植筋與特殊鋼筋在橋梁維修加固中的運(yùn)用探析

張 花

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

0 引言

植筋技術(shù)又稱為種筋，是利用鋼筋后錨固和結(jié)構(gòu)膠聯(lián)合作用的連接技術(shù)，對(duì)于需要加固和改造主體結(jié)構(gòu)的橋梁工程項(xiàng)目，可以在混凝土、墻體及巖石等結(jié)構(gòu)上鉆孔，注入高強(qiáng)度特種植筋專用膠，再植入鋼筋，植筋膠凝固后即和植入鋼筋結(jié)合為一體，在錨固技術(shù)和高強(qiáng)度種植專用膠的作用下，使橋體在受壓、受拉和受剪等多種情況下均可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。除此之外，對(duì)于橋梁施工中鋼筋布筋的錯(cuò)誤，如數(shù)量不足，型號(hào)不對(duì)，位置偏移等，可以通過植筋達(dá)到補(bǔ)救和修正的作用。而在橋梁改造領(lǐng)域，植筋技術(shù)運(yùn)用也日益廣泛，在這一技術(shù)的支撐下，可以對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，包括橋梁構(gòu)件梁板柱等結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，城市跨線橋改造中結(jié)構(gòu)的頂升作業(yè)，以及植入鋼筋增強(qiáng)原有橋體強(qiáng)度或改善其力學(xué)性能等。

與植筋技術(shù)同步發(fā)展的則是特殊鋼筋，特殊鋼筋不同于常規(guī)碳素鋼型號(hào)上的差異，而是通過物理化學(xué)手段，使其在力學(xué)性能，防腐性、耐久性等許多方面出現(xiàn)突破性提升的變化，若將其與植筋技術(shù)相結(jié)合，則可以大大改善既有橋梁的力學(xué)性能，提升其使用壽命和力學(xué)指標(biāo)，關(guān)于植筋技術(shù)與特殊鋼筋在現(xiàn)代橋梁中的運(yùn)用，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 植筋技術(shù)的運(yùn)用

1.1 植筋技術(shù)適用范圍

“植筋技術(shù)適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的錨固，不適用于素混凝土構(gòu)件，包括縱向受力鋼筋配筋率低于最小配筋百分率規(guī)定的構(gòu)件錨固”［1］。素混凝土構(gòu)件及低配筋率構(gòu)件的植筋應(yīng)按錨栓進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。這主要因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)主要用于連接原結(jié)構(gòu)構(gòu)件與新增構(gòu)件，只有當(dāng)原構(gòu)件混凝土具有正常的配筋率和足夠的箍筋時(shí)，這種連接才是有效而可靠的。與此同時(shí)，為了確保這種連接承載的安全性，還必須按充分利用鋼筋強(qiáng)度和延性的破壞模式進(jìn)行計(jì)算。

1.2 植筋技術(shù)的技術(shù)要求

采用植筋技術(shù)時(shí)，原橋體構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)直接影響植筋與混凝土的粘結(jié)性能，特別是懸挑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件更為敏感。為此要求，當(dāng)新增構(gòu)件為懸挑結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，其原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C25;當(dāng)新增構(gòu)件為其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，其原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C20。

橋梁中承重構(gòu)件植筋部位的混凝土應(yīng)堅(jiān)實(shí)、無局部缺陷，且配有適量鋼筋和箍筋，才能使植筋正常受力。因此，不允許有局部缺陷存在于錨固部位;即使處于錨固部位以外，也應(yīng)先進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或加固處理后加固后再植筋，以保證安全和質(zhì)量。

種植用的鋼筋，應(yīng)采用質(zhì)量和規(guī)格符合規(guī)定的帶肋鋼筋。國內(nèi)外試驗(yàn)表明，帶肋鋼筋相對(duì)肋面積A的不同，對(duì)植筋的承載力有一定影響。其影響范圍大致在0.9～1.16之間。當(dāng)0.05＜A＜0.08時(shí)，對(duì)植筋承載力起提高作用;當(dāng)A＞0.08時(shí)起降低作用。因此，要求相對(duì)肋面積應(yīng)在0.055～0.065之間。而國外有些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A的要求較寬，允許0.05≤A≤0.1的帶肋鋼筋為合格品。這樣對(duì)植筋的安全質(zhì)量有影響，故要求采用進(jìn)口的帶肋鋼筋時(shí)，應(yīng)檢查此項(xiàng)目。

1.3 植筋技術(shù)的構(gòu)造要求

當(dāng)按構(gòu)造要求植筋時(shí)，其最小錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合下列構(gòu)造要求:受拉鋼筋錨固為0.3l，10d和100 mm三者之間的最大值。其中l(wèi)為植筋基本錨固深度，按混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范確定。對(duì)于受壓構(gòu)件，則應(yīng)該取0.6l，10d和100 mm三者之間的最大值。對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu)，還應(yīng)乘以系數(shù)1.5。

“當(dāng)所植鋼筋與原鋼筋搭接時(shí)，其植筋錨固深度設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的鋼筋搭接接頭面積百分率”［2］，并按照下列公式確定:

其中，ζ為受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù)，其取值如表1所示;Le為受拉搭接長(zhǎng)度;Ld為植筋錨固深度設(shè)計(jì)值。

表1 縱向受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù)表

當(dāng)植筋搭接部位的箍筋間距不符合以上規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行防劈裂加固，此時(shí)，可采用纖維織物復(fù)合材的圍束作為原構(gòu)件的附加箍筋進(jìn)行加固。圍束可采用寬度為150 mm，厚度不小于0.111 mm的條帶纏繞而成。纏繞時(shí)圍束應(yīng)無間隔，且每一圍束，其所粘貼的條帶不應(yīng)少于3層。對(duì)方形截面尚應(yīng)打磨棱角。若采用纖維織物復(fù)合材的圍束有困難，也可剔除原構(gòu)件混凝土保護(hù)層，增設(shè)新箍筋進(jìn)行加密后再植筋。

