浅谈粘贴钢板法在桥梁加固设计中的应用
2015-09-22
前言
据交通部数据统计，截至2010年底，我国公路通车总里程达到398.4万公里，公路、水路、民航等交通基础设施的跨越式发展为国民经济发展做出了重要贡献。桥梁是公路的重要组成部分，且我国桥梁绝对多数以钢筋砼或预应力砼为主修建。随之而来的桥梁病害问题也日益严重，如何加强对桥梁的维修与加固，延长其使用寿命，保证其承载及通行能力，具有十分重要的意义。粘贴钢板法就是其中一种行之有效的加固方法。
1、粘贴钢板法适用情况及病害诱因
1.1 旧桥受弯构件不满足现行使用荷载
由于近些年来许多地区交通流量增大及重车、超载车增多，在现行使用荷载下，原受弯构件受拉钢筋或斜筋配筋不足，构件出现较多横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝等。
1.2 旧桥构件受拉钢筋严重锈蚀或受损
造成构件受拉钢筋锈蚀或受损的主要诱因有以下三点：一是以前对钢筋保护层认识不足，在施工方面普遍存在着不重视的现象，导致钢筋保护层厚度不满足要求，造成钢筋提前开始锈蚀；二是限于当时外加剂的研发和生产水平不高，多采用掺盐防冻等施工方法进行混凝土施工，造成钢筋腐蚀；三是施工中存在施工缺陷，造成混凝土中局部出现空洞等问题，使得钢筋过早的锈蚀或受损。
1.3 增加构件的抗裂性和刚度
1.4 提高大偏心受压构件的承载力
大偏心受压构件由于受拉钢筋配置不足，易出现类似于受弯构件的病害。采用粘贴钢板法粘贴钢板于受拉区，分担加固后荷载产生的拉应力，能有效提高大偏心受压构件的承载力。
2、粘贴钢板法计算原理介绍
2.1 钢筋混凝土构件
加固前，原构件承受恒载的作用，采用粘贴钢板法加固后，新截面承受活载及后加恒载的作用。各材料的最终应力采用各阶段计算所得应力叠加而成，并按容许应力法验算强度，然后利用试算所得到的新增钢板截面积进行持久状况承载能力极限状态正截面抗弯承载力和抗压承载力计算。
2.2 预应力混凝土构件
预应力混凝土构件加固计算均按部分预应力混凝土B类构件进行。加固前，原构件承受恒载和有效预加应力的作用，采用粘贴钢板法加固后，新截面承受活载及后加恒载的作用。各材料的最终应力采用各阶段计算所得应力叠加而成，并按容许应力法验算强度，然后利用试算得到的新增钢板截面积进行持久状况承载能力极限状态正截面抗弯、正截面抗压及斜截面抗剪承载力计算。
3、粘贴钢板法施工工艺介绍
3.1 施工准备
为了减轻钢板的应力、应变滞后现象,粘贴钢板及胶液固化期间应封闭交通。同时对构件裂缝等病害进行初步处理，处置措施可参考公路桥梁加固设计规范。
3.2 定位及表面处置
按设计在构件上画出粘贴位置轮廓线，轮廓线应比实际粘贴位置四周各加宽不小于20mm。
表面处置方法如下：a、混凝土表面的处理：对粘结面进行打磨，除掉混凝土表面的浮浆及松散、劣化的混凝土2-3mm，直至露出新鲜面，并用脱脂棉纱醮丙酮把混凝土表面擦拭2-3遍；b、钢板表面处理：粘贴面用角向磨光机打磨，直至露出金属光泽，打磨纹理与钢件受力方向垂直，并用脱脂棉纱醮丙酮把钢板擦拭干净备用。
3.3 预贴及锚固措施
表面处理经验收合格后进行预贴，保证钢板在粘贴轮廓线内且钢板与混凝土表面基本吻合。
钢板的锚固措施一般有螺栓锚固、设置U形箍或L形箍、设置垂直于受力钢板方向的压条。可根据桥梁加固实际情况选择锚固方法。
3.4 配胶
一般采用环氧树脂胶粘剂，必须按产品说明书规定的比例配制，根据粘贴面积，要求每一次配制的结构胶不超过10kg。
3.5 涂胶、粘贴钢板
