摘 要：隨著近年交通建設(shè)的迅速發(fā)展，車流密度和超載車輛的不斷增加，許多既有橋梁設(shè)計荷載較低，橋齡較長，其承載能力無法滿足交通需要，亟待對其進行加固改造。由于傳統(tǒng)加固方法的加固效果較差，目前國內(nèi)開始采用新型加固方法。本文介紹了日本SHO-BONO公司的鋼板粘合新型加固法，并應(yīng)用此方法進行實橋加固，得到了很好的效果。

關(guān)鍵詞：雙曲拱橋；拱肋粘貼鋼板；鋼板粘合加固法

中圖分類號：U445.7+2

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422（2012）05-0138-03

1 引言

建國以來，中國修建了大量的橋梁，這些橋梁為中國交通事業(yè)的發(fā)展作出了卓越的貢獻。但是，由于許多橋梁設(shè)計荷載較低，橋齡較長，無法滿足交通需要，亟待對其進行加固改造。由于重建費用高，而且阻斷交通，因此鋼板粘合加固法成為舊橋加固改造中的常用方法。鋼板粘合法就是通過具體的結(jié)構(gòu)計算設(shè)計出相應(yīng)的鋼板粘貼參數(shù)，然后在橋梁結(jié)構(gòu)的截面外部粘貼鋼板進行加固，從而提高橋梁承載力。此費用較低，施工操作安全高效，節(jié)約資金。本文將通過實例探討鋼板粘合法在舊橋加固中對結(jié)構(gòu)承載潛力的影響，以供擬訂橋梁加固方案時參考。

2 粘貼鋼板加固設(shè)計與計算原理

采用環(huán)氧樹脂系列粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高橋梁承載力的目的。其具有以下明顯優(yōu)點：

（1）不需要破壞原有結(jié)約。

（2）不增加原結(jié)構(gòu)尺寸，能夠保證原結(jié)構(gòu)的空間要求。

（3）加固施工時間短，不影響結(jié)構(gòu)的使用。

（4）技術(shù)簡單，容易保證質(zhì)量。

（5）與其他加固方法相比，經(jīng)濟易行。

（6）對需要保證原貌的橋梁結(jié)構(gòu)更為合適。

2.1粘貼鋼板加固設(shè)計

當(dāng)確定采用粘貼鋼板進行橋梁結(jié)構(gòu)加固后，首先應(yīng)根據(jù)病害與缺陷的所在部位，確定鋼板的規(guī)格和粘貼部位和形式。一般將鋼板粘貼在被加固的橋梁結(jié)構(gòu)受力部位的外邊緣，以便充分發(fā)揮粘貼的鋼板強度與作用，同時封閉粘貼部位和裂縫和缺陷，約束混凝土變形，從而有效地提高被加固構(gòu)件的剛度和抗裂性。設(shè)計時，可根據(jù)需要與可能在不同部分粘貼鋼板，有效地發(fā)揮粘鋼構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗壓性能。設(shè)計原則主要有以下幾點：

（1）為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力，一般在構(gòu)件的受拉緣表面粘貼鋼板，使鋼板與原結(jié)構(gòu)形成整體來受力，此時以鋼板與混凝土粘結(jié)處的混凝土局部抗剪切強度控制設(shè)計。合理與安全的設(shè)計應(yīng)控制在鋼板發(fā)生屈服變形前，粘結(jié)處混凝土不出現(xiàn)剪切破壞。

（2）當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力區(qū)斜筋不足，為了加固和增加結(jié)構(gòu)的抗剪切強度時，可將鋼板粘貼在結(jié)構(gòu)的側(cè)面，并垂直于剪切裂縫的方向斜向粘貼（斜度一般為45℃~60℃°），以承受主拉應(yīng)力。

（3）補強設(shè)計時，鋼板可作鋼筋的斷面來考慮，將鋼板換算成鋼筋，原有構(gòu)件承受恒載與活載，增加的鋼板承受原有構(gòu)件承受不了的那部分活載。

（4）在構(gòu)造設(shè)計時，加固用的鋼板可按實際需要采用不同的形狀，但鋼板的厚度必須比計算出的厚度大些。用于抗彎能力補強的鋼板尺寸應(yīng)盡可能薄而寬、厚度一般為4~6mm，因較薄的鋼板能有足夠的彈性來適應(yīng)構(gòu)件表面形狀。而用于抗剪能力提高的鋼板厚度宜厚些，可依設(shè)計而定，一般采用10~15mm。

