外包鋼板法在橋墩加固中的應用

申文杰

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

目前橋梁病害問題的研究與處理已經引起工程界高度重視，而由橋梁墩、臺和基礎的病害引發(fā)的危橋不在少數，因此，從橋梁墩、臺和基礎著手加固處理研究就非常有必要。目前橋梁墩臺的加固通常采用的辦法是用鋼筋混凝土套箍并施加外部預應力或增大截面尺寸等方法加固墩身[1]。但是這些常規(guī)的方法大部分存在施工工藝復雜、成本高、構件尺寸和自重顯著增大等缺點，因此在橋墩加固方法的選取上需要選擇新的加固方法。

1 橋梁加固技術

橋梁加固一般通過對橋梁局部部位的補強和結構體系的性能改善，達到恢復或提高現有橋梁的承載能力、延長使用壽命的目的。

對于橋梁有嚴重缺損的局部構件，一般采用粘貼鋼板和復合纖維材料等方法。

在橋梁抗彎能力不足或橋梁撓度過大時，一般采用體外預應力法或者增大截面法。在對一些建設年代較久遠的簡支體系橋梁加固時,也可以采用簡支轉連續(xù)加固法。

其他主要橋梁加固技術還有改變結構體系、減輕恒載、增加樁基等方法[2]。其中本文重點闡述的是對嚴重缺損的局部構件進行加固（更換）。加固薄弱構件方法主要有增大截面、外包鋼板以及體外預應力等，本文著重講的是外包鋼板法在橋墩中的應用。

2 外包鋼板加固技術

2.1 外包鋼板加固技術特點及適用范圍

外包鋼板加固技術在實際應用中施工簡便，對施工環(huán)境影響較小，成本較低，沒有顯著增大原構件截面尺寸和自重就可以大幅度提高構件承載力[3]。一般來說外包鋼板法適用于受壓構件的承載力、剛度、延性提高，適用于相對濕度不大且無化學腐蝕環(huán)境。

2.2 外包鋼板受力模式及計算

2.2.1 承載力計算

濕式外包鋼板法加固時混凝土強度可按約束混凝土計算；抗壓、抗彎計算時外包角鋼應乘以強度降低系數0.85，抗剪計算時鋼箍應乘以強度降低系數0.7[1]。

約束混凝土強度計算：

式中套箍系數

式中：fc為混凝土的設計強度；Ac為混凝土面積；fs為鋼箍扁鋼設計強度；As為鋼箍扁鋼面積；b為鋼箍扁鋼的寬度；s為鋼箍扁鋼間距。

干式外包鋼板法鋼構件與原構件所受外力按各自剛度比例分配。

2.2.2 抗彎剛度計算

外包鋼板加固法抗彎剛度按式（2）計算[1]：

式中：Ec0為原有構件混凝土彈性模量；Ic0為原有構件截面慣性矩；Ea為加固型鋼彈性模量；Aa為加固構件一側外包型鋼截面面積；a為受拉與受壓兩側型鋼截面形心間的距離。

3 工程實例

某大橋上部結構采用7-30 m裝配式先簡支后連續(xù)預應力混凝土箱梁；左幅下部結構采用鋼筋混凝土獨柱實心墩，右幅下部結構采用鋼筋混凝土雙柱實心墩，橋臺采用柱式臺，4號墩為聯端墩；橋墩基礎采用樁接承臺基礎，橋臺基礎為樁基礎。

本橋左幅1～4號橋墩、右幅1～4號橋墩均采用滑模施工，其他橋墩采用翻模施工。

在橋梁檢查中發(fā)現，滑模施工的矩形實心墩存在豎向、橫向裂縫，部分區(qū)域存在破損露筋、空洞現象，敲擊時空鼓回響明顯。

3.1 主要病害及原因分析

3.1.1 主要病害

圖1 病害橋墩

在對存在問題的橋墩進行了徹底調查，并對橋左幅3號墩進行了更為詳細的有損傷調查后。通過對比橋左幅3號墩有損傷調查結果和其敲擊時的反應，對其他墩的情況作出了相應推斷。