粘结剂配置好后，用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板上，厚度1-3mm，中间厚边缘薄；将钢板粘贴于预定位置，粘好钢板后，用手锤沿粘贴面轻轻敲击钢板，如无空洞，表示已粘贴密实,否则应剥下钢板补胶，重新粘贴。
3.6 加压锚固
钢板粘贴于预定位置后,应立即锚固，将钢板牢固地锚固于加固构件上, 结构胶通过挤压从钢板边缘挤出，同时采用木杆顶撑，压力保持为0.05-0.1MPa。
3.7 固化
固化期内禁止对钢板进行任何扰动，结构胶在常温下24小时即可拆除支撑，三天后即可受力使用。当温度过低时应采用人工加固养护。
3.8 检验及验收
可用小锤轻击粘贴钢板，从音响判断粘贴效果，也可采用超生仪检测。若锚固区有效粘结面积少于90%，非锚固区有效粘结面积少于70%，应剥离钢板，重新粘贴。
3.9 防锈处理
加固后钢板采用防锈漆、抹水泥砂浆保护层等措施保护，以避免钢板被腐蚀。
4、粘贴钢板法应用实例
某桥上部采用3×16m钢筋砼连续空心板桥，板厚70cm。在使用过程中发现连续板跨中，1/4跨位置出现多处横向裂缝，最大裂缝宽度0.35mm，但钢筋未发现锈蚀。经过现场检验，发现设计要求主筋保护层厚度为5cm，而施工实际保护层厚度一般为7-8cm，严重的达到12cm，造成截面有效高度降低，抗弯能力严重下降。经论证后决定采用粘贴钢板法进行加固。
4.1 计算资料
空心板采用C40混凝土，受拉钢筋为61φ25，保护层120mm，钢筋截面积As=29943.3mm2，计算截面恒载跨中弯矩MG=2.49×103 kN.m，活载跨中弯矩Mq=3.94×103 kN.m，主钢筋为HRB335，未发现锈蚀。拟采用在中断交通的情况下粘贴钢板加固，不考虑受压钢筋的作用。
4.2 应力验算
计算时先将空心板截面换算成等效工字形截面，然后按T形截面处理。
4.2.1 第一阶段应力计算
计算加固前恒载作用下原截面混凝土及钢筋的应力。计算结果如下。
截面受压边缘混凝土应力：σ′c1=1.97MPa
受拉钢筋重心处应力：σs1=35.28MPa
截面受拉边缘混凝土应力：σc1=6.79MPa
4.2.2 第二阶段应力计算
计算加固后活载及后加恒载作用下截面的混凝土及钢筋应力。
选择厚度6mm，宽200mm钢板粘贴，共使用20块，截面积Asp=20*6*200=24000mm2。计算结果如下。
原截面受压边缘混凝土应力：σ′c2=4.19MPa
原受拉钢筋重心处应力：σs2=39.54MPa
粘贴钢板重心处应力：σsp=67.19MPa
4.2.3 最终应力验算
原截面受压区边缘混凝土应力：σ′c=σ′c1+σ′c2=1.97+4.19=6.16MPa<[σw]≈fcd=18.4MPa
原受拉钢筋重心处最大应力：σs=σs1+σs2=35.28+39.54=74.82<[σs]≈0.66fsd=185MPa
粘贴钢板重心处应力：σsp=67.19MPa<[σsw]≈0.75fsd=210MPa
4.3 截面验算
验算加固后持久状况承载能力极限状态正截面抗弯承载能力。
承载能力极限状态下弯矩组合设计值：Md=1.2MG+1.4Mq=8.504×103 kN.m
计算过程这里不在详述，计算结果如下。
正截面抗弯承载力为9372.6kN.m≥у0Md=8.504×103 kN.m，符合要求。
5、结束语
粘贴钢板法是桥梁加固的一种常见方法，它施工简单且养护方便，对我国大量的旧桥、缺陷桥加固具有重要的实用价值。也是设计人员进行加固设计时的重要加固措施之一。
