波紋鋼板在輕型拱橋加固中的應(yīng)用

■蘇國(guó)良

（福建陸海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，福州 350008）

20 世紀(jì)90 年代， 受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念及施工工藝的影響，建造了大批輕型拱橋。 輕型拱橋在日益增長(zhǎng)的交通量和構(gòu)件老化的影響下出現(xiàn)較多的缺陷。當(dāng)輕型拱橋出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫未進(jìn)行及時(shí)處理，在車(chē)輛荷載作用下裂縫將進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致橋梁構(gòu)件的劣化。

針對(duì)輕型拱橋的加固方法主要有增大截面法、改變橋梁結(jié)構(gòu)體系法及粘貼鋼板加固法等。 波紋鋼板加固作為一種新的加固工藝也越來(lái)越多地用在輕型拱橋上。 目前國(guó)內(nèi)對(duì)于波紋鋼板運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究有：黃大維等[1]通過(guò)結(jié)構(gòu)受力分析對(duì)波紋鋼板在拱橋中的運(yùn)用提出建議； 孫潤(rùn)方等[2]通過(guò)數(shù)值模擬的方式分析了波紋鋼板對(duì)于不同結(jié)構(gòu)部位承載力的增強(qiáng)作用；蔡事廷等[3]通過(guò)工程實(shí)例闡述了波紋鋼板運(yùn)用在危橋加固方面的優(yōu)勢(shì)；周義雄等[4]、粟繽[5]、趙衛(wèi)國(guó)等[6]、郭新春等[7]分別從不同方面提出了波紋鋼板在涵洞工程中的受力性能分析及研究應(yīng)用。

本文以福建某國(guó)道上的輕型拱橋加固工程為依托，通過(guò)多方案的對(duì)比分析，提出采用波紋鋼板加固橋梁的方式， 為后續(xù)橋梁運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)加固提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

橋梁位于福建某國(guó)道上，為上承式拱橋，全長(zhǎng)235 m， 上部結(jié)構(gòu)采用10.2 m 石拱橋+3×63.6 m 鋼筋混凝土肋板拱+10.2 m 石拱橋， 下部結(jié)構(gòu)0# 臺(tái)，1# 墩及4# 墩、5# 臺(tái)采用砌體橋臺(tái)（墩），擴(kuò)大基礎(chǔ)；2#墩和3#墩采用鋼筋混凝土橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面全寬9 m，橫向布置為1 m（人行道）+7 m（車(chē)行道）+1 m（人行道），雙向2 車(chē)道，于1992 年建成。

1.2 專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)情況

根據(jù)專(zhuān)項(xiàng)橋梁檢測(cè)報(bào)告顯示， 橋梁主要病害為腹拱拱頂出現(xiàn)多條橫向裂縫， 橋梁總體技術(shù)狀況等級(jí)為3 類(lèi)。 橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，在汽車(chē)-20 級(jí)荷載作用下，結(jié)構(gòu)工作性能較好，具有一定的安全儲(chǔ)備。

圖1 腹拱橫向貫穿裂縫

2 橋梁加固方案

由于該區(qū)內(nèi)部分舊橋改造施工臨時(shí)設(shè)置交通管制分流導(dǎo)致該橋在短期內(nèi)交通量劇增，上述檢測(cè)報(bào)告提到的腹拱橫向裂縫進(jìn)一步發(fā)育，且在其余腹拱拱頂位置發(fā)現(xiàn)多處橫向裂縫。 由于該橋位于此區(qū)域?qū)ν獾闹饕ǖ郎?，如何快速解決橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患，增大結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，確保車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全成為了加固方案的重點(diǎn)。

2.1 缺陷成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘收集的資料并結(jié)合專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果，筆者認(rèn)為腹拱出現(xiàn)橫向裂縫的成因如下：

（1）該橋建成至今運(yùn)營(yíng)了將近十年，橋梁受力構(gòu)件混凝土自身老化，預(yù)制拼接構(gòu)件局部失效；

（2）該橋既有裂縫等缺陷未及時(shí)修復(fù)，裂縫進(jìn)一步發(fā)育導(dǎo)致橋梁構(gòu)件不能完全發(fā)揮性能，從而加劇了裂縫的發(fā)展；