這些橋墩蓋梁下方墩柱存在較多數量的豎向裂縫，裂縫寬度多數超過0.5 mm，個別向下延伸長度超過6 m。墩柱自地面起存在一定數量的豎向裂縫。個別墩身橫橋向方向存在橫向裂縫，并未出現閉合，縫寬0.1～0.15 mm。墩柱主筋保護層厚度控制稍差，下部區(qū)段主筋凈保護層厚度僅0.5 cm；墩身豎向裂縫與主筋位置分布基本對應，且此類裂縫深度較深；在墩柱中上部區(qū)域主筋凈保護層厚度超過10 cm。豎向主鋼筋定位狀況較差，墩身周側主筋分布間距疏密差別較大，密集區(qū)段主筋凈距為0.5～2 cm，稀疏區(qū)主筋凈距超過30 cm甚至達到130 cm。主筋外露區(qū)域設置箍筋或橫向約束鋼筋的數量明顯少于設計圖紙——設計圖中箍筋為間距10～15 cm的復合箍筋（鋼筋為直徑12 mm的HRB335鋼筋），而現場調查未發(fā)現設置復合箍筋。在空鼓區(qū)鑿除后基本未發(fā)現完整箍筋，個別位置偶爾存在長度小于2 m的橫向鋼筋，其位置設置在主筋內側，且未形成橫向封閉圈。下部區(qū)段部分主筋與周側混凝土黏結性能較差，部分區(qū)段甚至完全脫離；鑿除空鼓區(qū)混凝土后部分鋼筋外凸近3 cm。

依據大橋左幅3號墩的專項檢查情況，清除空鼓區(qū)后，經初步統(tǒng)計判斷該墩柱表面整體損傷達33%，其中表面已清除出的90%區(qū)域未見箍筋及定位鋼筋；在墩柱表層損傷最嚴重區(qū)段的順橋向方向有大于等于35 cm的混凝土截面折減，橫橋向方向有大于等于15 cm的混凝土截面折減；在墩柱表層空鼓最嚴重區(qū)段，對露出的鋼筋逐根判斷，存在鋼筋-混凝土解離的有118根（主筋共152根），該斷面豎向主筋的鋼筋-混凝土解離率達78%。

3.1.2 原因分析

基于以上病害狀況，初步分析造成上述病害的主要原因是滑模施工時模板的提升間隔時間較長，模板變形等。考慮到橋梁位于沖溝處，并經過調查過去曾有泥石流等地質災害發(fā)生，結合以上病害應該對橋墩進行加固處理。另外施工時未按設計要求設置箍筋。因缺少對豎向鋼筋的定位及緊箍作用，在澆筑混凝土時豎向鋼筋位置變化將導致下述病害：當鋼筋間距變小將致使墩柱的保護層缺少混凝土骨料；當鋼筋向內側或向外側變形將致使混凝土保護層厚度不均勻。

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004）中 9.6.1的規(guī)定，該墩應按照設計圖要求設置復合箍筋，缺少箍筋時橋墩主筋自由長度增大，鋼筋的抗壓屈能力將相應降低。在施工過程中，下層混凝土強度較低時進行上層混凝土的澆筑將會因缺少箍筋束縛導致鋼筋受壓變形后與混凝土解離，并最終形成一定面積的混凝土空鼓和伴生裂縫。

3.2 方案比選

3.2.1 外包鋼板加固

圖2 破損露筋

在對原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后使用環(huán)氧樹脂砂漿進行修復，然后在墩柱外側外包鋼板補強。鋼板與墩柱之間留10 cm空隙澆注C40微膨脹混凝土。對原承臺加厚處理，并采用法蘭盤與橋墩外包鋼板相連。

