美國對槽形橋梁的加固方法

劉 碩

(涿州市交通運(yùn)輸局)

美國對槽形橋梁的加固方法

劉 碩

(涿州市交通運(yùn)輸局)

美國在上世紀(jì)60年代前后建成了很多小跨徑槽形橋梁，現(xiàn)在還有一部分仍在使用中。采用的加固方法有粘貼碳布法、噴涂環(huán)氧樹脂法、體外預(yù)應(yīng)力法、埋置剪力鋼筋法。對各種加固方法進(jìn)行詳細(xì)敘述，并對它們進(jìn)行了比較。

美國對槽形橋梁的加固方法

1 概述

美國阿肯色州在上世紀(jì)50～70年代建成了很多槽形(門形)橋梁。這些槽形梁多用于L=5.8 m的小跨徑。槽形梁橫向密排布置，共7片梁形成7.6 m的橋?qū)?。混凝土?qiáng)度為21 MPa，鋼筋強(qiáng)度為276 MPa。槽形梁腹板較厚，未配置剪力鋼筋，只在腹板下端配了兩根Φ25鋼筋。直到2003年阿肯色州有389座這樣的橋還在使用。很多橋梁出現(xiàn)了混凝土剝落、鋼筋裸露現(xiàn)象。

2 加固方案

對這些病態(tài)嚴(yán)重的槽形梁，考慮了多種加固方案，以期提高這些橋梁的承載能力?；舅悸肥窃黾芋w外補(bǔ)強(qiáng)材料。首先想到的是粘貼碳纖維布的方法。先在腹板側(cè)面粘貼，在一周內(nèi)即可完成。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)梁中應(yīng)力和跨中撓度有所減小，但幅度不大，只下降了12%。后來，把“碳纖維增強(qiáng)聚合物”(CFRP)分別貼在梁的側(cè)面和底面，則明顯改善了結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形。最后還采用了噴涂“石墨纖維增強(qiáng)聚合物”，抗彎能力大大提高，高達(dá)96%。

埋設(shè)剪力鋼筋法是在寬厚的腹板內(nèi)鉆孔，然后將鋼筋嵌入其中，以期提高結(jié)構(gòu)抗剪能力。結(jié)果表明，這種做法明顯改善了結(jié)構(gòu)破壞特征，并減小了跨中撓度。

體外預(yù)應(yīng)力法:先將鋼絞線的兩端錨固在槽形梁端，在跨中設(shè)一短頂柱，頂柱被鋼絞線托住。當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力時，頂柱向上升起，相當(dāng)于給槽形梁施加了一個集中荷載，產(chǎn)生了跨中負(fù)彎矩，抵消了結(jié)構(gòu)自重，同時也提高了活載承載能力。以下詳細(xì)敘述各種加固方法，并對它們的優(yōu)劣進(jìn)行對比。

3 用“炭纖維增強(qiáng)聚合物”(CFRP)加固

CFRP材料的抗拉強(qiáng)度為2 800 MPa，彈性模量165 GPa，破斷時的延伸率為 0.016 9，CFRP條寬度為 50 mm，厚1.19 mm。通常，我們多用CFRP進(jìn)行提高抗彎能力的加固，但這里是為了加強(qiáng)抗剪能力。CFRP條布置分兩種，一是豎向粘貼，另一種是45°斜向粘貼。豎向CFRP條共7種，中—中距離14 cm;斜向條中—中距離為20cm。

4 噴涂環(huán)氧樹脂加固

用環(huán)氧樹脂噴涂后，酷似給構(gòu)件穿上了外衣，既可以加固構(gòu)件，又可以防止混凝土腐蝕老化。把環(huán)氧樹脂和固化劑混合后加墊至90℃，形成膠狀粘合劑，用噴槍將它噴涂在構(gòu)件表面上。環(huán)氧樹脂初凝時間為6 h，強(qiáng)度增長完成后位8 h。樹脂外衣只穿在腹板內(nèi)側(cè)，自梁端算起1.7 m范圍內(nèi)，以期增加梁的抗剪強(qiáng)度。樹脂外衣厚度3.2 mm。環(huán)氧樹脂自身的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度 52.4 MPa，抗壓強(qiáng)度124.1 MPa，抗彎輕度90 MPa，抗拉極限伸長率0.015。