（3）短期內(nèi)交通量的劇增，使得橋梁超負(fù)荷工作是橋梁病害出現(xiàn)的誘因。

2.2 加固方案比選

（1）方案一：增大截面加固法

利用C30 自密實(shí)砼在既有腹拱外側(cè)增設(shè)1 層20 cm 厚的鋼筋砼套拱結(jié)構(gòu)， 新增結(jié)構(gòu)通過(guò)植筋與既有腹拱銜接形成共同受力， 從而達(dá)到加固目的，方案簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 增大截面加固方案

（2）方案二：粘貼鋼板加固法

在腹拱表面粘貼寬30 cm、厚6 mm 的鋼板，鋼板間距50 cm。 鋼板通過(guò)錨栓和粘鋼膠與既有腹拱連接發(fā)揮性能，方案簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 粘貼鋼板加固方案

（3）方案三：粘貼波紋鋼板加固法

通過(guò)錨栓將鋼波紋板與既有腹拱連接，并利用預(yù)留注漿孔將鋼波紋板與既有腹拱的空隙填充，從而達(dá)到加固目的，方案簡(jiǎn)圖如圖4 所示。對(duì)3 個(gè)方案進(jìn)行比選，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 加固方案對(duì)比

圖4 粘貼波紋鋼板方案

本次所提出3 個(gè)方案從安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工便捷性、處治效果及施工周期方面進(jìn)行比選，得出：增大截面加固在增大橋梁既有剛度和承載能力的同時(shí)也增加了較多的自重，施工難度較大，工期長(zhǎng)；而粘貼鋼板加固可以增加承載能力，但對(duì)于改善輕型拱橋剛度影響很小，不能徹底解決腹拱橫向裂縫缺陷；粘貼波紋鋼板加固能夠提高橋梁結(jié)構(gòu)剛度和承載能力，改善拱橋受力模式，而且增加的自重有限，同時(shí)波紋鋼板可在工廠(chǎng)內(nèi)定制加工，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)直接安裝，施工簡(jiǎn)便，施工周期短。 綜上所述，考慮該橋梁病害情況，本次加固采用粘貼波紋鋼板加固的處治措施。

2.3 加固方案設(shè)計(jì)

粘貼波紋鋼板加固的具體處治措施如下：

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，核查加固區(qū)域；打磨加固區(qū)域，清除腹拱表面雜物及浮漿，對(duì)裂縫采用注膠封閉措施進(jìn)行處理；

（2）利用自密實(shí)砼在腹拱起拱位置增設(shè)牛腿作為鋼波紋板的基礎(chǔ)；

（3）拼接安裝鋼波紋板，利用錨栓固定后通過(guò)預(yù)留注漿孔注入自密實(shí)砼，如圖5 所示。

圖5 波紋鋼板加固方案

3 加固施工要點(diǎn)及質(zhì)量檢驗(yàn)

（1）原基材表面處理：為了提高與原基材表面的粘結(jié)度，必須對(duì)原基材表面進(jìn)行徹底處理。 鑿除表面浮皮及松散混凝土，至新鮮、堅(jiān)硬混凝土外露為止，再用打磨機(jī)進(jìn)行打磨處理后，用壓縮空氣機(jī)清除浮塵，安裝波紋鋼板前用丙酮擦拭表面；施工前應(yīng)確保相關(guān)施工材料符合質(zhì)量要求。

（2）錨栓鉆孔及波紋鋼板的初步固定：先將加工好的波紋鋼板安裝定位至腹拱拱頂表面，使用電鉆設(shè)備垂直于波紋鋼板表面對(duì)錨栓孔位進(jìn)行鉆孔定位（鉆孔孔徑22 mm、孔深20 cm）后，再卸下波紋鋼板，逐個(gè)清理孔位。 然后重新安裝波紋鋼板，采用埋設(shè)M20 高強(qiáng)螺栓配合螺帽對(duì)波紋鋼板進(jìn)行未加壓的初步固定。 因考慮到波紋鋼板安裝的便捷性，故采用分片拼裝增加施工可操作性（圖6）。