3.2.2 增大橋墩截面加固

在對原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后，在原墩柱四周澆注新的混凝土以增大橋墩截面，順橋向加大到4.8 m，橫橋向分別加大到10 m（左幅）和5 m（右幅），并增加箍筋和定位鋼筋設置。新澆注混凝土與原墩柱采用植筋相連。

3.2.3 方案比較

經過對橋墩承載力的復核計算，外包鋼板加固法和增大橋墩截面加固法均能滿足橋墩承載力和抗彎剛度的安全要求。外包鋼板加固法加固效果明顯，投資較少，不影響外觀，但是對施工質量要求高，涉及施工工藝較多。增大橋墩截面加固法加固效果也較為明顯，施工簡單，但是投資較大，嚴重影響外形美觀。

綜合比較外包鋼板加固法更有優(yōu)勢。

3.3 維修方案

3.3.1 病害維修思路

3.3.1.1 修補原有墩柱

為盡量充分發(fā)揮原墩柱的作用，應將原墩柱空洞混凝土徹底鑿除后，使用環(huán)氧樹脂砂漿或聚合物修補砂漿等進行修復，盡可能恢復主筋與混凝土的黏結。

3.3.1.2 外包鋼板補強

因對原墩柱混凝土空鼓區(qū)的修復效果、主筋與混凝土的后期協同受力狀況難以保證達到原設計要求，因此需對墩柱再進行外包鋼板補強。

3.3.1.3 主要板件的焊接

外包鋼板為傳力構件，其縱、橫向的所有連接焊縫均需按設計要求熔透，并應采用焊縫金屬量少、焊后變形小的坡口，要求對焊縫表面進行打磨處理，以減小應力集中。

鋼板的焊接應嚴格遵照本橋招標文件的技術規(guī)范及國內有關規(guī)程、規(guī)范實施。設計圖中所標柱的鋼板全部尺寸，均為20℃基準溫度下的尺寸。鋼板段制造時，應考慮板材的壓縮彈性變形補償值。現場節(jié)段拼裝焊接時需要計入焊縫的收縮量，和節(jié)段間頂板拼接縫寬度，以實現設計豎曲線線形。

由于鋼板為全焊結構，結構焊縫較多，所產生的焊接變形和殘余應力較大，制造過程中，在保證焊縫質量的前提下，應盡量采用焊接變形小、焊縫收縮小的工藝。所有要求熔透的對接焊縫及連接焊縫均應焊透；所有要求熔透的貼腳焊縫，原則上都應熔透。

3.3.2 主要維修措施

a）對空鼓區(qū)進行鑿除后修復。

b）原橋墩外側外包鋼板，鋼板與橋墩之間留10 cm空隙，內澆注C40微膨脹混凝土，墩底采用法蘭盤與原橋墩承臺相連。

c）承臺加厚80 cm，并植入鋼筋加強與舊承臺的結合。

d）原橋墩與后加鋼板通過植入鋼筋連接一起，以保證鋼板與橋墩連成一體。

e）在原墩柱豎向方向每隔1 m增設加強箍筋，鑿除橋墩表層混凝土與豎向主筋焊接，端部再與外包鋼板連接。

f）蓋梁橫橋向表面粘帖鋼板，與墩身外包鋼板相焊接，形成整體。

4 結論

本文通過對某預應力混凝土梁橋橋墩存在的病害從設計、施工、養(yǎng)護等方面進行了研究分析，得出以下結論：

a）通過對橋墩病害的研究分析得出在橋墩滑模施工時模板的提升間隔時間不能較長，時間太長會使模板變形，最終造成鋼筋混凝土表面出現許多裂縫。

b）外包鋼板加固法施工簡便、效果直觀明顯、成本低，而且不增大原構件截面尺寸和自重，但是卻能大幅度提高承載能力，因此外包鋼板法值得在橋墩加固中推廣使用。

c）簡單介紹了外包加固方法的原理和特點，并具體闡述了外包鋼板加固方法的一系列工藝流程。