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【摘 要】目前对在役桥梁的检测、加固已成为工程界普遍关注的课题。由于桥梁结构尺寸大、质量重,结构形式变化多样,建筑材料和建筑方法也不尽相同,使得桥梁上部结构的加固变化多端、十分复杂。本文在总结桥梁加固方法的基础上,从结构静、动力学和结构基本理论出发,对各类加固方法的加固机理、新旧共同作用问题、研究现状和应用范围等问题进行了归纳、分析和比较,介绍了目前国内外典型的桥梁加固工程实例。最后提出:在加固方案设计中,除考虑桥梁安全性、适用性和耐久性外,加固方案要具有一定的前瞻性,以避免出现随交通发展而再次加固的情况。
【关键词】桥梁上部结构;加固;研究与应用
Discussion of Bridge Strengthening Research and Application of Superstructure
Wang Feng1,Wang Ling-xian2
(1. Henan province authorities Architecture Design Institute Zhengzhou Henan 450003;2. Survey and Design Institute of Henan Province Henan Zhengzhou 450003)
【Abstract】Current testing of existing bridges, reinforced engineering has become a universal concern. As the size of a large bridge structure, quality, weight, structural changes in various forms, building materials and construction methods are also different, making the bridge superstructure reinforcement changing, very complex. This method of summarizing the basis of strengthening the bridge, from the static structure, dynamics and structure of the basic theory, various types of reinforcement methods on the strengthening mechanism, the role of old and new together, the scope of current research and application issues were summarized, analyzed and compared, introduced the current domestic and international examples of typical bridge strengthening works. Finally: the design of the reinforcement, in addition to the bridge to consider the safety, suitability and durability, the reinforcement to have some forward-looking, to avoid the development of further reinforced with the traffic situation.
【Key words】Bridge superstructure; Reinforcement; Research and application
1. 前言
交通系统是一个国家重要的基础设施,同时也是生命线工程的重要组成部分,对地区经济发展具有十分重要的作用。然而由于环境腐蚀、车辆载重及交通流量增加(heavy traffic)等原因,一些桥梁正面临着日益加剧的性能劣化。在美国,这个问题十分突出,美国公路系统共有580,000座桥梁,超过45%的桥梁被认为性能退化或承载能力不足。我国的桥梁损伤情况也十分严重, 1996年上海市对全市公路桥梁进行了检查,共有362 座公路桥梁处于承载能力不足或临界状态。20 世纪80 年代以来, 在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区, 相继发生了一些桥梁结构的突然性断裂事件, 这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注, 也使各国政府和科研机构意识到, 必需对既有桥梁进行检测、评定和加固,恢复和提高桥梁的承载能力,保证桥梁结构的安全。近几年来,土木工程领域的科技人员在这一方面进行了大量的研究工作,目前在桥梁损伤检测、鉴定和加固等领域已取得一定的研究成果,一些新材料、新技术已相继应用于桥梁加固工程,并且在不断地完善、发展和创新。
