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预应力连续桥梁加固技术

摘 要： 通过分析甘陶河特大桥出现病害原因的分析，找出重点加固的部位，通过碳纤维布和钢板进行加固，取得的非常好的效果，本文重点讲述了预应力桥梁的受力分析、加固方案、施工中的技术要点，加固后的桥梁检测技术及其相关参数，来重点介绍预应力连续桥梁的加固技术。
关键词：桥梁、碳纤维布、钢板、加固
1、工程概况：
甘陶河特大桥位于石太高速公路河北段K359+888处，该桥于1994年7月竣工，上部结构为15孔40米预应力混凝土箱式（单箱单室）连续梁，单桥共分三联，每联5孔长200米，全桥长616.70米，双幅共分6联，桥面净空2×净－9.5米，2％桥面横坡由箱梁顶面调成，下部结构为独柱式墩、框架式台、钻孔灌注桩基础，该桥西头上跨宜沙公路，桥面斜交。
该桥在桥梁检查中发现南幅第二联出现严重的病害，主要是底板、顶板出现横向的裂缝，箱梁幅板在预应力锚固端附近、支座两端、跨中也出现了斜向裂缝，并且部分裂缝已经贯通。南幅其余两联病害程度较轻，鉴于这种情况，该桥的业主单位委托有检测资质的单位对该桥进行了检测，检测结果建议对该桥进行加固。
业主于2004年底组织有关专家对该桥的加固方案先后进行了论证，根据专家的意见，业主委托设计单位进行了设计，设计图纸完成后，业主又组织有关专家再次召开“石太高速公路甘陶河特大桥病害治理设计”的研讨会，同时对该设计提出了修改意见。
该桥的加固于2005年3月开工，2005年5月完工，为半幅断交施工，工期为2个月。
2、病害的原因分析：
该桥南半幅第二联病害比较严重，该桥主要病害及病害产生原因分析如下：
2.1、箱梁底板裂缝：
分部特征：主要是横桥向裂缝，并且局部与腹板裂缝贯通。
产生原因：
2.1.1、底板预应力钢筋锚固不足，锚固端变形较大，使得钢丝束与混凝土之间产生相对滑移，并沿钢束方向引起拉应力，而锚具附近加强钢筋偏少，进而产生与钢束垂直的裂缝，该裂缝发展到一定程度后形成贯通的横向裂缝，属于预应力的牵拉裂缝。
2.1.2、支座处底板钢筋不足，依据板底裂纹的分部情况，即裂纹方向与预应力钢筋方向垂直，显然裂缝的出现是混凝土受拉开裂的结果，主要由于支座两侧底板钢筋均设置为普通钢筋，预应力钢束在支座两侧13米范围内均已截断。
2.1.3、预应力作用过强，反拱过大，造成在连续梁支座底部产生了正弯矩，而相反在跨中产生负弯矩，尤其是在预应力张拉施工阶段，如果控制不好张拉力，预拱度及张拉时的压重，势必由于预应力的作用在支座处产生正弯矩。
2.2箱梁顶板裂缝
分部特征：主要分布在预应力钢束锚固端附近，支座两端和跨中。
产生原因：箱梁顶板裂缝主要是由于该桥采用单室单箱，顶板较宽，而横向采用直径12MM螺纹钢筋偏弱容易产生纵向裂缝，与此同时顺桥向钢筋因锈蚀而与混凝土产生相对滑移，钢束锚固端的局部受压造成齿板内形成劈裂裂缝。另外在预应力钢束锚入齿板的折角处由于钢束的合力作用使得该处混凝土被“崩出，从而造成顶齿板附近有局部的混凝土剥落和露筋现象。
2.3、箱梁腹板裂缝
分部特征：在腹板两侧变截面处，内外侧对应比较有规律，基本各处都有1～2条主要裂缝，50％超过0.2mm，最大0.49mm，部分裂缝贯穿腹板，在某些跨内也有竖向的裂缝。
产生原因：腹板裂缝一部分由于底板横向裂缝延伸所致，另外该桥截面尺寸，腹板厚30cm，抗剪强度不足也导致裂缝产生，而且该桥宽跨比较大，采用独立墩，偏载引起的扭转、畸变剪应力占相当高的比例，抗剪横向分布增大系数到大于抗剪横向分部系数。
2.4、齿板裂缝：
产生原因：由于齿板尺寸较小，局部应力超限造成，以上病害主要产生在南幅第二联，由于施工时曾经因以上因素产生了质量问题，随即进行了变更，增大齿板尺寸，所以其余各联情况较好。
3、加固方案：
根据以上分析结果和专家意见，本次设计采用以下方法对病害进行治理，恢复该桥的整体工作性能和承载能力。
3.1、裂缝采取压力化学灌缝技术，保护涂料封缝进行处理，对箱梁表面大于0.1mm的裂缝，采用灌浆补强技术处理。
3.2、顶板采用横向粘贴一层碳纤维布，碳纤维布延伸至承托部位，在承托表面交错设置碳纤维片材的断头。
3.3、腹板内、外侧锚固区粘贴碳纤维片材，碳纤维片材的主纤维方向尽可能的垂直与裂缝。
3.4、底板采用横向裂缝发生在梁体拉断的部位，板底上、下缘表面对拉螺栓、粘贴钢板进行加固补强，其余部分采用纵向贴满一层碳纤维布（碳纤维布伸进钢板20cm），底板上缘表面钢板厚6mm，下缘表面钢板厚10mm。
4、施工要点
4.1、裂缝修补
4.1.1裂缝处理
