【技術(shù)】粘貼鋼板和粘貼碳纖維對(duì)比及其在橋梁加固中實(shí)際應(yīng)用

粘貼鋼板和粘貼碳纖維是橋梁加固中常用的兩種被動(dòng)加固方法，都是采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠，將加固材料直接粘貼在被加固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉或抗剪薄弱部位，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，以提高結(jié)構(gòu)的承載力或剛度，改善受力狀態(tài)，限值裂縫的開展。兩種加固方法在材料性能、受力狀態(tài)、計(jì)算原理、加固效果等方面均存在不同，因此兩者有不同的適用范圍，在實(shí)際工程中我們應(yīng)加深認(rèn)識(shí)，區(qū)別應(yīng)用，使兩種方法盡量發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，物盡其用，達(dá)到一定的加固效果。

研究資料表明，粘貼碳纖維加固鋼筋混凝土梁，鋼筋屈服后，受拉區(qū)碳纖維不一定達(dá)到極限拉應(yīng)變而破壞；而粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁發(fā)生適筋梁破壞時(shí)，受拉鋼筋和鋼板屈服，受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變。在常用的粘貼范圍內(nèi)，粘貼4-8mm鋼板對(duì)梁的承載力和剛度提高效果都優(yōu)于粘貼2-3層碳纖維布，粘貼碳纖維布加固沒有發(fā)揮材料的高強(qiáng)度作用，對(duì)構(gòu)件受壓區(qū)混凝土、受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力改善不明顯。粘貼碳纖維布適用于構(gòu)件抗裂加固；粘貼鋼板加固適用于提高梁的承載力和整體剛度。

基于上述認(rèn)識(shí)，本文通過實(shí)際工程，對(duì)橋梁不同構(gòu)件不同缺損狀況加以計(jì)算分析和探討，對(duì)癥施治，分別采用兩種方法進(jìn)行加固，希望對(duì)同類工程提供參考和借鑒。

1.1 橋梁基本資料

G307國道獻(xiàn)縣境內(nèi)滏陽新河大橋上部結(jié)構(gòu)采用13×16m裝配式普通鋼筋混凝土簡支空心板，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁全長224m，設(shè)計(jì)交角135°，橋梁寬度：0.5m護(hù)欄+凈11.5m+0.5m護(hù)欄，橋梁全寬12.5m；設(shè)計(jì)荷載：汽-20級(jí)，掛車-100。經(jīng)橋梁檢測(cè)中心和養(yǎng)護(hù)管理單位檢測(cè)評(píng)定，該橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為三類。

1.2 橋梁主要缺損狀況

1.3缺損原因分析

1、G307公路交通量大，使得橋梁技術(shù)狀況下降、適應(yīng)度不足。

2、空心板底局部裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫，是由于空心板底未設(shè)置通氣孔，致使養(yǎng)護(hù)積水和橋面積水滲漏進(jìn)入孔洞內(nèi)無法排出，積水處混凝土發(fā)生集料反應(yīng)，加之凍融作用，形成網(wǎng)狀裂縫并伴有泛白現(xiàn)象。

3、空心板之間橫向連接較弱，各板受力不均勻，輪載作用位置單板受力過大，造成鉸縫脫落，橋面鋪裝縱向裂縫，伴有車轍和高低不平現(xiàn)象。

4、原設(shè)計(jì)瀝青混凝土橋面鋪裝配筋偏少，無抗剪鋼筋，造成橋面鋪裝強(qiáng)度不足，與空心板結(jié)合較差。

5、該橋?yàn)閺澠滦睒?，橋梁運(yùn)營使用中易出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)橫向位移、支座脫空等現(xiàn)象。

6、設(shè)計(jì)或使用狀態(tài)下承載能力不足。

7、施工、養(yǎng)護(hù)或其它等方面原因。

2.1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

2.2驗(yàn)算結(jié)果分析

根據(jù)上述驗(yàn)算結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，空心板抗彎和抗剪承載力均滿足設(shè)荷載要求，但抗彎承載力富余量和安全度不夠，橋墩蓋梁柱頂抗彎和抗裂均不能滿足設(shè)計(jì)荷載，在實(shí)際使用狀態(tài)下，由于超載作用和單板受力效應(yīng)，空心板抗彎承載力存在不足，因此空心板跨中和蓋梁柱頂部位需分別進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2.3 方案確定