但是,我们也应该看到,旧桥加固的个性很强,虽然工程量往往不大,但涉及面广,是一项繁杂的系统工作;而且由于旧桥加固过程中常存在原始资料和图纸不全等客观原因,所以旧桥加固设计的制约因素和技术风险远比设计新桥要大得多,必须引起技术人员的高度重视。
2. 桥梁上部结构加固的原则
桥梁不仅是道路跨越山川、河流的结构形式,而且往往是一个地区或城市的象征,所以新建桥梁在设计时,除满足安全、适用、经济等要求外,还必需满足美观的要求。同样,桥梁加固设计也是如此,在满足结构可靠度的前提下,不能影响原有桥梁的美观。由于桥梁结构类型和损伤状况的不同,桥梁结构的加固方案常常差别很大,而且加固施工方法特殊、工艺复杂。虽然国内外已有许多成熟的旧桥加固技术和方法,但在具体加固过程中,还应结合所加固桥梁的具体特点加以综合考虑,采用技术可行、经济合理的加固方案,并具有一定的前瞻性和创造性。具体加固原则为: (1)以检测和鉴定结果为基础,只有充分了解病症所在,才能使加固设计有的放矢;
(2)尽可能不损伤或少损伤原有结构,发挥原结构的潜力,加固后桥梁在最不利荷载组合作用下,其强度、刚度和稳定性均要满足要求;
(3)尽可能降低附加荷载,减少附加荷载对加固效果的影响;
(4)新旧结构结合面应具有足够的抗剪能力,保证应变传递的可靠性,保证新旧结构的共同作用;
(5)尽可能不影响桥梁的使用功能;
(6)加固设计要考虑耐久性的要求;
(7)施工工艺简单可靠,尽量减少对运输的干扰。
3. 桥梁上部结构加固的特点
由于桥梁加固必须在原有结构位置进行,所以加固方案的设计与实施势必受到原结构形式、结构材料和环境的制约,具体来讲,桥梁加固具有下述特点:
(1)加固空间有限。一方面是施工操作空间有限;另一方面是使用空间限制,加固后结构高度不能超过容许建筑高度,加固后桥梁必须满足通车和通航要求;
(2)可供参考的设计和施工资料少,特别是使用年限较长的旧桥,已经难以找到当时的设计和施工资料,加之结构损伤老化的复杂性,无法准确估计结构的残余承载力;
(3)必须考虑新旧结构的共同作用。一是新旧材料的可靠粘合;二是新增结构部分的应力滞后问题;
(4)涉及新旧设计规范的交叉问题。
4. 桥梁上部结构加固方法及比较
所谓桥梁加固,就是采取一定结构措施,恢复和提高桥梁局部或整体的承载能力或通车能力。根据加固目的不同,桥梁加固方法总体上可分为两大类:一类为非结构性加固,如对裂缝进行封闭或压浆处理,目的是提高结构的整体性和耐久性能;另一类是结构性加固,目的是恢复和提高结构的刚度和承载能力。本文主要讨论第二类方法,属于第二类的结构加固方法主要有:
(1) 扩大或增大原结构构件断面加固;
(2) 粘贴补强加固法,包括粘贴CFRP布、粘贴芳伦纤维布和粘钢补强等;
(3) 改变原结构受力体系加固;
(4) 体外预应力加固;
(5) 钢-混凝土组合加固加固。
4.1 扩大断面法。
扩大断面法是一个传统的加固方法,采用与原结构相同的材料增大构件截面面积,从而提高构件性能,不仅可提高桥梁的承载能力,而且还可增大桥梁刚度,改变桥梁的动力性能。但施工不便,附加荷载大,主要用于钢桥、拱桥和中小跨度混凝土梁桥的加固。随着材料工业的发展,一些性能优异的新材料被广泛应用于桥梁加固工程中,如自密实混凝土、聚丙稀纤维自密实混凝土、轻质混凝土、聚合物混凝土等,在一定程度上弥补了上述缺点。另外植筋技术的应用,也提高了新旧结构之间的共同作用能力,保证了加固效果。这里主要介绍自密实混凝土。
自密实混凝土不需振捣、完全依靠自重就能够密实地充满模板的各个角落,解决了桥梁加固中扩大断面部位无法振捣或振捣困难的问题,可避免因振捣不足而造成的空洞、蜂窝和麻面等质量缺陷,有利于保证加固质量和混凝土结构的耐久性;同时,由于混凝土无需振捣,提高了施工速度,缩短了工期,有利于尽快恢复交通。如天津市某立交桥采用补筋外包混凝土加固梁、柱时,由于柱子较高,梁跨度大,加固厚度较薄,就选用了合成纤维自密实混凝土进行施工。通过研究和应用,自密实混凝土具有下列优点,非常适合桥梁加固工程。
4.2 粘贴CFRP布加固。
