换梁及粘贴钢板在桥梁维修加固中的应用

换梁及粘贴钢板在桥梁维修加固中的应用

甘颜荣

大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 辽宁省 大连市 116023

摘要：本文通过实际工程案例，论证了换梁的适用条件，分析了粘贴钢板法的受力特点，对粘贴钢板前后的主梁承载能力进行了分析，总结了施工中应注意的一些问题，为类似桥梁加固工程设计及施工提供参考。

关键词：换梁 粘贴钢板 加固 提载

1、引言

随着多年来国内经济的快速发展，交通事业也日新月异。一大批上世纪80年代左右修建的桥梁已不适应当前的交通需求。受限于当时的材料强度，设计能力、施工及管理水平的限制，其本身可能存在着各种各样的缺陷。同时经过多年的运营，材料的老化以及钢筋的锈蚀，导致桥梁会出现了各种各样的病害，从而成为了交通运输的潜在隐患。

针对桥梁的具体病害，提出优化适用的设计与施工方法，因地制宜才能合理整治病害。本文结合鞍山市解放路立交桥大修工程，对不同的结构病害采取的不同的加固方案和施工措施进行了研究。

2、桥梁概况

鞍山市解放路立交桥修建于1989年，是鞍山市第一座超过三层的现代化全互通立交桥。全桥共分四层，第三层及第四层为上跨桥。第三层桥梁全长566.6m，第四层桥梁全长964m。桥梁上部结构均采用钢筋混凝土连续箱梁结构，下部结构采用Y型墩接挖孔桩。桥梁设计荷载均为汽-20 挂-100。

3、桥梁主要病害及评价

桥梁混凝土质量较差，碳化较为严重；箱梁底板及腹板处均存在纵向、横向、网状裂缝，部分桥梁梁底裂缝处锈水外流；全桥多处桥墩出现横向、纵向、网状裂缝，部分裂缝宽度超限。

根据检测报告，评价第四层直行桥为D级，桥梁整体承载能力不能满足汽-20 挂100荷载，桥面板厚度明显比设计薄，局部承载能力不能满足120kN轴重的车辆荷载；一阶基频比计算值小，桥梁刚度不足，处于不合格状态；其余主桥及匝道为B~C级，处于良好状态或合格状态。

4、方案设计

针对于本桥主梁承载能力不足的情况，本次设计提出多种加固提载措施。常用的桥梁加固措施有粘贴钢板、粘贴预应力碳纤维板、换梁等措施。在本工程中，第四层桥梁除了主梁混凝土质量较差，承载能力不足外，桥面板尺寸偏薄，配筋较少，不能满足局部受力要求，如采用钢板或者碳纤维加固，会对原结构造成更大的损伤，带来更大的安全隐患，综合考虑第四层桥梁采用换梁方案。第三层桥梁主梁承载能力不足，但是混凝土质量相对较好，而采用碳纤维板方案，锚固位置梁底受力较为集中，且工艺较为复杂，综合考虑，第三层桥梁采用粘贴钢板方案。

5、换梁

5.1 结构方案

解放路立交桥原结构设计为钢筋混凝土连续箱梁。本方案设计为了不影响下部结构，主梁采用原结构设计。在原结构尺寸基础上优化截面，并且为了提高主梁耐久性，增长桥梁的使用年限，直线桥均采用预应力混凝土箱梁结构，曲线桥均采用普通钢筋混凝土箱梁结构。本方案可以提高主梁材料强度，提高耐久性，提高桥梁使用荷载，增长桥梁的使用年限，并一次性彻底解决所有主梁病害。

5.2 施工方案及施工中遇到的问题解决方案

本方案预应力混凝土箱梁采用满堂支架法施工。施工步骤为：搭设满堂支架/贝雷架→采用切割拆除原主梁结构→桥墩增大截面施工同时墩顶增设垫石并更换支座→支模、绑扎钢筋并浇筑混凝土→拆除支架→桥面及其他附属设施施工。

