1 橋梁加固與維修的任務和形式
隨著我國經濟的發展,交通運輸事業也蓬勃發展,交通量越來越大,荷載越來越高,道路標準越來越先進,而在50到70年代所修建的橋梁,由于當時的設計標準低,且設計指導思想是注重于材料的節省,造成斷面單薄,安全儲備代,橋梁耐久性差,加上年久老化,已大多不能適應現時的需要,又由于目前建筑市場較為混亂,有的橋梁設計施工粗糙,新建的橋梁事故也時有發生。因此,加強對舊,危橋梁的檢測,鑒定,加固與維修是十分必要的。它也必須做為我們橋梁工作者著重研究的內容之一。
然而橋梁加固與維修有較大的難度:首先是交通壓力,已通車的橋梁,有現行的交通需求和交通干擾;其次是結構形式受限制,加固必須利用原有結構進行設計;第三是風險大,凡需要加固的橋梁,結構已處于不利狀態,有的還岌岌可危;第四是工作量大卻收費低廉。
橋梁加固與維修技術要求較高:加固設計時一定要有良好的橋梁理論水平和力學基礎知識,確定加固方案時要正確分析和判斷舊橋的結構狀態和內力大小程度;加固方案實施的復雜性要求有豐富的施工經驗,能夠提出構思巧妙但又可操作性強的加固處理方法。
但是,加固與維修橋梁能預防橋梁塌擁而造成的物資和人身損毀;可以延長橋梁使用年限,用少量的資金,使橋梁得以繼續使用,而且能緩和橋梁建設投資的集中性;在文化上,有的橋梁屬文化古跡,須進行維修保護,要修舊如舊,使之成為文化一景,有的橋梁建在人口稠密區,對其景觀性要求較高,對其進行維修使之面貌更新,成為當地建筑標志等等。因此舊橋加固是政績,是生產力,是文化的體現。
2 加固與維修方法
對舊,危橋的加固維修,必須對橋梁結構進行分析計算,從改變結構的內力和應力出發來采取措施進行工作。首先是判斷和鑒定原橋目前的受力情況,然后是結合加固方案對加固之后的承載能力進行計算和分析。具體可采取的措施有以下幾種:
1 改變結構圖式。如變筒支梁為連續梁,變筒支梁為撐架,剛架,變懸臂梁為連續梁等,這樣可使控制變矩降低。
2 外力減荷。施加與荷載效應相反的外力,如采用體外預應力。
3 內力調節。在外荷載不變情況下,通過結構措施使每一受力單元(如每塊板,每片梁)的分布內力減小。如增強橫向聯系而減小橫向分配系數,降低荷載分布內力。
4 增大斷面。增大斷面增加了原結構的承載能力,同時也會因此而加大了自重,自重加大產生的內力增量會抵消結構載能力的提高。此外,增大斷面還需克服一個障礙,即新增結構面積與原有結構的界面能否良好結合,確保新老兩部分面積是否能很好協同受力。因此這種方案的有效程度較低,但由于它直觀,容易被接受。
5 粘貼高強度受力材料在混凝土表面粘貼高強度的受力材料,附合結構受力特點,傳統的做法是在混凝土表面粘貼鋼板。但在實際工程中,由于鋼板面積大,剛度大,適塑性差,很難與原結構粘貼緊密,加上鋼板自重大,操作不便,限制了其應用。多年以來一直在期待一種實用的高強材料,要求其強度和彈性模量大而重要較輕,又有較好的柔性,避免上述缺點而容易操作。這種材料出現,會使增大斷面的加固有一個根本改觀。
3 加固新材料
