復(fù)雜異型板橋區(qū)粘鋼加固施工關(guān)鍵技術(shù)

崔松濤

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100)

1 工程概況

國貿(mào)橋一期異型板區(qū)域位于北京市東三環(huán)中路與建國門外大街的交叉路口北側(cè)，南北向長約35.6 m，東西向長約65 m，面積約1800㎡。橋梁上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土異型連續(xù)板，結(jié)構(gòu)高度0.76 m，異型板分為對稱的東西兩塊，中間為沉降縫，異型板南北兩側(cè)均為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁結(jié)構(gòu)。

由于受近年大型市政工程建設(shè)的影響，異型板區(qū)域墩柱累計沉降及差異沉降較大，中橫梁及異型板底面產(chǎn)生了大量的裂縫(圖1)。該裂縫的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)安全儲備的降低和耐久性下降。為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)方案論證，制定的加固方案共包括三方面內(nèi)容［1，2］:

圖1 一期異型板裂縫發(fā)展?fàn)顩r

(1)橋梁基礎(chǔ)補(bǔ)樁并擴(kuò)大承臺，通過在承臺和樁體之間施加預(yù)加頂力，實現(xiàn)新舊樁體部分受力轉(zhuǎn)換，最終共同受力［3，4］。

(2)對中橫梁采用主動加固的概念，在既有橋梁墩柱兩側(cè)增設(shè)π形鋼蓋梁，將原橋的“單點支承”轉(zhuǎn)化為“三點支承”，從而改善中橫梁及其鄰近區(qū)域的受力條件。

(3)對于異型板采用全橋底板粘貼鋼板的技術(shù)，實施系統(tǒng)橋板加固。

本文主要針對上述第3項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹與討論。

2 異型板結(jié)構(gòu)受力特點及裂縫狀況

2.1 異型板結(jié)構(gòu)受力特點

“橋梁異型板”市政工程領(lǐng)域稱為“多點支承異型板”，其上部結(jié)構(gòu)為不規(guī)則平面形狀的實體板，以適應(yīng)復(fù)雜線形或平面布置要求，橋梁下部墩柱通常直接支承在異型板下表面，在北京市政橋梁領(lǐng)域該結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于多座立交橋。異型板橋通常采用鋼筋混凝土或局部預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，除具有鋼筋混凝土橋梁的特點外，因其結(jié)構(gòu)布設(shè)的特殊性，還具有以下的結(jié)構(gòu)受力特征。

(1)結(jié)構(gòu)整體空間效應(yīng)較為突出，板體處于雙向空間作用下，導(dǎo)致板內(nèi)力分布不均勻，局部存在應(yīng)力集中情況。

(2)橋墩在橋板下緣采用點支承方式承載，由于板體較薄，故支點處板受沖切作用明顯。

(3)異型板區(qū)域墩柱支撐呈多個支點狀態(tài)，且墩柱位置受平面位置影響，呈現(xiàn)不均勻布設(shè)的情況，受荷載的空間效應(yīng)影響，橫向各支點的反力分配不均勻，一般邊支點反力較大。

(4)對于已經(jīng)因地層沉降導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降的情況，以上不利狀況有進(jìn)一步加劇的狀況。

2.2 加固前異型板裂縫特點

通過研究國貿(mào)橋一期異型板裂縫的性狀，結(jié)合該橋異型板的裂縫破壞發(fā)展趨勢的模擬，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)沉降是導(dǎo)致裂縫發(fā)展的主因，其分布規(guī)律為:主要集中在中墩橫梁處、跨中及GM47與GM48墩翼緣邊，其位置與規(guī)模在實際統(tǒng)計與數(shù)值模擬對比中吻合得較好。

為便于研究裂縫成因，區(qū)分裂縫部位的性狀，并進(jìn)一步確定加固方案，將橋板上的裂縫劃分為5個區(qū)域，即:主橋軸向的橫向裂縫區(qū)(2處)、蓋梁斜裂縫區(qū)、匝道邊緣的斜裂縫區(qū)、匝道與主橋軸向平行的裂縫區(qū)。如圖2所示。

3 粘鋼板加固設(shè)計

3.1 粘鋼板加固設(shè)計原理

粘鋼加固屬于結(jié)構(gòu)被動加固措施，該方法采用建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板直接粘貼在被加固的橋梁底板，形成“混凝土-鋼板”疊合結(jié)構(gòu)，鋼板與鋼筋混凝土板在膠

圖2 異型板裂縫區(qū)域劃分(西半幅)(單位:cm)

結(jié)材料的作用下形成整體受力構(gòu)件，由于增加鋼板使結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)的受力性狀提升。通過粘鋼能夠有效提高異型板的剛度，提高板體的承載力及安全儲備，改善破損結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展［3］。