（5）設(shè)計鋼板長度時，應(yīng)將鋼板兩端延伸到低應(yīng)力區(qū)，以減少鋼板錨固端的粘結(jié)應(yīng)力集中，防止粘結(jié)部位構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或粘貼鋼板被拉脫現(xiàn)象的發(fā)生。

（6）粘貼鋼板加固橋梁，如何確保鋼板和被加固構(gòu)件形成整體受力是加固成功與否的關(guān)鍵，所以，在加固設(shè)計時，除應(yīng)考慮鋼板具有足夠的錨固長度、粘結(jié)劑具有足夠的粘結(jié)強度和耐久性外，為避免鋼板在自由端脫膠拉開，端部可用夾緊螺栓固定，或設(shè)置U形箍板、水平錨固板等，并在鋼板上按一定的距離用螺栓固定，確保鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力滿足抗拉或抗剪強度的需要。

除以上設(shè)計原則外，對于粘貼鋼板加固設(shè)計中抗彎性能和抗剪性能應(yīng)作如下考慮：

（1）對于抗彎性能：由于粘貼鋼板后結(jié)構(gòu)的粘鋼部分和沒有粘鋼部分存在剛度差別，見圖1，使粘鋼結(jié)構(gòu)的剛度變化處有較大的應(yīng)力和應(yīng)變突變，結(jié)構(gòu)常易在接頭部分開裂而導(dǎo)致破壞，使鋼板不能達到其應(yīng)有的抗彎強度。因此應(yīng)考慮粘貼鋼板時鋼板的厚度不宜過厚，避免結(jié)構(gòu)在剛度不同的斷面處出現(xiàn)裂紋。另外，粘貼鋼板的起點應(yīng)盡可能地靠近支座，以減小其主拉應(yīng)力，從而減少突變破壞的概率。從受力觀點看，加固的鋼板滿布梁底伸到支座以外更好。當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗彎強度需要較厚的鋼板時，可采用變厚度鋼板，見圖2。如條件限制難以實現(xiàn)，則可考慮其他加固方式，如粘貼碳纖維布方式。

（2）對于抗剪性能：結(jié)構(gòu)粘貼鋼板進行加固后，結(jié)構(gòu)的抗剪能力也有一定的提高，試驗證明，對于不同配筋和采用不同的鋼板規(guī)格加固的結(jié)構(gòu)，其抗剪強度都有所提高，提高的幅度為2%-20%。但設(shè)計中，為了安全起見，不考慮此部分抗剪強度的提高。另外，由于結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力跡線，以簡支梁為例見圖3，抗剪加固設(shè)計時應(yīng)該使粘貼的鋼板和結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力跡線一致，見圖4，粘貼在梁的側(cè)面。這樣，可以減少結(jié)構(gòu)開裂，使結(jié)構(gòu)中混凝土的抗剪能力得到較為充分的利用。當(dāng)然，從力學(xué)觀點上看，抗剪鋼板在粘貼時從底面到兩側(cè)面布置成U形最好，可減緩裂縫繞過鋼板發(fā)展，但這也可能會增加施工難度。

2.2粘貼鋼板加固的計算方法

2.2.1受彎構(gòu)件載面強度不足時，在受拉區(qū)加固，可采取在受拉區(qū)表面粘貼鋼板，如圖5。此時，載面受彎承載力計算，可按照現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定進行，其受壓區(qū)高度和截面受彎承載力可分別按下列兩式計算確定：

（1）

（2）

式中：

fyo——原構(gòu)件縱向鋼筋抗拉強設(shè)計值；

ASo——原構(gòu)件縱向受拉鋼筋截面面積；

fay——加固鋼板抗拉強度設(shè)計值；

Aa——加固鋼板截面面積；

f 'yo——原構(gòu)件縱向受壓鋼筋抗壓強度設(shè)計值；

A'So——原構(gòu)件縱向受壓鋼筋截面積；

fcmo——原構(gòu)件混凝土彎曲抗壓強度設(shè)計值；

X——混凝土受壓區(qū)高度；

b0——原構(gòu)件的寬度；

h0——原構(gòu)件的有效高度；

a'So——原構(gòu)件受壓區(qū)保護層厚度；

0.9—考慮加固鋼板的應(yīng)力滯后以及撕脫力影響等強度折減系數(shù)。

2.2.2鋼板錨固長度計算

受拉鋼板在其加固點外的錨固粘結(jié)長度L1按下式計算確定：

（3）

式中：

ta——受拉加固鋼板厚度；

fev——被粘混凝土抗剪強度設(shè)計值。

式中數(shù)值2為錨固區(qū)剪應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，近似按三角形考慮。