日本是世界上最早采用CFRP布进行桥梁工程加固的国家之一,1994年曾采用CFRP 布对东名高速公路高架桥的混凝土箱梁内外进行了粘贴补强。近几年来, 我国科研单位和院校对粘贴CERP加固进行了大量的理论和应用研究, 取得了比较成熟的加固设计方法和施工经验。目前CFRP布已经国产化,表1为国产CFRP 布的主要技术指标,基本达到国际标准,完全可以代替进口CFRP布进行工程加固,为推广应用粘贴CFRP布加固创造了有利条件。粘贴CFRP布加固本质上是粘钢加固技术的发展,是应用结构粘结剂将碳纤维布按设计要求粘贴于混凝土表面, 使其与原结构中的钢筋共同承受拉力,提高结构的承载能力,有效地增加了桥梁的抗拉、抗弯和抗剪能力,提高桥梁的强度、刚度和抗裂性,控制裂缝的发展。由于碳纤维布的极限抗拉强度高于普通钢筋的10 倍以上, 弹性模量也与钢筋相近,且其形状可随结构形状而变化,所以其加固效果和应用范围均比粘钢优越。据试验研究统计: 粘贴一层碳纤维单向布的梁板, 其抗弯性能可提高5%~8%,但其刚度加固效果不如后者。与粘钢、喷射混凝土等加固技术相比, 粘贴CFRP布加固主要具有以下优点:
(1)高强高效,其静力强度和疲劳强度都比钢材高;
(2)基本不增加恒载和断面尺寸,不会降低桥下净空,不改变结构形状和影响结构美观,这是其它方法无法比拟的;
(3)成型方便,适合各种形状结构,可用于梁桥、拱桥和构件、节点等的加固;
(4)施工方便,不需大型施工机械和现场固定设施,便于桥下高空作业,特别是在箱梁内部加固时,其可操作性很好,适合不影响营运进行加固的需要;
(5)用结构粘结剂直接粘结在结构表面,无需设置锚固螺栓等,不会对原结构造成损伤;
(6)具有优良的耐化学腐蚀性能和耐久性能。
近几年,国内外采用CFRP取代钢板对大量既有桥梁进行了加固,使加固技术产生了根本的改变。但粘贴CFRP布加固存在以下三个问题:(1)应力滞后导致碳纤维布的强度不能充分发挥,若要充分发挥其强度,此时原结构中钢筋早已屈服,裂缝会较大;(2)弹性模量与强度的比值低,导致应力不能充分发挥;(3)粘贴过程中,由于结构表面不平整和粘贴不平整,呈波浪形的CFRP布将产生撕裂作用,影响CFRP布与结构表面之间力的传递,常常发生粘结破坏。针对这些不足,目前科技人员经过大量研究业已提出一些解决方法。一是在碳纤维中掺人玻璃纤维形成混合纤维,提高其弹性模量和变形能力;二是在CFRP布中施加预应力,减小加固时由于二次受力造成的应力滞后,解决强度无法充分发挥和刚度加固不足的问题,进一步降低裂缝宽度,并能够消除混凝土表面不平整所产生的撕裂作用,提高加固效果。
4.3 体外预应力加固。
预应力技术并不是一项新技术,在土木工程中已被广泛应用,但近几年才被应用于中、大跨度桥梁的加固。体外预应力加固是指以梁身为锚固体,通过张拉,对梁的受拉区施加压力,以抵消部分自重应力,减少桥梁在恒载和活载作用下的挠度,常用于混凝土梁桥、预应力混凝土梁桥、T构桥和钢桁架桥的加固。在具体加固中,预应力筋束应左右对称布置于T型梁的两侧或箱梁体内,并于梁体上设置转向块和锚固端。体外预应力加固具有以下优点。
(1)能较大幅度地提高旧桥的承载能力,既可以提高抗弯承载能力,也可以提高抗剪承载能力和刚度;
(2)预应力筋布置在箱梁体内(或T梁腹板断面外),对原桥结构损伤小,基本上不增加结构自重,不影响桥下净空和桥梁美观;
(3)加固设备简单,施工工期短,在加固过程中,可以不中断或不限制交通。
(4)对体外预应力筋可进行长期观测、维护及更换。
苏格兰Glasgow市的Kingston大桥、南海市谢叠大桥、三门峡黄河公路桥均为箱梁桥,三座桥均在使用中出现主跨过度下挠,腹板开裂的事故。都采用在箱梁中通过多股钢绞线施加体外预应力和腹板粘贴钢板相结合的方法进行了加固,取得了满意的加固效果。
4.4 改变结构体系加固。
改变结构体系法加固是从调整传力路径和结构体系的角度出发,改善桥梁的整体性能和受力状况,从而达到结构加固的目的。也就是将强度不足处之内力转移至增设之杆系或强度富余部位,使原桥梁结构转换成一种符合功能要求的新体系。改变结构体系的主要方法有:一是通过改变简支梁桥的支座,变多跨简支梁桥为连续梁桥,降低控制弯矩;二是通过撑杆或拉索增设支点,变简支梁桥、悬臂梁桥为连续梁桥;三是通过在桥面设梁,变拱桥为连续拱梁桥等。下面为两个典型的体系改变加固实例。
4.4.1 挪威puttesund大桥的加固。
该桥建于1970年,是一座采用悬臂施工法建造的预应力混凝土单室箱梁桥,由于随时间变化的悬臂过量下挠,主跨中心处下挠达450mm,而且某些部位抗剪能力也不足,出现剪切裂缝。采用改变受力体系法进行了加固,相当于在跨中增加了几个柔性吊杆,加固后桥梁变成一座外形漂亮的斜拉桥,成为城市的一道风景。
4.4.2 颜家桥的改造与加固。
长沙市颜家桥建于1959年, 为双孔空腹式石拱桥, 全长35.80m, 每孔净跨径15.00m。由于桥台水平位移, 导致拱顶、拱脚处产生三道宽达30mm裂缝, 横贯桥宽, 属于危桥。1997年采用体系转换法进行加固与改造。在原桥面上挖槽设置纵梁、横梁和桥面板;纵梁下立柱、斜撑的主筋直接插入梁内和嵌入拱圈内。钢筋混凝土桥面把梁与板联成一个整体, 整个桥跨结构成为一座连续拱梁桥,如图1所示。
