既有钢筋混凝土桥梁加固与修补技术综述

既有钢筋混凝土桥梁加固与桥梁修补技术综述 济南铁路局工务处徐学东　朱瑞龙　刘化民摘　要　对既有钢筋混凝土桥梁加固与桥梁裂缝修补技术进行了综述与讨论。关键词　既有钢筋混凝土桥梁　加固桥梁裂缝修补　综述 1　概述 由于设计及施工的缺陷、外界不利荷载(如 汽车撞击、过大的地震力) 与不利作用(如碳化、 氯离子的侵入、酸侵蚀、碱—集料反应、冻融等) 影响, 很多既有钢筋混凝土桥梁的承载能力、刚 度及耐久性等不能满足有关规范或正常使用的 要求, 需对其进行加固或桥梁裂缝修补。 对存在严重病害的既有钢筋混凝土桥梁, 首先应按有关规范进行科学地评估。评估应按 结构可靠性原理及极限状态的原则, 进行包括 承载能力、使用状态及耐久性的评估, 看其极限 强度、稳定性、变形、振动、裂缝等能否满足有关 规范的要求。对重要或数量较多的病害设备, 除 应进行理论检算外, 尚应进行试验评估, 因理论 计算模型往往忽略了一些对结构受力有利的因 素, 而评估的一项重要原则是, 必须科学地、尽 可能地挖掘既有结构物的使用潜力。如评估结 果认为不能满足有关技术要求, 或认为结构坏 化及病害继续发展将影响结构的正常使用时, 则须对结构进行换梁、加固及桥梁裂缝修补的综合经济、 技术比较, 这里须指出的是, 比较时需考虑结构 实际使用时间与设计基准期、换下的旧梁占用 土地或处理的费用、对运输的干扰、加固或桥梁裂缝修补 有效期等因素的影响, 以确定一种最优对策, 来 满足结构使用的安全性和适用性要求, 并最大 限度地节省投资, 延长结构物的使用期限。一般 而言, 对承载能力或刚度不足(如因钢筋断面消 弱过多而致的承载力下降、活载作用下挠度、裂 缝较大等) 的既有钢筋混凝土桥梁, 需进行结构 加固补强; 而对结构坏化(如混凝土严重开裂、 空鼓、剥落、碳化到钢筋位置等) 则必须采取相 应的桥梁裂缝修补对策。