本桥梁修建之初，标高系统采用的是局部坐标系，无法与现标高系统进行转换，而且由于当年施工工艺及沉降的问题，墩顶标高与原设计标高不一致。本次设计在主梁拆除后，整体对墩顶标高进行测量，再进行主梁的纵断设计。

本桥原设计桥面未设置横坡及超高，本次设计采用垫石来调整桥面横坡，使得新建桥梁桥面排水更为顺畅，同时也能提高行车安全。

6、粘贴钢板

6.1 设计方案

根据检测报告第三层部分桥梁评定等级为C级，部分梁段的承载能力不能满足汽-20荷载。采用Midas Civil进行原截面建模，主梁承载能力计算结果如下所示：

计算结果可见，第三层主线桥完好状态及现况缺损状态下，在原设计汽-20级荷载下，正截面抗弯承载能力不能够满足规范要求。其中承载能力不足位置主要集中在边跨L/4截面附近，因梁底部分钢筋在此截断，导致正截面承载能力存在突变，使得局部位置承载能力不足。

考虑桥下净空，采用在箱梁底板粘贴钢板法进行处理，通过将钢板粘贴在钢筋混凝土结构的受拉区域薄弱部位，使之与箱梁结构物形成整体，用以代替需要增设的补强钢筋，通过粘贴材料与补强结构的共同作用，提高其刚度，限制裂缝开展，改善钢筋及混凝土的应力状态，提高梁体的承载能力。

在箱梁梁底范围内每榀箱梁梁底顺桥向粘贴3道钢板，每道钢板厚度12mm，宽度500mm。钢板要求与结构面粘贴牢固，钢板粘贴前在混凝土上钻孔并安装M12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，以保证钢板可靠固定。钢板采用Q355qB钢板，锚栓采用普通碳素钢5.8级锚栓。

通过在梁底粘贴钢板，原桥1/4跨处，主梁承载能力明显提高，满足要求，并且有一定的富余量，其余截面主梁承载能力富余量增加，提高的桥梁的安全系数。

6.2施工工艺

1）钢板制作—根据混凝上构件的实际尺寸对钢板进行下料、成型、钻孔。2）基底处理—表面处理包括加固构件结合面处理及钢板贴合面处理。3）螺栓孔定位及钻孔—要求螺栓孔定位准确，钻孔之前应探明待加固结构钢筋位置，避免损坏钢筋。4）钢板表面处理及安装—钢板粘贴之前，应先进行粘贴面处理。5）配制钢板灌注胶—将钢板灌注胶按要求的重量比准确称量，并倒在容器中，用低速搅拌器，搅拌均匀，直至色泽完全均匀为止。6）封边—将注入咀粘结在钢板的注入孔上，在钢板边缘插入排气管，在膨胀螺栓头上罩上盖碗，然后用钢板封边胶封闭钢板边缘，完成封边。7）灌注—用泵将粘钢灌注胶从注入咀灌注到钢板和混凝土的空隙中，灌注工作持续到所有排气管均有胶液流出。8）检验—粘钢的同时，必须制备钢—钢拉伸剪切试件及钢—混凝土双剪试件各5个，进行粘结抗剪强度试验。钢—钢粘结抗剪强度试验值不得低于该种胶的相应规定，钢—混凝土抗剪破坏必须发生在混凝土上。9）表面防腐处理。

7、结语

经过科学合理的加固设计，精心的施工组织及严格的质量控制，鞍山市解放路立交桥与2019年9月底顺利竣工通车。通过本项目，更换主梁及粘贴钢板等措施的加固效果又一次得到了验证。

参考文献：

[1]中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路桥梁加固设计规范 [M].北京:人民交通出版社,2008

[2]蒙云,卢波.桥梁加固与改造 [M].北京:人民交通出版社,2004

[3]谌润水,胡钊芳,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例 [M].北京:人民交通出版社,2002