5. 结论
桥梁加固技术是一门新的学科,加固设计中涉及许多未定因素,而且新旧共同作用和应力滞后等问题仍需进一步的研究。同一座桥梁,可以有多种处理方法,有时要采用几种方法相结合的综合加固方法。而且,随着新材料、新工艺、新技术的发展,还会有新的加固技术和方法出现。但无论如何,一个好的加固方案应该经得起实践的检验。与国外比较,我国在加固理论研究和加固规程的制定方面还比较落后,至今尚未见到专门的桥梁加固技术规程。由于桥梁结构的特殊性,为了指导桥梁加固的设计与施工,制定桥梁加固技术规程已很有必要。图2 改变结构体系法加固石拱桥
另外,为了保证加固效果,施工质量的控制也是桥梁加固工作的关键,而且桥梁改造与加固是一个新的学科,许多施工和监理单位还不太了解这些专门的施工技术,这就要求我们的设计人员必须进行详细的技术交底,并协助监理公司制定相应的监理大纲和细则。
参考文献
[1] 桥梁维修与加固,杨文澜,北京:人民交通出版社,2000
[2] 陈开利,CFRP 材料在桥梁加固工程中的应用,桥梁建设,2001(1), P44-45
[3] 周建廷: 桥梁加固机理及加固准则探讨,重庆交通学院学报, 2001(z1),P72
[4] 邓德全,陈久强,蒋敏文. 用体系转换法加固多孔拱桥的研究,中南工业大学学报,1 9 9 7(2),P121-125
[5] 朱典文,张万平,唐小兵. 桥梁结构的体外预应力加固技术. 交通科技. 2002(6)
[文章编号]1006-7619(2010)06-10-531
【关键词】桥梁上部结构;加固;研究与应用
Discussion of Bridge Strengthening Research and Application of Superstructure
Wang Feng1,Wang Ling-xian2
(1. Henan province authorities Architecture Design Institute Zhengzhou Henan 450003;2. Survey and Design Institute of Henan Province Henan Zhengzhou 450003)
【Abstract】Current testing of existing bridges, reinforced engineering has become a universal concern. As the size of a large bridge structure, quality, weight, structural changes in various forms, building materials and construction methods are also different, making the bridge superstructure reinforcement changing, very complex. This method of summarizing the basis of strengthening the bridge, from the static structure, dynamics and structure of the basic theory, various types of reinforcement methods on the strengthening mechanism, the role of old and new together, the scope of current research and application issues were summarized, analyzed and compared, introduced the current domestic and international examples of typical bridge strengthening works. Finally: the design of the reinforcement, in addition to the bridge to consider the safety, suitability and durability, the reinforcement to have some forward-looking, to avoid the development of further reinforced with the traffic situation.