3.2 設(shè)計及實施方案的確定

原設(shè)計擬采用整塊鋼板對橋板實施大面積粘鋼，由于大面積鋼板粘貼非常困難，缺乏有效的工藝保證措施，最終未能實現(xiàn)。后經(jīng)設(shè)計、施工聯(lián)合攻關(guān)，最終采用小幅鋼板(共設(shè)寬度為1.5、0.5 m及不規(guī)則寬度3種鋼板形式)進(jìn)行分區(qū)域粘鋼的方案。在實施加固措施時，遵從以下加固原則［1］。

(1)加勁梁周邊實體板下緣以放射形傾斜裂縫為主，是由于加勁梁抗剪強(qiáng)度不足所致，為保證質(zhì)量，提高鋼板粘貼的保證率，采用寬1.5 m的橫橋向條形鋼板加固該區(qū)域。

(2)異型板周邊支撐位置的裂縫為橫橋向裂縫，大多是由于正彎矩區(qū)法向應(yīng)力所致;采用寬0.5 m、凈間距0.3 m垂直于裂縫的條形鋼板來加固該區(qū)域。

(3)異型板的圓弧變寬邊緣處的裂縫呈垂直邊緣輪廓分布，屬于周邊應(yīng)力集中條件下雙向彎矩所致，該區(qū)域采用整體異型鋼板加固。

(4)異型板頂面負(fù)彎矩區(qū)，由于頂面配筋較多及加勁梁處增加了板的厚度，改善了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。經(jīng)檢查該區(qū)域混凝土無裂縫，工作狀態(tài)良好，故未進(jìn)行加固。

全橋底板所粘貼的各型鋼板厚度均為8 mm，粘貼鋼板采用優(yōu)質(zhì)粘鋼膠(滿足A級膠標(biāo)準(zhǔn))。具體的粘貼鋼板布置見圖3。

4 粘鋼加固工藝的關(guān)鍵技術(shù)要求

4.1 鋼板固定封邊壓力灌注法

本工程采用“鋼板固定封邊壓力灌注法”［6，7］實施粘鋼板，此方法由下而上地將型腔中膠體的氣泡趕出，液狀的高分子粘接劑通過壓力及重力自動地充滿鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)之間的縫隙，使混凝土、粘接劑、鋼板混為一體，接合保證率在95%以上，能夠保證補(bǔ)強(qiáng)的質(zhì)量。

圖3 國貿(mào)橋異型板加固粘貼鋼板設(shè)計(單位:cm)

施工中采用了地質(zhì)雷達(dá)與鋼筋定位儀探測技術(shù)，對既有結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋進(jìn)行準(zhǔn)確定位，防止錨栓打孔破壞結(jié)構(gòu)鋼筋，避免降低加固過程對既有結(jié)構(gòu)的損壞，由于定位技術(shù)的采用，提高了施工安全性和施工效率，使加固后的結(jié)構(gòu)表面整潔、美觀。

4.2 建筑材料

(1)錨栓及其附件

錨栓螺桿采用適用于加固開裂混凝土的倒錐式桿頭螺桿，該形式的螺桿在實施植入后具有較好的抗震性，同時螺桿受力后所帶動的混凝土體量較大，能夠有效避免應(yīng)力集中的發(fā)生。錨栓鋼材等級為8.8級，錨栓桿體表面均進(jìn)行特殊鍍層防腐處理，要求熱浸鍍鋅45 μm以上，保證防腐能力。采用的焊條、螺栓、墊圈、節(jié)點板等工程附件的防腐能力不低于桿體材料。

(2)膠粘劑關(guān)鍵指標(biāo)［8］

外粘鋼板選用專門配制的灌注粘結(jié)型改性環(huán)氧膠粘劑，膠粘劑須滿足《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范 》(GB50367—2006)A級膠性能要求，共需要滿足11項關(guān)鍵指標(biāo)，具體參見表1。

表1 工程使用A級膠性能指標(biāo)

(3)震區(qū)膠粘劑韌性指標(biāo)

北京地處8度地震區(qū)，震區(qū)用膠尚須滿足韌性指標(biāo)要求，在實施本工程時，《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》尚處于報批階段，尚無可以依據(jù)的規(guī)范，在實施“抗沖擊剝離能力”的測定時，實驗裝置參考了規(guī)范報批稿附錄的相關(guān)要求。

4.3 主要施工技術(shù)

(1)鋼筋探測技術(shù)

施工前采用地質(zhì)雷達(dá)對橋面既有結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行全面探測，探明鋼筋位置，以便于在鋼筋間隙處定位打孔。探測工作分2步進(jìn)行，分別采用地質(zhì)雷達(dá)和鋼筋定位儀。

第一步:采用地質(zhì)雷達(dá)實施整體探測，以確定鋼筋的分布區(qū)域和范圍，地質(zhì)雷達(dá)選用900 MHz的天線，采用連續(xù)測量方式進(jìn)行測定。

第二步:在地質(zhì)雷達(dá)探測基礎(chǔ)上，采用鋼筋定位儀準(zhǔn)確標(biāo)定鋼筋的準(zhǔn)確位置和埋深，最終確定具體的孔位放樣。