世界上許多大學、政府部門和工業廠商一直在從事復合材料在橋梁維修和加固工程中應用的研究。如玻璃纖維,棚纖維,芳綸纖維和碳纖維都是應用于橋梁結構中的主要選擇材料,根據它們優越的性質和將來預計降低的價格,最有可能應用的是碳纖維。它是為航天工業而開發的一種高新材料,到七十年代已經成熟,八十年代起就開始對其在土建工程中的應用做研究。1991年瑞士聯邦材料試驗研究中心首次在一座總長230米的多跨預應力混凝土連續梁橋中用碳纖維對其進行加固并取得了成功,此后碳纖維越來越廣泛地應用在了土木工程中。它具有高強輕質,抗腐蝕,耐老化,物理性能穩定等諸多優點。其拉伸強度約為鋼材的7-10倍。碳纖維片可以用環氧樹脂粘貼在混凝土的表面,形成一體,共同工作?;谶@一特點,日本在八十年代中期開始研究把碳纖維片材用于混凝土結構的修復補強。利用碳纖維片的高強和可粘貼的性能,把碳纖維片用環氧樹脂粘貼在被補強的混凝土結構表面,與原混凝土結構形成一體共同承受荷載,使混凝土結構得到了有效的加強;能適應各種外形的補強,可多層粘貼,能有效地封閉混凝土裂縫。這種方法不僅施工簡便,不受酸,堿,鹽等的腐蝕,耐久性好,而且基本不增加結構的重量,不影響結構的外觀,因而引起了廣泛的關注。歐洲,日本及美國等發達國家相繼對碳纖維片在混凝土結構修復補強中的應用技術和材料性能進行了大量的試驗研究,提出了很多具有實用價值的研究成果,使碳纖維修復補強技術得到迅速發展,已廣泛用于橋梁,地鐵,工業民用建筑,水塔,水池,煙囪等土木工程各個領域的鋼筋混凝土結構的修復補強中。
4 舊橋加固典型實例
國道324線坂頭大橋舊橋建于1953年,其結構為普通鋼筋混凝土變高度連續梁橋外加一孔16m筒支梁邊跨,連續梁跨徑布置為16 22.5 16m。原設計荷載為汽-13級。1995年在對國道324線進行的拓寬改造中,為提高其通行荷載等級,需對其進行加固??紤]到該連續梁為變截面(跨中梁高0.8m,支點梁高1.8m)的特點,采用直線型休外無粘結預應力鋼絞線為老橋進行加固。按正截面抗變強度要求進行計算,每片梁肋兩側各設置一對預應力束,每束為4根7Ф5鋼絞線,鋼絲束的位置距梁頂1650px,采用超張拉工藝,每根鋼絞線張拉噸位為164KN。坂頭大橋加固后使用了三年有余,在1999年4月發現有一束預應力鋼絞線下垂,另有一根鋼絞線斷裂,橋頭有三根鋼絞線滑絲。經過深入的分析研究發現:原方案錨具選型失誤,原方案所用端部錨具為擠壓錨,擠壓錨在體外無粘結情況下其最大預應力度只能用到0.48,政黨為0.45,而該橋實際預應力度為0.63,遠大于擠壓錨所能承受的范圍;此外,預應力套微使預應力筋具有了較大的活動余地,且固定性差,由于長期的動載引起的振動疲勞也是造成滑移,斷裂的因素之一。廈門市公路局根據以上分析,采用粘貼碳纖維布的方法對坂頭大橋重新進行了加固處理,在各片梁底跨中部位貼兩層碳纖維布,具體做法為:清理混凝土使之露出干凈,結實的外表面,表面的突起要用砂輪機磨平,將布底膠用滾刷均勻地涂在梁底,底膠干燥后,用101#樹脂膩子抹平表面的缺損,坑洼,然后用滾刷將粘結膠均勻地涂于選定的混凝土表面,將涂有粘結膠的碳纖維布粘貼于混凝土表面并反復碾壓,除去氣泡和多余樹脂,間隔一天后,重復上述步驟,在跨中部位再粘貼一層碳纖維布,對貼合后的復合材料層自然養生至粘結膠完全固化。對粘貼碳纖維加固后的板頭大橋進行了靜載和動載試驗,并對撓度進行了觀測,其使用狀態良好。
5 結語
實踐證明,采用適當的加固技術和拓寬措施,對恢復和提高舊、危橋梁的承載能力及通行能力、延長使用壽命以滿足現代化交通運輸的新要求是可行的。目前國內對橋梁加固尚未出臺完整的設計規范,而橋梁的加固改造又是一項繁雜的工程,因地、因橋而異,因此對橋梁設計、施工人員的專業水平及經驗積累,完善都提出了更高的要求。