【Key words】Bridge superstructure; Reinforcement; Research and application
1. 前言
交通系统是一个国家重要的基础设施,同时也是生命线工程的重要组成部分,对地区经济发展具有十分重要的作用。然而由于环境腐蚀、车辆载重及交通流量增加(heavy traffic)等原因,一些桥梁正面临着日益加剧的性能劣化。在美国,这个问题十分突出,美国公路系统共有580,000座桥梁,超过45%的桥梁被认为性能退化或承载能力不足。我国的桥梁损伤情况也十分严重, 1996年上海市对全市公路桥梁进行了检查,共有362 座公路桥梁处于承载能力不足或临界状态。20 世纪80 年代以来, 在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区, 相继发生了一些桥梁结构的突然性断裂事件, 这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注, 也使各国政府和科研机构意识到, 必需对既有桥梁进行检测、评定和加固,恢复和提高桥梁的承载能力,保证桥梁结构的安全。近几年来,土木工程领域的科技人员在这一方面进行了大量的研究工作,目前在桥梁损伤检测、鉴定和加固等领域已取得一定的研究成果,一些新材料、新技术已相继应用于桥梁加固工程,并且在不断地完善、发展和创新。
但是,我们也应该看到,旧桥加固的个性很强,虽然工程量往往不大,但涉及面广,是一项繁杂的系统工作;而且由于旧桥加固过程中常存在原始资料和图纸不全等客观原因,所以旧桥加固设计的制约因素和技术风险远比设计新桥要大得多,必须引起技术人员的高度重视。
2. 桥梁上部结构加固的原则
桥梁不仅是道路跨越山川、河流的结构形式,而且往往是一个地区或城市的象征,所以新建桥梁在设计时,除满足安全、适用、经济等要求外,还必需满足美观的要求。同样,桥梁加固设计也是如此,在满足结构可靠度的前提下,不能影响原有桥梁的美观。由于桥梁结构类型和损伤状况的不同,桥梁结构的加固方案常常差别很大,而且加固施工方法特殊、工艺复杂。虽然国内外已有许多成熟的旧桥加固技术和方法,但在具体加固过程中,还应结合所加固桥梁的具体特点加以综合考虑,采用技术可行、经济合理的加固方案,并具有一定的前瞻性和创造性。具体加固原则为: (1)以检测和鉴定结果为基础,只有充分了解病症所在,才能使加固设计有的放矢;
(2)尽可能不损伤或少损伤原有结构,发挥原结构的潜力,加固后桥梁在最不利荷载组合作用下,其强度、刚度和稳定性均要满足要求;
(3)尽可能降低附加荷载,减少附加荷载对加固效果的影响;
(4)新旧结构结合面应具有足够的抗剪能力,保证应变传递的可靠性,保证新旧结构的共同作用;
(5)尽可能不影响桥梁的使用功能;
(6)加固设计要考虑耐久性的要求;
(7)施工工艺简单可靠,尽量减少对运输的干扰。
3. 桥梁上部结构加固的特点
由于桥梁加固必须在原有结构位置进行,所以加固方案的设计与实施势必受到原结构形式、结构材料和环境的制约,具体来讲,桥梁加固具有下述特点:
(1)加固空间有限。一方面是施工操作空间有限;另一方面是使用空间限制,加固后结构高度不能超过容许建筑高度,加固后桥梁必须满足通车和通航要求;
(2)可供参考的设计和施工资料少,特别是使用年限较长的旧桥,已经难以找到当时的设计和施工资料,加之结构损伤老化的复杂性,无法准确估计结构的残余承载力;
(3)必须考虑新旧结构的共同作用。一是新旧材料的可靠粘合;二是新增结构部分的应力滞后问题;
(4)涉及新旧设计规范的交叉问题。
4. 桥梁上部结构加固方法及比较
所谓桥梁加固,就是采取一定结构措施,恢复和提高桥梁局部或整体的承载能力或通车能力。根据加固目的不同,桥梁加固方法总体上可分为两大类:一类为非结构性加固,如对裂缝进行封闭或压浆处理,目的是提高结构的整体性和耐久性能;另一类是结构性加固,目的是恢复和提高结构的刚度和承载能力。本文主要讨论第二类方法,属于第二类的结构加固方法主要有:
(1) 扩大或增大原结构构件断面加固;
(2) 粘贴补强加固法,包括粘贴CFRP布、粘贴芳伦纤维布和粘钢补强等;
(3) 改变原结构受力体系加固;
(4) 体外预应力加固;
(5) 钢-混凝土组合加固加固。
4.1 扩大断面法。
扩大断面法是一个传统的加固方法,采用与原结构相同的材料增大构件截面面积,从而提高构件性能,不仅可提高桥梁的承载能力,而且还可增大桥梁刚度,改变桥梁的动力性能。但施工不便,附加荷载大,主要用于钢桥、拱桥和中小跨度混凝土梁桥的加固。随着材料工业的发展,一些性能优异的新材料被广泛应用于桥梁加固工程中,如自密实混凝土、聚丙稀纤维自密实混凝土、轻质混凝土、聚合物混凝土等,在一定程度上弥补了上述缺点。另外植筋技术的应用,也提高了新旧结构之间的共同作用能力,保证了加固效果。这里主要介绍自密实混凝土。
自密实混凝土不需振捣、完全依靠自重就能够密实地充满模板的各个角落,解决了桥梁加固中扩大断面部位无法振捣或振捣困难的问题,可避免因振捣不足而造成的空洞、蜂窝和麻面等质量缺陷,有利于保证加固质量和混凝土结构的耐久性;同时,由于混凝土无需振捣,提高了施工速度,缩短了工期,有利于尽快恢复交通。如天津市某立交桥采用补筋外包混凝土加固梁、柱时,由于柱子较高,梁跨度大,加固厚度较薄,就选用了合成纤维自密实混凝土进行施工。通过研究和应用,自密实混凝土具有下列优点,非常适合桥梁加固工程。
4.2 粘贴CFRP布加固。
日本是世界上最早采用CFRP布进行桥梁工程加固的国家之一,1994年曾采用CFRP 布对东名高速公路高架桥的混凝土箱梁内外进行了粘贴补强。近几年来, 我国科研单位和院校对粘贴CERP加固进行了大量的理论和应用研究, 取得了比较成熟的加固设计方法和施工经验。目前CFRP布已经国产化,表1为国产CFRP 布的主要技术指标,基本达到国际标准,完全可以代替进口CFRP布进行工程加固,为推广应用粘贴CFRP布加固创造了有利条件。粘贴CFRP布加固本质上是粘钢加固技术的发展,是应用结构粘结剂将碳纤维布按设计要求粘贴于混凝土表面, 使其与原结构中的钢筋共同承受拉力,提高结构的承载能力,有效地增加了桥梁的抗拉、抗弯和抗剪能力,提高桥梁的强度、刚度和抗裂性,控制裂缝的发展。由于碳纤维布的极限抗拉强度高于普通钢筋的10 倍以上, 弹性模量也与钢筋相近,且其形状可随结构形状而变化,所以其加固效果和应用范围均比粘钢优越。据试验研究统计: 粘贴一层碳纤维单向布的梁板, 其抗弯性能可提高5%~8%,但其刚度加固效果不如后者。与粘钢、喷射混凝土等加固技术相比, 粘贴CFRP布加固主要具有以下优点:
(1)高强高效,其静力强度和疲劳强度都比钢材高;
(2)基本不增加恒载和断面尺寸,不会降低桥下净空,不改变结构形状和影响结构美观,这是其它方法无法比拟的;
(3)成型方便,适合各种形状结构,可用于梁桥、拱桥和构件、节点等的加固;
(4)施工方便,不需大型施工机械和现场固定设施,便于桥下高空作业,特别是在箱梁内部加固时,其可操作性很好,适合不影响营运进行加固的需要;
(5)用结构粘结剂直接粘结在结构表面,无需设置锚固螺栓等,不会对原结构造成损伤;
(6)具有优良的耐化学腐蚀性能和耐久性能。
近几年,国内外采用CFRP取代钢板对大量既有桥梁进行了加固,使加固技术产生了根本的改变。但粘贴CFRP布加固存在以下三个问题:(1)应力滞后导致碳纤维布的强度不能充分发挥,若要充分发挥其强度,此时原结构中钢筋早已屈服,裂缝会较大;(2)弹性模量与强度的比值低,导致应力不能充分发挥;(3)粘贴过程中,由于结构表面不平整和粘贴不平整,呈波浪形的CFRP布将产生撕裂作用,影响CFRP布与结构表面之间力的传递,常常发生粘结破坏。针对这些不足,目前科技人员经过大量研究业已提出一些解决方法。一是在碳纤维中掺人玻璃纤维形成混合纤维,提高其弹性模量和变形能力;二是在CFRP布中施加预应力,减小加固时由于二次受力造成的应力滞后,解决强度无法充分发挥和刚度加固不足的问题,进一步降低裂缝宽度,并能够消除混凝土表面不平整所产生的撕裂作用,提高加固效果。