若鋼板粘結(jié)長度無法滿足以上要求，可在鋼板的端部錨固區(qū)粘結(jié)U形箍板，見圖6。

此時，錨固區(qū)的長度應(yīng)滿足下列規(guī)定：

當(dāng) 時，

（4）

當(dāng) ，時，

（5）

式中：n——每端箍板數(shù)量；

bu——箍板寬度；

Lu——箍板單技的梁側(cè)混凝土的粘結(jié)長度；

fcy——鋼與鋼粘結(jié)抗剪強度設(shè)計值。

2.2.3斜截面用粘結(jié)鋼板加固計算

當(dāng)構(gòu)件斜截面受剪承載力不足時，可按圖7所示方法粘結(jié)并聯(lián)U形箍板進行加固。此時斜截面承載力可按下式計算確定：

（6）

同時，必須滿足以下條件，

（7）

式中：

V——斜截面剪力設(shè)計值；

V0——原構(gòu)件斜截面受剪承載力設(shè)計值；

Aal——單肢箍板截面面積；

s——箍板軸線間距。

3 粘貼鋼板、鋼筋加固施工工藝

3.1粘貼鋼板法施工工藝

3.1.1粘貼鋼板加固施工要點如下：

（1）待粘貼部位的混凝土表面應(yīng)清鑿平順、堅硬干凈。

（2）鋼板除銹要徹底，且表面應(yīng)有一定的粗糙度。

（3）慎重選擇膠粘材料，配膠要精確，施工時開始固化的膠不得再用。

（4）粘貼時注意環(huán)氧砂漿飽滿，一般在混凝土表面及鋼板表面分別涂刷一層均勻的環(huán)氧砂漿薄層，合計層厚約2mm，然后加壓使之密貼并使之固定（粘結(jié)劑固化前應(yīng)有措施使鋼板固定并夾緊）。

（5）粘貼前在混凝土構(gòu)件上鉆孔并安裝錨固螺栓（兼作固定件和壓緊件）要求埋設(shè)牢固，具有可靠的抗拔力，以保持粘貼鋼板時有效地加壓，同時還可幫助鋼板克服剪切，有利于粘貼的耐久作用。

（6）對鋼板外表面進行防銹處理和被加固部位構(gòu)件的外觀處理。

3.1.2粘結(jié)劑配用應(yīng)遵守下列安全規(guī)定：

（1）配制和使用場所，必須通風(fēng)良好，并應(yīng)配備有各種必要的滅火器等設(shè)備。

（2）配制粘結(jié)劑的原料應(yīng)密封貯存，遠離火源，避免陽光直接照射。

（3）操作人員應(yīng)穿工作服，截防護口罩和手套。

3.1.3工程質(zhì)量檢查

撤除臨時固定設(shè)備后，應(yīng)用小錘輕輕敲擊粘結(jié)鋼板，從音響判斷粘接效果、或用超聲波法檢測粘結(jié)密實度。如錨固區(qū)粘結(jié)面積少于90%，非錨固區(qū)粘結(jié)面積少于70%，則此粘結(jié)件無效，應(yīng)剝下重新粘結(jié)。

對于重大工程，為實際檢驗其加固效果，可抽樣進行荷載試驗，一般僅做標準使用荷載試驗，即將卸去的荷載全部重新加上，其結(jié)構(gòu)的變形和裂縫開展應(yīng)滿足設(shè)計使用要求。

4 實例

4.1 工程概況

大江口大橋位于懷化市溆浦S308省道上，始建于1971年，荷載等級為汽車-20級，掛車－100，橋梁全長442.5m，橋面凈寬6.8（行車道）+2×1.6m（人行道）=10.0m。其上部結(jié)構(gòu)為2跨石板拱橋+5跨雙曲拱橋，其中主跨凈跨徑100.5m的鋼筋混凝土雙曲拱，凈矢跨比1/10；其余雙曲拱凈跨徑為58m，凈矢跨比1/7.84。兩岸橋臺采用U形橋臺。

