吴金翔
随着我国改革开放的深入进行,国民经济快速发展,交通事业日新月异。早期建设的桥梁标准低,承载力不足,逐步阻碍交通畅通。特别是大型、重型车与日俱增,致使公路交通安全和畅通受到严重影响。面对数量如此庞大的旧桥、危桥,如全部推倒重建,既不科学,更不现实。面对日益艰巨的公路钢筋混凝土危旧桥梁改造任务,急需找到一种快速、有效、可靠的加固维修方法。
我国目前对旧桥加固技术进行研究,总的看来从加固原理和适用特点上可分为3类:1)改变原结构的受力体系,使原结构受力减小;2)扩大和增加原结构构件截面,以提高原结构的强度和刚度;3)以新的结构代替原抗力不足的结构。随着荷载等级的不断提高,桥梁工程逐渐向轻型、大跨度方向发展,现有加固技术可能在很大程度上受到限制,因此,有必要研究碳纤维材料、体外预应力等新型加固技术在旧桥改造中的应用。
1 碳纤维加固特点及加固技术要点
1.1 碳纤维加固技术的特点
1)材料力学性能好,碳纤维材料抗拉强度为普通钢材的10倍以上,弹性模量与钢相近,重量轻,在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固的目的。作为一种复合材料,碳纤维抗腐蚀性能及耐久性能稳定,不与酸碱盐等化学物质发生反应,因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性;2)碳纤维布质量轻且厚度薄,单位体积重量仅为钢材的1/4左右。经加固修补后的构件,基本上不增加原结构的自重、尺寸和改变截面外形,也就不会减少建筑物的使用空间,几乎不会改变桥下的净空高度,这一优点更是传统补强方式所无法比拟的;3)具有良好的适应性,由于碳纤维布是一种柔性材料,而且可以任意地裁减,对圆形、曲面的结构也可采用此种方法。尤其是布状片材可以适应各种结构的外形进行粘贴和裹缠,成型很方便,所以这种加固技术可广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各种部位,且不改变结构形状及不影响结构外观;4)加固施工极为便捷,由于其自重较轻,可操作性强,操作空间要求较宽松,没有湿作业,不需要大型的施工机械,施工占地较少,施工时对环境的影响较小,工效高。尤其对于箱梁构造而言,当箱梁内部的作业空间受到限制时,其可操作性很好,既可以节省庞大的支架费用,也具有一定的安全性和隐蔽性。
1.2 碳纤维加固技术要点
1)碳纤维加固施工中基层的处理质量至关重要。基层是否清洁,表面有无浮渣,表层是否平整,都将直接影响粘结质量。在对构件表面进行打磨之前,需要消除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土,露出混凝土结构层,并用修复材料将表面修复平整。有裂缝的,需对裂缝进行灌缝或封闭处理;被粘贴的混凝土表面应打磨平整,除去皮层浮浆、油污等杂质,直至完全露出新面;
2)粘贴碳纤维时,滚压的密实度对粘结性能也有较大影响。粘贴操作应按如下步骤进行:裁剪碳纤维布→配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位→用特制的滚筒沿纤维方向滚压→多层粘贴重复上述步骤→最后一层碳纤维布表面均匀涂抹浸渍树脂。在该过程中,应反复多次滚压,尽量排除气泡,以免影响粘结质量;
3)环境的温度和湿度对粘结质量也有影响。温度过低或过高,湿度过大也会影响粘结质量。当环境温度大于60℃时,应采取隔热措施加以防护;当环境温度低于5℃时,应停止施工,否则树脂的固化及最终强度都会受到影响。
2 体外预应力加固技术及施工要点
2.1 体外预应力加固技术
体外预应力技术作为后张预应力体系的重要分支之一,近年来成为预应力技术的热点。采用体外预应力技术加固桥梁结构有很多优点:1)预应力布置简单,可以调整,简化了后张的操作程序;2)对桥梁加固施工过程中,可以不封闭交通;3)增加恒重不多,可以能动地调节原结构中的应力状态,达到有效加固的目的;4)能够较大幅度地提高旧桥的承载能力和结构刚度,能够有效的控制原结构的裂缝和挠度,使裂缝部分或全部闭合,使挠度大幅度减小;5)对原桥的结构损伤很小,可以做到不影响桥下净空;6)维护修补方便,可以随时更换预应力筋。