根據(jù)前言所述，粘貼碳纖維布適用于抗裂加固，粘貼鋼板加固適用于提高梁的承載力和剛度。

通過上面驗(yàn)算分析，空心板跨中抗彎承載力滿足設(shè)計(jì)荷載，板底局部裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫（縫寬未超限），裂縫的存在和發(fā)展，可能造成鋼筋的銹蝕，降低空心板承載力，因此抑制裂縫發(fā)展是主要目的，適宜采用粘貼碳纖維法。碳纖維布粘貼于板底混凝土表面，由于浸漬底膠的滲透和粘結(jié)，不僅封閉了原有混凝土裂縫，其高強(qiáng)度和高模量還限制了混凝土裂縫的發(fā)展，同時(shí)適當(dāng)提高混凝土抗彎承載力，一舉兩得。

蓋梁柱頂負(fù)彎矩區(qū)為結(jié)構(gòu)裂縫，是正截面抗彎承載力不滿足設(shè)計(jì)荷載要求所致，因此采用粘貼鋼板加固，補(bǔ)充鋼筋不足，提高承載力和剛度更為適合。

3.1 上部結(jié)構(gòu)　　

1、澆筑橋面鋪裝混凝土之前，空心板頂采用植筋方式增設(shè)抗剪鋼筋（Φ12），每板頂兩列，順橋向間距40cm，縱向交錯(cuò)布置。

2、病害較嚴(yán)重空心板底（2-3、2-4、3-3、3-4、4-3、4-4、7-5、8-4、8-5、8-6、9-4、10-5#，共計(jì)12片)粘貼碳纖維布（CFRP）加固處理，碳纖維片材規(guī)格為300g/m2、設(shè)計(jì)厚度0.167mm、I級(jí)布材，采用單層縱向條帶狀密布粘貼，兩端設(shè)橫向壓條。

3、空心板底滲水嚴(yán)重處增設(shè)通氣孔，排出孔洞內(nèi)積水，使空心板孔洞內(nèi)保持通風(fēng)、干燥、清潔的狀態(tài)。通氣孔采用Φ14-16mm電錘（沖擊鉆）成孔，成孔直徑應(yīng)小于20mm；施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況（板底縱坡、裂縫滲水位置、鋼筋位置等）適當(dāng)調(diào)整成孔位置。鉆孔后應(yīng)對(duì)鉆孔引起的孔周混凝土保護(hù)層剝落、露筋或裂縫處進(jìn)行修補(bǔ)封閉處理。

3、鑿除并重作全橋空心板間鉸縫，采用微膨脹混凝土。

圖1　空心板粘貼碳纖維加固設(shè)計(jì)圖

3.2 下部結(jié)構(gòu)

1、橋墩蓋梁柱頂兩側(cè)面粘貼Q235鋼板（7000×250×8）加固，鋼板采用膨脹錨栓錨固，鋼板表面防腐處理后，采用2cm厚聚合物砂漿抹面；粘貼加固前應(yīng)先進(jìn)行蓋梁裂縫注漿封閉和粘貼部位的混凝土表面處理。

2、對(duì)橋梁下部及橋梁其余位置局部破損或裂縫處，進(jìn)行混凝土修補(bǔ)和裂縫封閉處理。

(a) 蓋梁立面

(b) 蓋梁側(cè)面

圖4　蓋梁加固設(shè)計(jì)圖

4.1底層處理

1、用裂縫修補(bǔ)膠灌注結(jié)構(gòu)裂縫。

2、將混凝土表面剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化部分清除，并進(jìn)行清洗、打磨，待表面干燥后，用修補(bǔ)材料將混凝土表面凹凸部位修復(fù)平整。如果有毛刺，應(yīng)用砂紙打磨。找平面用手觸摸感覺干燥后，才能進(jìn)行下一工序的施工。