“新增鋼筋與原有鋼筋在搭接部位的凈間距應(yīng)符合規(guī)范要求，若凈間距超過4d，則搭接長(zhǎng)度應(yīng)增加2d，但凈間距不得大于6d。用于植筋的鋼筋混凝土構(gòu)件”［3］，其最小厚度應(yīng)符合下列規(guī)定:

其中，D為鉆孔直徑，按表2確定。

表2 植筋直徑與對(duì)應(yīng)的鉆孔直徑設(shè)計(jì)值 mm

2 特殊鋼筋與植筋技術(shù)的整合運(yùn)用

特殊鋼筋包含的種類十分豐富，從20世紀(jì)70年代起美國FHWA(聯(lián)邦公路管理局)就開始在鋼筋表面利用靜電技術(shù)噴涂環(huán)氧樹脂粉末絕緣層，通過絕緣層將鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸來防止橋面板鋼筋被腐蝕。這種方法在實(shí)踐中表現(xiàn)出了十分突出的效果，采用環(huán)氧涂層鋼筋的工程使用壽命可普遍延長(zhǎng)20年左右。在美國之后，特殊鋼筋開始在工程建設(shè)領(lǐng)域廣泛使用。

植筋技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)包括被植入體(各種構(gòu)件)，特種植筋膠和鋼筋三類，被植入體可變性小，特種植筋膠在植筋結(jié)構(gòu)中僅承擔(dān)閉合和承擔(dān)部分力矩的作用，可變性較大且作為植筋結(jié)構(gòu)核心構(gòu)件的，便是植入的鋼筋。植入鋼筋的性能直接決定了植筋的效果，對(duì)結(jié)構(gòu)加固或是建筑工程改造也起到關(guān)鍵作用，因而植筋技術(shù)與特殊鋼筋配合使用自然受到高度的重視，也是目前植筋技術(shù)發(fā)展的重要方向。

目前的植筋技術(shù)中，一般采用普通鋼筋、帶肋鋼筋或是帶螺絲端桿鋼筋、螺栓式錨筋等，在植筋膠的配合下與原結(jié)構(gòu)有比較穩(wěn)定的連接性能，然而要取得更加優(yōu)異的性能，同時(shí)擴(kuò)大植筋技術(shù)的適用范圍，將維修改造的范圍與程度大大提升，則必須需要采用性能更加優(yōu)異的特殊鋼筋，F(xiàn)RP筋是目前研究成果最為突出的一類。

FRP筋集合了眾多特殊鋼筋的性能優(yōu)勢(shì)，與普通鋼筋有本質(zhì)上的區(qū)別，它由直徑5 mm～20 mm的高性能纖維，聚酯，環(huán)氧等組成。纖維約占據(jù)FRP筋成分的60%，直接決定FRP筋的各種力學(xué)性能。FRP筋重量約為普通鋼筋的20%，而強(qiáng)度則高達(dá)普通鋼筋的6倍，同時(shí)具有良好的耐腐蝕和抗疲勞特點(diǎn)，這些特點(diǎn)利用植筋技術(shù)，可以對(duì)老化結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造以及維修升級(jí)，可大大降低建筑與維護(hù)成本。利用FRP對(duì)橋梁進(jìn)行植筋被稱為CFRP技術(shù)，近年來在大型跨海橋梁的加固和修補(bǔ)中得到了廣泛的推廣。CFRP法充分利用了碳纖維增強(qiáng)塑料良好的力學(xué)性能和“高強(qiáng)度輕質(zhì)量”的特點(diǎn)，通常與樹脂類粘貼和嵌縫材料配合使用，構(gòu)成復(fù)合材料，通過植筋技術(shù)植入橋體構(gòu)件中，對(duì)橋體有著良好的加固和提升力學(xué)性能的效果。以四川遂寧市某跨江大橋的加固改造為例，該橋體施工年代較早，跨度為2500 km，為多拱結(jié)構(gòu)，利用植筋技術(shù)，成功地進(jìn)行了改造，大大降低了費(fèi)用。在施工中，對(duì)于拱肋在其上下部分別植入底板加強(qiáng)筋和襯拱，變雙曲拱肋截面為箱形截面;對(duì)于拱肋腹面則植入FRP筋，在不增加橋體自身重量的情況下顯著提升橋體承載力;拱肋腹面植筋外部以鋼絲網(wǎng)外加噴射水泥進(jìn)行固定，并澆筑鋼筋混凝土拱圈，以φ12牽釘與原拱圈進(jìn)行錨固(見圖1)。

圖1 拱肋加強(qiáng)示意圖

3 結(jié)語

現(xiàn)代橋梁發(fā)展數(shù)十年來，許多大型橋梁和早期橋梁進(jìn)入維修改造期。植筋技術(shù)和特殊鋼筋的出現(xiàn)對(duì)包括維修、加固和改造在內(nèi)的許多工程活動(dòng)具有巨大推動(dòng)意義，雖然目前我國在這一領(lǐng)域還處于起步階段，但只要積極探索，同時(shí)總結(jié)西方國家的既有經(jīng)驗(yàn)，我國作為土木工程大國，一定可以在植筋與特殊鋼筋領(lǐng)域取得更加輝煌的成就。

［1］周錫全.工程結(jié)構(gòu)可靠性鑒定與加固［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］葉列平.FRP加固混凝土梁受彎剝離破壞的有限元參數(shù)分析［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2009.

［3］王文煒.FRP加固混凝土技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］丁紹祥.混凝土結(jié)構(gòu)加固工程技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.