5 埋設(shè)剪力筋加固

為了提高槽形梁的抗剪能力，在腹板內(nèi)埋置了Φ16(MMFX)鋼筋，這種鋼材具有很好的使用性能:屈服強(qiáng)度為827 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為1 220 MPa，極限應(yīng)力時的應(yīng)變?yōu)?.12，彈性模量200 GPa。它自身有環(huán)氧涂層，具有很高的抗腐蝕性能。埋設(shè)剪力筋的范圍為距梁端1.3 m，間距30 cm。具體做法如下:

(1)裁剪鋼筋每段長35 cm;(2)在橋面上標(biāo)出要埋入鋼筋的位置;(3)鉆Φ25直徑的孔眼，深38 cm;(4)用壓力空氣和毛刷清理孔眼;(5)用環(huán)氧樹脂槍注入環(huán)氧樹脂，至1/2深度;(6)將鋼筋對正插入孔內(nèi);(7)轉(zhuǎn)動鋼筋，使它和環(huán)氧樹脂均勻接觸，并將鋼筋完全插入;(8)清理插鋼筋處的橋面，避免車輛顛簸;(9)環(huán)氧樹脂養(yǎng)生，氣溫49℃時只需1 h，4 ℃時則需32 h。

6 埋設(shè)剪力筋的野外施工實(shí)例

有一4孔雙車道橋，1955年建成，L=5.8 m，橫向有7片梁組成，5片中梁，2片邊梁，密排布置，組成7.3 m的橋面凈寬，橋面未鋪設(shè)瀝青層。

槽形梁破壞嚴(yán)重，混凝土大面積脫落，腹板在鋼筋高度處開裂，設(shè)計(jì)時鋼筋未充分深入梁端。

剪力筋加固時，兩人為一組進(jìn)行埋筋操作，其余人管制交通。安裝期間需關(guān)閉一條車道，工作人員可以直接在橋面上操作。首先在橋面上定出鉆孔位置，然后從梁端36 cm處開始鉆孔，間距30 cm，孔深38 cm，共鉆4個Φ25直徑孔眼;用刷子將孔眼清理干凈，注入1/2孔深的環(huán)氧樹脂;將鋼筋插入并左右旋轉(zhuǎn)，使鋼筋、混凝土與環(huán)氧樹脂充分接觸;最后將擠出的環(huán)氧樹脂清理干凈并整平。

7 三種加固方法的比較

為對三種加固方法進(jìn)行比較制作了大量實(shí)驗(yàn)梁。從造價(jià)上看，CFRP法完成一片梁的加固費(fèi)用大約為$2 000，而埋設(shè)剪力筋法，只需$ 575。另外，如更換一片梁則需$3 500。用這幾種方法加固后的梁都有不同程度的加強(qiáng);除了一片用環(huán)氧樹脂法加固的梁為剪切破壞外，所有其它的加固梁，在破壞前都表現(xiàn)出較好的延性。

綜合三種加固方法，從造價(jià)和加固效果分析，剪力筋加固法為最好。它不但造價(jià)低、效果好，而且還可以直接在橋面上操作，簡化了安裝過程。

8 結(jié)論

美國阿肯色州在上世紀(jì)50～70年代，建成了很多小跨徑槽形梁橋，槽形梁密排布置，內(nèi)梁寬1.07 m，外梁寬1.14 m。這種梁腹板很寬，所以沒有配剪力筋。直到2003年，還有389座這樣的橋在使用。其中近1/10的橋混凝土剝落，鋼筋裸露，亟待加固。對槽形梁采用了不同形式的加固，都取得了較好的效果，除強(qiáng)度提高外，還改善了它們的破壞特征，表現(xiàn)出了較大的延性。

進(jìn)行比較的方案是:碳纖維布加固，噴涂環(huán)氧樹脂加固和埋置剪力筋加固。從加固效果和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，埋置剪力筋法最好。(原設(shè)計(jì)未配剪力筋)。

從測得的跨中撓度看，活載的橫向傳遞量很小，在梁的相互作用中，相鄰梁只能提供摩擦力。因此，按常規(guī)辦法計(jì)算橫向分布系數(shù)的做法是偏于不安全的。

卡車81 km/h的速度下，沖擊系數(shù)最大(1.24)，但該值仍小于規(guī)定值。

U445.7

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2012-03-15