該橋自建成通車以來，由于種種原因，主跨拱頂下?lián)希绊敹慰v肋開裂，1/4點處產(chǎn)生縱向裂縫，因此該橋1990年進行了主跨加固(采取拱頂實腹段減載，拱肋下緣粘貼玻璃鋼進行加固)。2003年在原有橋面進行過加鋪。但是隨著近年交通建設(shè)的迅速發(fā)展，車流密度和超載車輛的不斷增加，主跨承載能力已不能滿足要求：下部橋墩縱裂嚴重；拱波有局部裂縫。該橋被評定為四類危橋，亟待對其進行加固改造。橋型布置圖見圖8。

4.2 設(shè)計標準

1）荷載等級：公路－Ⅱ級，人群荷載：3kN/m2

2）橋梁寬度：凈7m（行車道）+2×1.25m（人行道）+2×0.25m（人行道欄桿）=10.0m

3）設(shè)計縱坡：保持加固前橋面縱坡；設(shè)計橫坡：1.5%

4）設(shè)計洪水頻率：1/100

4.3 加固改造設(shè)計要點

根據(jù)原設(shè)計的拱軸線型和結(jié)構(gòu)各部分尺寸及組成材料強度，對大江口大橋結(jié)構(gòu)的受力性能計算分析表明：大江口大橋其結(jié)構(gòu)承載力已不能滿足現(xiàn)在的交通要求，必須對大橋的主要承重結(jié)構(gòu)進行加固，加固主要內(nèi)容包括：

1）對3號~4號跨每條拱肋粘貼1cm厚的鋼板，使之與原結(jié)構(gòu)形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高橋梁承載力的目的。加固后主拱圈斷面見圖9。

2）對全橋拱波裂縫采用微膨脹水泥漿液封閉裂縫；

3）對1號~6號橋墩采用環(huán)氧樹脂修補橋墩混凝土裂縫，再外包15cm厚C25鋼筋砼在橋墩外側(cè)設(shè)置一層鋼筋網(wǎng)，再外包10cm厚C25砼，以提高橋墩的抗風(fēng)化性及抗裂性；

4）鑿除原有橋面8cm，新作8cm厚鋼筋砼行車道板面層，重做人行道系；

5）針對懷化側(cè)橋頭跳車問題，橋頭增設(shè)搭板；

6）對1號~2號跨靠近1號墩處第一個腹拱拱頂采用聚合物砂漿修補；

7）0號~1號跨上游側(cè)拱上側(cè)墻采用壓環(huán)氧砂漿封閉裂縫。

4.4 施工要點

1）因不能中斷交通，施工采用半幅施工，上部施工過程實行交通管制，車輛實行單邊單列限速通行，行車速度不超過10km/h，車輛限載13t。

2）施工中嚴格遵循《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

3）拆除和安裝人行道系時必須以墩頂為中心對稱、均衡進行。

4) 半幅施工時注意行車道板橫向鋼筋應(yīng)在施工縫處電焊連接。

5) 應(yīng)嚴格控制橋面標高，新澆行車道板標高不能超過現(xiàn)有橋面標高；縱坡保持與原橋面縱坡一致。

6）行車道板澆筑完成待早強后應(yīng)及時切縫，切縫位置必須準確。

7）混凝土剝落處采用ZV型混凝土修補膠與普通水泥及中砂配制成聚合物修補砂漿進行修補。

8）3~4號跨主拱圈拱肋粘貼鋼板施工工序：

a.在鋼板上鉆螺栓孔（孔徑比膨脹螺栓的套筒直徑大4mm左右）和注入孔（直徑10mm）；

b.在鋼板的貼合面上每個螺栓孔周圍用101號膠粘3個4mm厚的小螺母，用來控制膠層厚度和在緊固螺栓時保持鋼板不變形。（101號膠和GROUT膠的使用方法和注意事項見材料說明。）

c.設(shè)置掛籃平臺，拆除拱肋下緣粘貼的玻璃鋼，鑿除貼合面上已疏松的混凝土。

d.混凝土缺損處用101號膠或CARBO 100材料修補平整，恢復(fù)原來形狀。缺損大的地方可在安裝鋼板時填充粒徑5-10mm的干燥、潔凈石子，待灌注后使其與GROUT膠結(jié)合為一體。裸露的鋼筋用角向砂輪除銹，并刷防護涂料（可用GROUT膠）。