根据混凝土体裂缝的性质（包括其长、宽、深度、走向贯穿及漏水情况）进行裂缝的清理，对于较小的裂缝用钢丝刷扫除松散层、灰尘污物后用压缩空气将其粉尘吹扫干净，最后用棉纱浸丙酮擦洗待封缝灌浆补强；对于较深的裂缝采用人工凿或用机械切成“v”形槽，其深度和宽度视其具体情况而定，对于不太深的表面裂缝可用骑缝钻孔，孔内埋设灌浆管和阻塞器，对于深、走向不规则的裂缝，必须加钻斜孔构成较多的通路。
4.1.2、封缝
对于细小的裂缝可用环氧树脂浆液贴脱脂玻璃丝布直接封缝，已凿成“v”形槽的裂缝可用环氧树脂浆液和水泥砂浆配合封缝。
4.1.3、灌注及封口
灌浆前接通管路打开所有灌浆嘴上的阀门，再次用压缩空气吹扫，灌浆压力为0.2～0.4Mpa，待裂缝浆液初凝不外流时拆下灌浆嘴，用快固化胶液进行封缝。
4.2、植锚栓
4.2.1、钻孔前应使用钢筋探测仪对原混凝土结构进行探测，以测定非预应力钢筋和预应力钢筋的位置，不至于在钻孔过程中损害原有的钢筋。钻孔应确保孔的表面有足够的粗糙度，其直径比钢筋直径大4MM以上。
4.2.2、植筋胶应从孔的底部开始注射，直至填满孔深的2/3。
4.3、粘贴钢板
4.3.1、粘贴的钢板锚孔要根据现场所植锚栓和对夹螺栓的位置进行放样；并对粘贴面用丙酮擦净使表面露出光泽。
4.3.2、粘贴钢板前要对混凝土表面进行凿毛再用钢丝刷或压缩空气清除浮尘，并对混凝土表面的凹凸部位进行修补，以确保粘贴钢板后混凝土和钢板之间不出现空洞，粘贴前要用丙酮擦一遍。
4.3.3、粘结胶的涂刷：在粘贴钢板以前，应在钢板的表面涂刷一层厚度约为2mm的粘结胶，然后将钢板粘贴在混凝土表面，使多余的胶液沿钢板边缘挤出。
4.3.4、粘贴钢板的加压：粘贴在混凝土表面的钢板通过植入混凝土上的锚栓和对夹螺栓上的螺母进行加压，加压应在钢板粘贴后立即进行，并且保证钢板上各点螺栓的加压要均匀。
4.4、粘贴碳纤维布
4.4.1、本工程采用300g/m2的高强碳纤维布，环氧胶液的配比为：环氧树脂：邻苯二甲酸、二丁脂：甲苯：乙二胺＝1：0.08：0.06：0.1。
4.4.2、碳纤维布应按顺序依次粘贴于工作面，并用手轻压，采用专业的消泡辊顺纤维方向从中间向两边或沿一边多次辊压，挤出气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布。
4.4.3、粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表面浮尘和油污，露出混凝土结构新面，转交粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧，圆弧半径不小于20MM，对于混凝土表面凹陷部位应用找补材料填补平整。
5、施工质量检查和检验
5.1、粘贴钢板的质量检验：粘贴钢板后用小锤轻轻的敲击钢板的表面，从音像效果上判断粘贴效果，锚固区粘结面积应大于钢板面积的95％，非锚固区粘结面积应大于90％。
5.2、粘贴碳纤维布的质量检验：
5.2.1、重点应检查碳纤维布的材料质量和碳纤维布的粘贴质量，在施工之前应检查碳纤维布和配套胶的产品质量合格证、产品质量出场检验报告，各项性能指标均符合规范的要求，碳纤维布与混凝土表面的粘贴应用小锤轻轻敲击的检查方法，总有效粘结面积均应大于95％。
5.2.2、碳纤维布空鼓部位的处理：碳纤维布粘贴完成后，应对空鼓的部分进行处理，经过业主、总监理工程师和施工单位的共同协商，采用对空鼓部分用刀片割开的方法进行处理，具体方法为：先用刀片对空鼓部位的碳纤维布割开，割开方向应顺着碳纤维布的主纤维方向，然后用专用的注射器进行注胶，只至填满，然后用手压平。
6、完工后荷载试验检测
甘陶河特大桥加固完工后，为了检验其加固补强的效果，在通车以前委托了交通部公路工程检测中心进行了荷载试验检测，通过对桥梁结构进行静、动荷载试验，以检测桥梁结构在试验荷载作用下的实际受力状况是否满足加固设计和规范的要求。
6.1、试验荷载检测内容
6.1.1、结构表面的质量检测：主要对粘贴钢板和碳纤维布的外观进行检查，检查其粘结面积率是否达到了规范的要求。
6.1.2、结构静荷载试验：主要通过应变测试和挠度测试来检验该桥在规范要求的荷载下的应变和挠度是否达到了规范要求的范围。
6.1.3、结构动荷载试验（包括行车试验和自振特性测试）。
7.结束语
通过荷载试验测定的挠度检验系数介于0.61～0.95之间，说明结构现有状况竖向刚度能够满足设计和规范的要求，应变检验系数介于0.37～1.00之间，说明结构现有状况能够满足设计荷载等级作用下的使用要求。根据实测结果，钢板表面应变与相近测区混凝土表面应变接近，说明钢板能够参与到结构受力中。总体评价该桥的加固达到了预期的效果，是非常成功的。