圖6 分片拼裝平面連接布置

（3）牛腿施作：牛腿部位的橫向鋼筋與箍筋綁扎完成后利用植入錨栓與既有混凝土連接， 同時(shí)將波紋鋼板的兩端與牛腿進(jìn)行搭接， 搭接長(zhǎng)度為30 cm，如圖7 所示。

圖7 牛腿細(xì)部

（4）安裝加壓及澆筑牛腿：旋轉(zhuǎn)螺帽對(duì)已初步固定好的波紋鋼板進(jìn)行加壓同時(shí)安裝牛腿的澆筑模板，再對(duì)分片拼接的位置及拱圈兩側(cè)波紋鋼板邊緣進(jìn)行密封，防止漏漿，并在牛腿處填充自密實(shí)砼。自密實(shí)砼的配制應(yīng)嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行拌制，每次拌和要均勻且不宜太多，隨拌隨用，并在1 h 內(nèi)澆筑完成。

（5）灌入自密實(shí)砼及密實(shí)程度檢查：待牛腿處的混凝土達(dá)到初凝時(shí)，采用小型注膠機(jī)通過(guò)預(yù)留的注漿孔從中間向兩邊依次注入自密實(shí)砼，利用自密實(shí)砼本身的高流動(dòng)性從牛腿處往拱頂填滿(mǎn)，直到拱頂排氣孔中冒出自密實(shí)砼時(shí)停止注入。 間隔約10 min 后，按原注漿順序依次補(bǔ)漿，同時(shí)用木槌輕敲鋼板表面檢查是否填充密實(shí)， 防止拱頂位置脫空，并利用排氣孔對(duì)拱頂位置進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)漿，最后用結(jié)構(gòu)膠對(duì)注漿孔和排氣孔進(jìn)行密封處理。

（6）防護(hù)處理：待自密實(shí)砼凝固后（一般為24 h左右） 清除波紋鋼板表面污物， 涂抹厚度不小于3 mm 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行防護(hù)處理。

（7）質(zhì)量檢查：目前國(guó)家及行業(yè)尚無(wú)對(duì)此類(lèi)工程實(shí)體進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，工程中常用的方法有小錘敲擊法，該方法僅能檢查自密實(shí)砼是否存在脫空且受人的主觀因素影響較大，具有一定的局限性。

4 加固效果

目前該橋已經(jīng)完成了加固工作， 歷時(shí)1 個(gè)月，并利用橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)比加固前后的加固效果，如表2～3 所示。

由表2 可知，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)一階頻率加固前實(shí)測(cè)值略大于加固后實(shí)測(cè)值，說(shuō)明加固后實(shí)際結(jié)構(gòu)豎向剛度有所提升。 由表3 可知，加固后的實(shí)測(cè)撓度平均值大于加固前的實(shí)測(cè)撓度平均值，表明該橋結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下，安全性能有所提升。

表3 加固前后撓度測(cè)試校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比

綜上所述，加固后橋梁剛度及安全儲(chǔ)備都略有提升且腹拱未再出現(xiàn)裂縫缺陷，加固效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合前人研究成果和實(shí)際工程實(shí)例證明采用埋置式波紋鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)拱形結(jié)構(gòu)拱頂混凝土增強(qiáng)效果明顯， 并且粘貼波紋鋼板加固方式相比傳統(tǒng)的加固方法具有施工便捷、 自重輕等優(yōu)點(diǎn)， 針對(duì)拱形結(jié)構(gòu)拱頂結(jié)構(gòu)缺陷可采用波紋鋼板加固。

雖然本文通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證鋼波紋板加固輕型拱橋效果明顯，但是如何通過(guò)理論計(jì)算評(píng)判加固采用波紋鋼板對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范和理論計(jì)算公式作為支撐依據(jù)，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。