2.2 体外预应力加固施工要点
2.2.1 上锚固点设置
对于上锚固点设在梁顶及梁端顶面的情况,需要按设计的斜筋穿出位置,在桥面板或梁顶面凿穿两个具有与斜筋角度相同的斜孔。首先应把桥面铺装层凿去,将梁顶面混凝土保护层凿去,露出钢筋,再将锚固垫板处的混凝土进行细凿。为了凿好斜孔,应按斜孔的设计角度做一个凿孔架,将凿岩机的钻杆放入凿孔架的槽内,使钻头中心对准理论锚固点,然后再进行凿孔。上锚固孔凿完之后应将梁顶面混凝土清理干净,除去混凝土碎渣。先在开凿后的混凝土表面涂一层环氧胶液,再用环氧水泥砂浆铺平。最后将上锚固设在梁顶时,应保证锚垫板的上表面与梁顶面平齐,或略低一点,以确保锚固点上有尽可能厚的混凝土保护层。
2.2.2 转向装置
转向装置是实现体外索加固的重要构件,其传载方式和自身性能也是影响预应力施加效果的关键。如果转向装置设计不合理或构造措施不当,预应力钢材容易产生局部硬化和摩阻损失过大。转向装置的设计要求预应力筋在折角点的位置必须高度准确,避免产生附加应力,转向装置在结构使用期内也不应对预应力钢材有任何损害,FIP标准和欧洲体外预应力规范均对转向块内预埋管道所需的最小弯曲半径作了规定。转向块的功能是传递体外束产生的水平和垂直横向力。体外束通过折角点产生集中荷载,这个荷载应能通过转向块安全地传递至混凝土结构。为此对于转向块的构造细节必须给予足够的注意。
2.2.3 预应力筋的安装和张拉
在安装预应力筋前应该先检查各种锚具是否能正常工作,特别是粗钢筋的螺杆和螺母的匹配情况,应逐个试拧,每个丝头均应达到在不加力的情况下用手拧动,就可将螺母拧至全程。
对于水平筋和斜筋分别采用两根粗钢筋或斜杆为型钢的情况,应先将斜筋与水平滑块固定在一起,并将斜筋的上锚固点固定。用临时支架将滑块定位在其垫板的位置上,然后再穿入水平筋。穿筋时应保证水平筋的两端均有相等的丝头长度,检查滑块位置并预留滑移量。上紧两水平筋的螺母,且应保证水平筋的中心与滑块锚孔对中,以防止在张拉锚固时拧紧螺母困难。对于横向收紧水平筋产生预应力的体系,首先按斜筋的斜度要求将斜杆焊接在梁端的U形锚固板上,采用夹杆焊将水平筋焊在斜筋上。为了减少垂度,每隔2 m～2.5 m用木块将水平拉杆垫起,然后安装锁紧装置。先安放弯起点处的立柱,再按设计位置安装撑棍和收紧器,以备张拉。
2.2.4 防腐处理
体外索加固体系中的主要铁件如水平筋、斜筋、钢丝束(绳)、滑块、垫板及固定支座等均应进行防腐处理。体外筋是加固体系的主要受力构件,它通过锚具将预加力传递给主体结构,通过转向装置实现转向,它的耐久性决定结构的耐久性,所以有必要采取防护措施来保护体外预应力筋、锚具和转向装置。
目前体外预应力筋的防腐主要采取以下几种方式:1)裸露预应力筋镀锌和涂环氧树脂防腐;2)套管加填充材料防腐:在索的外面加套管,待预应力筋张拉完成后,在套管内灌注填充材料;3)采用单股无粘结钢绞线:单股无粘结钢绞线是将钢绞线挤入PE套管并内充油脂而成,它自身具有防护系统;4)采用新材料(FRP)作为体外索:FRP筋具有高强轻质、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳、应力松弛低等特点,用这种材料作为体外索,虽然成本较高,但是后期维护费用低。还可以避免由应力腐蚀、氢脆或疲劳腐蚀等引起的脆性破坏。
3 结语
桥梁加固是随着日益增长的交通运输业而产生并随其发展的新课题,它很好地处理了新工程与旧工程的衔接,是实现可持续发展的物质保障。因此,桥梁加固技术的发展意义相当重大。同时,各种新型材料,新方法的运用,使得桥梁加固的对象更广,施工更方便快捷,效果更明显,并推动着桥梁加固技术的不断成熟和完善。
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