3、粘貼處陽角應(yīng)打磨成圓弧狀，陰角以修補(bǔ)材料填補(bǔ)成圓弧倒角，圓弧半徑不應(yīng)小于25mm。

4.2 涂刷底膠

1、調(diào)制好的底膠應(yīng)及時(shí)使用，用一次性軟毛刷或特制滾筒將底膠均勻涂抹于混凝土表面，不得漏刷、流淌或有氣泡。待底膠固化后檢查涂膠面，如涂膠面上有毛刺，應(yīng)用砂紙打磨平順，如膠層被磨損，應(yīng)重新涂刷，固化后方可進(jìn)行下一道工序。

2、底膠固化后應(yīng)盡快進(jìn)行下一道工序，若涂刷時(shí)間超過7天，應(yīng)清除原底膠，用砂輪機(jī)磨除，重新涂抹。

4.3 粘貼纖維復(fù)合材料

1、雨天或空氣潮濕條件下不宜施工。

2、纖維復(fù)合材料粘貼宜在5℃～35℃環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，膠粘劑的選用應(yīng)滿足使用環(huán)境溫度的要求。

3、在待加固的混凝土表面按照設(shè)計(jì)圖紙放樣，確定纖維復(fù)合材料各層的位置。

4、按照設(shè)計(jì)尺寸裁剪纖維復(fù)合材料，纖維復(fù)合材料搭接長度不宜小于100mm，搭接位置宜避開主要受力區(qū)。裁剪的纖維布材必須呈卷狀妥善擺放并編號(hào)。已裁剪的纖維復(fù)合材料應(yīng)盡快使用。

5、粘貼纖維復(fù)合材料前應(yīng)對(duì)混凝土表面再次拭擦，確保粘貼面無粉塵。混凝土表面涂刷膠粘劑時(shí)應(yīng)做到膠體不流淌，膠體涂刷不出控制線，涂刷均勻。

6、粘貼立面纖維復(fù)合材料時(shí)應(yīng)按照由上到下的順序進(jìn)行。用滾筒將纖維復(fù)合材料從一端向另一端滾壓，除去膠體與纖維復(fù)合材料之間的氣泡，讓膠體滲透到纖維復(fù)合材料，浸潤飽滿。選用的滾筒應(yīng)在滾壓過程中不產(chǎn)生靜電作用。

7  當(dāng)采用多條或多層纖維復(fù)合材料加固時(shí)，在前一層纖維布表面用手指觸摸感到干燥后立即涂膠粘劑粘貼后一層纖維復(fù)合材料。

8  最后一層纖維復(fù)合材料施工結(jié)束后，在其表面均勻涂抹一層浸漬樹脂（面層防護(hù)），自然風(fēng)干。

5.1 混凝土表面處理

1、處理裂縫。

2、混凝土剝落處鋼筋除銹、環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。

3、表面清洗打磨，使粘貼面保持平整、清潔、干燥。

5.2 鋼板加工處理

1、對(duì)鋼板進(jìn)行放樣下料，下料宜采用工廠自動(dòng)、半自動(dòng)切割方法，切割邊緣表面光滑，無毛刺、咬口及翹曲等缺陷。

2、鋼板粘合面可用噴砂或平砂輪打磨直至露出金屬光澤，打磨紋路應(yīng)與鋼板受力方向垂直，鋼板粘合面應(yīng)有一定的粗糙度；鋼板外露面必須除銹至呈現(xiàn)金屬光澤并保持干燥。

3、按設(shè)計(jì)圖的錨栓孔位置在蓋梁側(cè)面鉆孔安裝部分膨脹錨栓（懸掛鋼板用，其余錨栓待鋼板粘貼后取孔安裝），為避開內(nèi)部鋼筋，容許適當(dāng)移動(dòng)鉆孔位置，應(yīng)采取措施使拱肋上鉆孔和鋼板鉆孔位置吻合。

4、將鋼板分別懸掛于相應(yīng)位置錨栓上并簡單固定，焊接成為整體。

5.3 配制膠黏劑

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