4.3 体外预应力加固。
预应力技术并不是一项新技术,在土木工程中已被广泛应用,但近几年才被应用于中、大跨度桥梁的加固。体外预应力加固是指以梁身为锚固体,通过张拉,对梁的受拉区施加压力,以抵消部分自重应力,减少桥梁在恒载和活载作用下的挠度,常用于混凝土梁桥、预应力混凝土梁桥、T构桥和钢桁架桥的加固。在具体加固中,预应力筋束应左右对称布置于T型梁的两侧或箱梁体内,并于梁体上设置转向块和锚固端。体外预应力加固具有以下优点。
(1)能较大幅度地提高旧桥的承载能力,既可以提高抗弯承载能力,也可以提高抗剪承载能力和刚度;
(2)预应力筋布置在箱梁体内(或T梁腹板断面外),对原桥结构损伤小,基本上不增加结构自重,不影响桥下净空和桥梁美观;
(3)加固设备简单,施工工期短,在加固过程中,可以不中断或不限制交通。
(4)对体外预应力筋可进行长期观测、维护及更换。
苏格兰Glasgow市的Kingston大桥、南海市谢叠大桥、三门峡黄河公路桥均为箱梁桥,三座桥均在使用中出现主跨过度下挠,腹板开裂的事故。都采用在箱梁中通过多股钢绞线施加体外预应力和腹板粘贴钢板相结合的方法进行了加固,取得了满意的加固效果。
4.4 改变结构体系加固。
改变结构体系法加固是从调整传力路径和结构体系的角度出发,改善桥梁的整体性能和受力状况,从而达到结构加固的目的。也就是将强度不足处之内力转移至增设之杆系或强度富余部位,使原桥梁结构转换成一种符合功能要求的新体系。改变结构体系的主要方法有:一是通过改变简支梁桥的支座,变多跨简支梁桥为连续梁桥,降低控制弯矩;二是通过撑杆或拉索增设支点,变简支梁桥、悬臂梁桥为连续梁桥;三是通过在桥面设梁,变拱桥为连续拱梁桥等。下面为两个典型的体系改变加固实例。
4.4.1 挪威puttesund大桥的加固。
该桥建于1970年,是一座采用悬臂施工法建造的预应力混凝土单室箱梁桥,由于随时间变化的悬臂过量下挠,主跨中心处下挠达450mm,而且某些部位抗剪能力也不足,出现剪切裂缝。采用改变受力体系法进行了加固,相当于在跨中增加了几个柔性吊杆,加固后桥梁变成一座外形漂亮的斜拉桥,成为城市的一道风景。
4.4.2 颜家桥的改造与加固。
长沙市颜家桥建于1959年, 为双孔空腹式石拱桥, 全长35.80m, 每孔净跨径15.00m。由于桥台水平位移, 导致拱顶、拱脚处产生三道宽达30mm裂缝, 横贯桥宽, 属于危桥。1997年采用体系转换法进行加固与改造。在原桥面上挖槽设置纵梁、横梁和桥面板;纵梁下立柱、斜撑的主筋直接插入梁内和嵌入拱圈内。钢筋混凝土桥面把梁与板联成一个整体, 整个桥跨结构成为一座连续拱梁桥,如图1所示。
5. 结论
桥梁加固技术是一门新的学科,加固设计中涉及许多未定因素,而且新旧共同作用和应力滞后等问题仍需进一步的研究。同一座桥梁,可以有多种处理方法,有时要采用几种方法相结合的综合加固方法。而且,随着新材料、新工艺、新技术的发展,还会有新的加固技术和方法出现。但无论如何,一个好的加固方案应该经得起实践的检验。与国外比较,我国在加固理论研究和加固规程的制定方面还比较落后,至今尚未见到专门的桥梁加固技术规程。由于桥梁结构的特殊性,为了指导桥梁加固的设计与施工,制定桥梁加固技术规程已很有必要。图2 改变结构体系法加固石拱桥
另外,为了保证加固效果,施工质量的控制也是桥梁加固工作的关键,而且桥梁改造与加固是一个新的学科,许多施工和监理单位还不太了解这些专门的施工技术,这就要求我们的设计人员必须进行详细的技术交底,并协助监理公司制定相应的监理大纲和细则。
参考文献
[1] 桥梁维修与加固,杨文澜,北京:人民交通出版社,2000
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[文章编号]1006-7619(2010)06-10-531