(2)粘貼材料表面處理及防腐要求

鋼板及待加固混凝土表面的清洗處理是保證粘結(jié)質(zhì)量的重要因素，對粘結(jié)層的加壓是保證粘結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵。對鋼板厚度大于5 mm的結(jié)構(gòu)(例如本工程)，應(yīng)采用壓力注膠粘接。鋼板施工前，其粘膠表面應(yīng)做噴砂除銹處理，要求達(dá)到Sa2.5級。對于鋼板外露面的防腐處理，與鋼結(jié)構(gòu)橋梁的處理是一樣的，其涂裝體系，要求防腐年限達(dá)到15～25年以上。

(3)注膠工藝［9］

①注膠時間的選擇。由于橋梁屬帶載加固，膠固化過程的初期必須避免大的振動，因此注膠時間選在晚間10點至次日4點，并考慮了交通臨時管制的配合。

②注膠時應(yīng)選擇從每片鋼板的最低點開始注膠，以利于注膠空腔內(nèi)空氣的排出。

③注膠壓力嚴(yán)格控制在0.2～0.4 MPa，既要防止壓力過大導(dǎo)致的封邊損壞和漏膠，又要防止壓力不足導(dǎo)致的腔體氣泡排出困難。

④注膠的同時用橡皮錘持續(xù)敲擊鋼板，提高膠液流動性，通過聲響、注入量、壓力等綜合判斷膠液是否已滿注。

⑤單片鋼板注膠完成，待結(jié)構(gòu)膠初凝后，用錘擊法進(jìn)行檢查，空鼓部分需進(jìn)行補(bǔ)注。

(4)粘貼鋼板的質(zhì)量檢查［5］

鋼板與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量可用錘擊法(粘貼鋼板后用小錘輕輕地敲擊鋼板的表面，從音響效果上判斷粘貼效果)或超聲波探測法進(jìn)行檢查。要求有效粘貼的推定面積不應(yīng)小于總粘貼面積的95%，且任一連貫區(qū)域該值不應(yīng)低于92%。

檢查時應(yīng)將粘貼的鋼板分區(qū)，逐區(qū)測定空鼓面積(即無效粘貼面積);若單個空鼓面積不大于10 000 mm2，可采用鉆孔注射法充膠修復(fù);若單個空鼓面積大于10 000 mm2，應(yīng)揭去重貼，并重新檢查驗收。

以下為現(xiàn)場粘鋼施工現(xiàn)場(圖4)和加固后橋梁竣工狀態(tài)(圖5)。

圖4 異型板區(qū)粘貼鋼板加固

圖5 國貿(mào)橋異型板區(qū)加固竣工

5 結(jié)語

(1)實踐證明，通過粘貼鋼板橋梁關(guān)鍵受力構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度得到了系統(tǒng)地提高，耐久性也得到了全面改善，達(dá)到了最初的加固目的。

(2)類似工程應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范以及國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，自2011年2月《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》得以實施，其中對保證粘結(jié)膠質(zhì)量和安全性能的強(qiáng)制要求應(yīng)予以高度重視和工程措施保證。

(3)對于處于地震區(qū)域的橋梁加固，在粘結(jié)膠的選擇上必須考慮韌性要求，材料性能須通過沖擊剝離試驗，使所選用的膠達(dá)到相應(yīng)等級的韌性要求。

(4)粘貼鋼板的質(zhì)量檢查必須分區(qū)域進(jìn)行，并保證有效降低空鼓狀況的發(fā)生。

該異型板粘貼鋼板后，加固工程經(jīng)驗收已經(jīng)投入使用20個月，結(jié)構(gòu)工作性能穩(wěn)定、安全可靠。

［1］北京市市政工程設(shè)計研究總院.北京地鐵10號線國光區(qū)間國貿(mào)橋一期異形板橋梁加固工程施工圖［Z］.北京:2008.

［2］潘可明.北京市地鐵10號線工程穿越橋梁咨詢研究［J］.城市道橋與防洪，2008(11).

［3］潘可明.國貿(mào)橋異形板粘貼鋼板加固關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2010(1).

［4］楊慧林.北京地鐵10號線國貿(mào)站橋樁保護(hù)設(shè)計［C］∥中國土木工程學(xué)會第十一屆年會暨隧道及地下工程分會第十三屆年會論文集.北京:中鐵西南科學(xué)研究院，2004:415-422.

［5］張樹仁，王宗林.橋梁病害診斷與改造加固設(shè)計［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［6］李世華.道路橋梁維修技術(shù)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［7］梁 爽.結(jié)構(gòu)膠粘劑工藝性能標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定［J］.四川建筑科學(xué)研究，2007(6).

［8］中華人民共和國交通部.JTG/T J22—2008 公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［9］中華人民共和國交通部.JTG/T J23—2008 公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2008.