2　既有钢筋混凝土桥梁结构加固技术 对于既有钢筋混凝土桥梁结构, 如钢筋断 面因锈蚀等原因有较大削弱, 为恢复原设计或 要求的承载能力, 则可选择的加固补强方法有 以下几种: 焊补钢筋加固法、体外预应力加固 法、粘钢板(纵梁) 加固法、锚栓—钢板加固法、 纤维加劲塑料(FRP) 加固法等, 现将其优、缺点 及关键技术总结如表1 所示。 关于加固设计检算原理, 除体外预应力加 固法需按力法解体外力筋冗力, 以确定体外力 筋断面及转块构造细节外, 其余一般均可按平 截面假定及换算断面原理, 按常规的钢筋混凝 土理论进行材料断面设计。对于粘钢板(纵梁) 法及FRP 法尚须进行最大粘贴应力检算, 并须 满足不超过混凝土材料及粘接剂本身的容许应 力的要求。对于锚栓—钢板加固法, 可按计算所 得剪切应力强度计算所需锚栓个数, 且剪应力 应满足有关规范要求。 对于主钢筋与箍筋断面有较大不足的既有 钢筋混凝土桥梁, FRP 加固法是较为理想的, 因为FRP 加固法较焊补钢筋加固法有较高的 疲劳寿命; 较体外预应力加固法更为方便地实 现对抗弯承载力、抗剪承载力、刚度的补强, 并 增大了对既有钢筋的防护; 较粘钢板(纵梁) 法 增加的恒载较少, 无后续涂装费用, 对混凝土表 面处理的平整度要求也不是很高; 较锚栓—钢 板加固法减少了对梁体的伤损, 总体性能优越。 FRP 材料是由包裹在树脂母体中的连续 纤维做成的复合材料。FRP 材料主要分玻璃纤 维增强塑料(GFRP )、芳纶纤维加劲塑料 (A FRP ) 及碳纤维加劲塑料(CFRP) 三大类。 在FRP 材料应用早期, GFRP应用较多,A FRP 既有钢筋混凝土桥梁加固与修补技术综述——徐学东等 39 表1　各种加固方法的比较 加固方法优点缺点关键技术 焊补钢筋加固法施工工艺简单; 造价较低 焊接影响钢筋的疲劳强度与 寿命; 须增大结构断面, 恒载 增加较大 钢筋打磨; 焊接质量控制 体外预应力加固法 可平衡掉部分恒载, 较大幅度 地提高结构承载力与刚度; 体 外力筋变化幅度小, 无疲劳问 题; 可促使竖裂缝闭合 对锚具及体外力筋的防腐要 求较高; 锚具有时不便于设 置; 施工工艺较为复杂, 且所 需设备较多; 造价较高 须选择安全可靠锚具; 所设力 筋转(滑) 块不应导致过大的 应力损失及应力集中 粘钢板(纵梁) 加固法 施工工艺较简单; 可提高对梁 体内钢筋的保护: 控制裂缝与 挠度 对梁体混凝土强度、表面平整 度、清洁度要求较高; 加固的 有效性主要取决于粘结材料 的强度及耐久性; 恒载增加较 大; 钢板本身须涂装, 增加了 日后的维护负担; 总体费用较 高 不能用于劣质混凝土; 必须选 择优质粘贴剂; 混凝土表面的 清理; 必须防止钢板端部剪应 力集中; 注浆质量控制(饱满 度、消除气泡、注浆厚度等) 锚栓—钢板加固法 可摆脱对钢板粘贴剂的依赖; 对梁体表面清洁度要求不高; 施工工艺较简单; 控制裂缝与 挠度 对梁体混凝土强度要求较高; 设置锚栓有可能伤及既有钢 筋; 损伤梁体; 钢板(纵梁) 本 身的防护问题 不能用于劣质混凝土; 锚栓直 径、间距、锚固长度、方式的确 定; 钢筋位置探测等 FRP 加固法 抗拉强度高; 抗腐蚀性好; 重 量轻; 抗疲劳性好; 热膨胀系 数低; 对结构外形适应性好; 施工方便 材料单价相对较高 设计确定合理的加固材料数 量; 设计中应避免脆性破坏; 注意对应力集中的考虑 也曾用于石油钻井平台的锚固中, 但近年来, 由 于其优越的性能, CFRP 已成为最具发展潜力 的一种加劲塑料。自80 年代后期以来, 国际工 程界开始将其作为钢筋的替代材料来加以研 究, 截止1997 年底, 国外用CFRP 力筋修建的 预应力混凝土梁已有10 余座, 利用CFRP 材料 对病害桥梁进行加固的工程实例也不少。国内 已有的工程实例, 利用CFRP 加固1 孔16 m 跨 度的铁路钢筋混凝土0 形梁的费用为4 万元左 右, 远小于换梁的费用, 经济上易承受。

CFRP 加固桥梁的寿命主要取决于粘接材料的寿命, 如粘接产品材料供应商对其材料无明确的寿命 保证, 则建议进行材料加速老化试验, 以预测其 在自然环境下的使用寿命。一般地说, FRP 宜用 于极限强度不足而非使用功能有缺陷的钢筋混 凝土结构。总体而言, FRP 加固法极具发展潜 力, 值得在进一步研究的基础上加大试验应用 的步伐。 3　既有钢筋混凝土桥梁结构修补技术 一般而言, 钢筋的锈蚀与断面不足都源于 或伴随着混凝土坏化病害或缺陷。对于混凝土 坏化病害或缺陷应在区分病害类型与成因的基 础上, 采取相应的桥梁裂缝修补对策与方法。对于已坏化 失效(如空鼓、胀裂、开裂较宽) 的混凝土一般应 予以凿除, 然后用混凝土聚合物复合材料进行 修补, 修补前可对既有混凝土表面涂以界面剂, 以增加裂缝修补材料与既有混凝土的粘结性。所选 用的混凝土聚合物复合材料一般采用聚合物水 泥砂浆, 而不用聚合物改性水泥混凝土, 因为前 者力学及耐久性能更好一些。之所以采用混凝 土聚合物复合材料而不采用常规的混凝土, 是 因为前者一般具有后者不具备的易于拌和、较 好的和易性、良好的粘结性、高抗渗性、一定程 度上具自我养护功能等特点。目前, 可供选择的 聚合物材料有多种, 供应厂商也有多家, 可根据 功能要求、价格因素等, 择优选择合适的聚合物 材料; 另一方面, 对于不太宽的钢筋混凝土梁裂 缝, 可使韧性好、粘度小、强度高的改性环氧树 脂基材料进行压力注浆裂缝 修补, 从而到全面改善 结构物耐久性的目的。 对于因混凝土碳化、氯离子侵入等造成的 钢筋混凝土梁“锈胀”病害, 总体上讲有2 种整 治思路与方法。一种是通过使用聚合物水泥砂 浆材料重建已失效的钢筋保护层, 通过重建混 凝土碱性环境, 来减小锈蚀电化学反应速率, 以 达到延长结构物使用寿命的目的, 一般称其为 被动防护方法; 另一种为主动地防护钢筋, 重建 钢筋钝化层方法, 一般称其为主动防护方法。后 40 铁道标准设计　 2000 年6～7 月第20 卷第6～7 期 深圳地铁重叠隧道近接施工 影响的数值模拟分析 西南交通大学土木学院　仇文革　张志强