e.把鋼板擺放到貼合面，加以臨時支撐固定。對應(yīng)螺栓孔位置在混凝土上鉆孔，如遇鋼筋可打成斜孔避開。鉆完孔后，取下鋼板，用棉紗清除灰塵、碎屑后，將鋼板重新安裝在各螺栓上，擰緊螺母。

f.段與段間鋼板先采用雙面斜焊縫連接，然后拼接處采用寬度為30cm的窄條鋼板從外側(cè)搭接，搭接部分同樣要設(shè)置注入孔座并粘結(jié)4mm厚的螺母，借用下層鋼板的膨脹螺栓加以固定。

g.在鋼板周邊每隔約50cm插入一根15cm長，內(nèi)徑7mm的軟塑料管作為排氣管，插入鋼板下2cm。鋼板的各角應(yīng)有排氣管。對傾斜或垂直安裝的鋼板只需在頂邊插排氣管。

h.用抹刀抹101號定注入座、密封鋼板周邊、粘結(jié)蓋碗扣住螺栓頭。注入座周圍抹膠范圍應(yīng)達直徑8cm左右，呈錐形包覆注入座的底板。鋼板周邊的封口膠應(yīng)呈等腰直角三角形截面，特別注意排氣管周圍的密封。

i.101號膠自然養(yǎng)生至完全固化后(約10~24小時)，用泵通過耐壓管和注入座注入GROUT。從鋼板的一端開始注，對傾斜或垂直安裝的鋼板要從位置最低處開始注。一邊注一邊用橡皮錘輕敲鋼板，由聲音判斷是否注滿。應(yīng)以中速灌注，以免壓力過大發(fā)生意外情況。

此外，由于鋼板進料長度的限制，粘貼鋼板須焊接接長，其焊接應(yīng)按鋼板對接受拉焊縫要求辦理；由于膨脹螺栓僅起懸掛鋼板的作用，鋼板與拱肋底緣間力的傳遞是通過固化GROUT填充體與拱肋底表面、鋼板粘貼面三者實現(xiàn)的。因此，施工中應(yīng)特別注意相關(guān)工序的施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

5.1日本SHO-BONO混凝土結(jié)構(gòu)鋼板粘合加固法

本次設(shè)計中拱肋下緣采用日本SHO-BONO公司混凝土橋梁結(jié)構(gòu)鋼板粘合加固法進行加固補強。這種加固方法具有以下優(yōu)點：

1）方法簡單，施工操作安全高效，加固效果可靠。

2）據(jù)需要增強構(gòu)建的抗彎、抗剪等能力，顯著提高承載能力，延長使用壽命。

3）鋼板通過結(jié)合力強大的高分子樹脂粘結(jié)材料與原有構(gòu)件緊密結(jié)合為一體，共同承擔(dān)載荷，鋼板的作用如同混凝土內(nèi)部的鋼筋。

4）采用獨特的密封灌注法，保證貼合充分密實，與傳統(tǒng)的涂抹壓貼法截然不同。

5）鋼板貼合部位的混凝土受到約束，能控制已有裂縫的擴展，防止新裂縫紋的產(chǎn)生。

6）材料耐久性強，可實現(xiàn)永久性修復(fù)。

7）環(huán)境溫度在5-35°C范圍內(nèi)均可施工。

5.2加固后荷載試驗鑒定

大江口大橋經(jīng)加固施工后，有關(guān)檢測部門對該橋進行了改造后的靜、動載評估鑒定試驗（試驗數(shù)據(jù)略）。試驗結(jié)果表明加固后大橋的靜、動力性能均能滿足設(shè)計要求，達到了加固設(shè)計的預(yù)期效果。

通過此次的加固改造，大橋的承載能力得到很大的提高，通行能力較以前也有很大的提高，該橋加固后營運至今，經(jīng)跟蹤觀察使用情況良好。在大江口大橋這樣的雙曲拱橋進行加固改造上，在主拱圈下粘貼鋼板使之與原結(jié)構(gòu)形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高橋梁承載力的目的加固方案充分體現(xiàn)了它工期短、費用省、概念明確、改造較徹底的優(yōu)點，具有一定的借鑒和推廣價值。

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