具有可靠的抗拔力, 以保持粘贴钢板时有效地加压, 同时还可帮助钢板克服剪切, 有利于粘贴的耐久作用。 (6) 对钢板外表面进行防锈处理和被加固部位构件的外观处理。

4.3.2 粘结剂施工必须遵守以下安全规定

(1) 配制粘贴剂用的原料应密封贮存, 远离火源。避免阳光直接照射。 (2) 配制和使用场所, 必须保证通风良好。 (3) 操作人员应穿工作服, 戴防护口罩和手套。 (4) 工作场所应配备各种必要的灭火器以备救护。

4.3.3 粘贴钢板的施工顺序

对梁板底粘贴钢板加固补强施工, 每三孔一组, 均搭设满堂脚手架施工。为确保钢板粘贴牢固, 施工时注意以下顺序: (1) 将梁底表面打磨平整并清洗干净。 (2) 在梁底按设计图纸的尺寸钻孔安装膨胀螺栓, 钻孔时如遇梁内钢筋可稍作移位, 错开后再钻孔就位。 (3) 按调整后的膨胀螺栓孔位尺寸, 精确在待贴粘的钢板上钻孔;注意每片钢板的孔位都有所不同, 应对其编号安装时对号入座, 切莫搞错。 (4) 在梁底表面和钢板粘贴面同时涂抹均匀环氧水泥浆, 该桥环氧水泥浆配合比见表1, 然后及时粘贴在梁底, 拧紧膨胀螺栓, 此时, 钢板四周如有胶水挤出, 证明钢板与梁底粘贴密实, 否则应压浆补灌, 确保有效粘贴90%以上。

(5) 钢板与梁底粘贴强度达到80%以后, 在钢板表面涂抹一层环氧水泥胶作防护层, 待其干硬后再涂抹一遍水泥浆, 使之和梁底颜色一致。

5 施工后的检验及结论

(1) 拆除临时固定设备后, 应用小锤轻轻敲击粘结钢板, 以音响判断粘接效果粘结面积大于90%以上, 超声波法控测密实率达93%以上。

(2) 由于该桥处在交通大动脉上, 实测了桥跨静活载挠度均小于允许值, 满足规范要求。由于各梁实测挠度和理论计算值吻合较好, 说明本桥上部构造经补强加固处理后, 结构受力状况良好, 其承载力能够适应和满足该路段的交通要求。

摘要：在桥梁存续期间内, 由于车辆, 特别是超重车辆行驶, 以及外界各种因素作用和影响, 导致桥梁结构产生病害, 出现缺陷, 严重影响到桥梁正常使用。为了保证交通畅通, 就需要对桥梁进行维修, 加固和改造, 特别是上世纪50～70年代甚至80年代初建设的桥梁, 已经30～40年, 一些桥梁已不适应当今经济快速发展的需要, 病害和缺陷累累, 因此加固、维修便成为一个十分突出的亟待研究解决的课题。

关键词：粘贴钢板法,桥梁,应用