摘　要　根据深圳地铁一期工程罗湖—国贸—老街—大剧院三区间隧道的地质 条件及设计文献对重叠及交错地铁区间隧道, 按不同净距分为先上后下及先下后上 施工, 采用FLAC 分析软件, 按平面应变问题模拟围岩、支护结构及开挖过程, 对应 力场、位移场进行了计算模拟分析, 其结果供设计及施工参考。 　　关键词　地铁　重叠隧道　近接施工　数值模拟 1　概述 在城市繁华地区修建地下结构物时, 如何 把对环境的影响减少到最低限度是一个不容忽 视的问题, 其中最主要的是施工中对既有结构 物的影响和自身近接施工时的相互影响问题。 日本把这种情况定义为近接施工影响问题[1 ] , 并给以了高度重视。我国在广州、深圳、北京地 铁中也遇到了类似的问题, 特别是在暗挖法施 工的条件下, 这个问题必须予以重视。深圳地铁 出现左右线上下相互重叠交错隧道结构区段, 为了预估修筑时2 座隧道的相互影响, 把相互 影响减少到最低限度, 使施工难度最小, 深圳地 铁公司特立项进行研究, 内容包括数值分析、模 型试验和现场量测。本文就数值模拟分析的部 分进行探讨。 深圳地铁一期工程的3 个区间, 由于各种 原因, 出现了我国第一条地铁线路交错区间隧 道结构。其中包括3 种情况: (1) 从并行的区间 隧道逐步过渡到重叠隧道; (2) 从重叠区间隧道 过渡到平行隧道, 再将线间距逐步扩大到16. 4 m 的双洞区间隧道; (3) 上下重叠区间隧道。 此外, 在交错隧道地段, 还出现靠近基础等 相邻结构物的情况, 其间的相互影响也是不容 忽视的。但从国内外的工程实践来看, 集中地体 者主要是通过引入钢筋阻锈剂, 阻断钢筋锈蚀 的电化学反应。钢筋混凝土构件加速锈蚀试验 表明, 加迁移式阻锈剂(MC I) 的比没加的寿命 长3 倍, 美国进行的实桥试验研究表明, 加 MC I 的比仅使用聚合物改性混凝土材料的钢 筋混凝土桥面板的使用寿命长14 年。由此可 见, 主动防护比被动防护效果优良, 特别是试验 研究表明, 对于既有病害桥梁, 若仅用聚合物水 泥砂浆桥梁裂缝 修补已部分失效的保护层, 则会加剧未裂桥梁缝 修补处的钢筋锈蚀电化学反应, 而利用迁移式 阻锈剂类材料进行综合整治, 则无此弊端。因 此, 采用主动防护的桥梁裂缝修补方法较被动防护桥梁裂缝修补 方法更为可取, 应予以推广。

4　结论 对于既有钢筋混凝土桥梁结构承载能力不 足可采用多种方法予以补强, 其中FRP 法是一 种较理想的方法, 值得扩大试验应用范围。对于 既有钢筋混凝土桥梁结构混凝土坏化病害的整 治与桥梁裂缝修补, 应贯彻综合整治、“治病除根”的原 则。对于业已造成力筋及箍筋断面损失的混凝 土坏化病害, 除了须对已失效的混凝土利用聚 合物水泥砂浆进行桥梁裂缝修补、利用改性环氧树脂基 材料对裂缝进行注浆外, 尚宜利用阻锈剂类材 料抑制钢筋锈蚀电化学反应, 确保既有钢筋不 加速锈蚀, 在此基础上再进行结构补强, 即可达 到对病害综合整治、全面延长结构使用期限的 目的。 (来稿日期　2000- 01- 17) 深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析——仇文革等 41

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