鋼筋混凝土橋墩加固技術(shù)研究

鋼筋混凝土橋墩加固技術(shù)研究

0鋼筋混凝土橋墩在地震中的應(yīng)用效果根據(jù)中國(guó)國(guó)際交通部的統(tǒng)計(jì)，自2009年底以來，中國(guó)共有62.19萬座橋梁和726.06萬米。其中特大橋梁1699座、288.66萬m,大橋42859座、981.90萬m,其中,有相當(dāng)部分的橋梁是在20世紀(jì)60—70年代修建的,隨著行車密度及車輛載重的增加,尤其是超載對(duì)橋梁的嚴(yán)重破壞,有相當(dāng)一部分橋梁已滿足不了使用要求;另外,國(guó)內(nèi)外近20年來的破壞性地震中,如1990年伊朗大地震、1995年日本阪神大地震、1999年臺(tái)灣“集集”地震、2008年汶川大地震以及2010年玉樹地震,大量的鋼筋混凝土橋墩在地震中破壞而導(dǎo)致整座橋梁的倒塌,橋梁是交通樞紐的“咽喉”,橋墩破壞將導(dǎo)致生命線的中斷,對(duì)經(jīng)濟(jì)和人員傷亡所造成的損失將不可估量。因此,無論對(duì)于舊危橋的承載力加固、抗震能力不足的抗震加固,還是地震中已經(jīng)損壞的橋梁的加固修復(fù),鋼筋混凝土的橋墩加固與修復(fù)技術(shù)都具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼筋混凝土橋墩加固技術(shù)進(jìn)行了大量研究,但目前的研究多以試驗(yàn)驗(yàn)證或機(jī)理分析為主,未能與工程應(yīng)用很好地結(jié)合,本文以工程應(yīng)用為指導(dǎo)思想,研究總結(jié)了幾種國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)加固技術(shù)及抗震加固技術(shù),包括增大截面加固技術(shù)、嵌入加固技術(shù)、體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)、鋼套管加固技術(shù)、FRP加固技術(shù)、繞絲加固技術(shù)及“狗骨式筋”修復(fù)縱筋技術(shù),為鋼筋混凝土橋墩加固工程的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。1鋼筋混凝土橋墩加固技術(shù)1.1增強(qiáng)加固構(gòu)件的自振能力增大截面加固技術(shù)是增大構(gòu)件的截面面積和配筋的一種常規(guī)加固技術(shù),其不僅可以提高被加固構(gòu)件的承載能力,而且還可以加大其截面剛度,改變其自振頻率,改善正常使用階段的性能。根據(jù)加固材料和加固工藝的不同,可分為混凝土外包加固法、噴射砂漿加固法。1.1.1墩柱加固方法混凝土外包加固法是在原有柱子的表面外包混凝土并增加縱向鋼筋和箍筋。混凝土具有較大的可塑性,可以對(duì)各種截面形式墩柱進(jìn)行加固,且加固方式可采用全截面加固法和部分截面加固法。當(dāng)墩柱身出現(xiàn)大面積網(wǎng)裂、風(fēng)化、剝落、缺損,影響橋梁正常使用,可采用該加固方法。具體加固施工工藝為:在墩柱周身鉆孔,植入錨固鋼筋,將制作好的鋼筋網(wǎng)焊接在錨固鋼筋上,最后在墻體外澆筑一層≥10cm厚的C30以上混凝土?；炷镣獍庸谭ㄔ谠O(shè)計(jì)構(gòu)造方面必須解決好新加部分與原有部分的整體工作共同受力問題。1.1.2噴射纖維砂漿加固法噴射砂漿加固法即在原有橋墩表面設(shè)置致密的鋼筋網(wǎng),采用摻有纖維的高性能砂漿噴射覆蓋,最后用涂料進(jìn)行外表面保護(hù),實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩的增大截面加固,其關(guān)鍵工藝如圖1所示。其將鋼筋網(wǎng)與砂漿聯(lián)合使用,可很好地在結(jié)合面上傳遞拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,同時(shí),在高速噴射狀態(tài)下能使砂漿進(jìn)入待加固的孔隙和裂縫中,使原結(jié)構(gòu)得到一定程度的恢復(fù),能大幅度地提高原有橋墩的承載力,加強(qiáng)整體性,這種加固技術(shù)在日本稱之為噴射纖維砂漿加固法(簡(jiǎn)稱SRS工法)。該加固技術(shù)具有以下特點(diǎn):(1)無需繁瑣的施工工藝和特殊的施工技術(shù),適合于重型施工機(jī)械不便于操作及施工空間有限制的橋墩加固;(2)砂漿屬無機(jī)膠凝材料,比有機(jī)加固材料更抗老化、耐久性更好,與基材的協(xié)調(diào)性、滲透性更好;(3)相比于普通混凝土外包加固法,該方法較大幅度地減少了加固后的截面面積,減輕了自重。1.2混凝土墩柱的復(fù)合加固技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況所謂嵌入式加固技術(shù)(nearsurfacemounted,簡(jiǎn)稱NSM),是將加固棒材(高強(qiáng)鋼筋、FRP筋等)嵌入結(jié)構(gòu)表面(混凝土保護(hù)層)預(yù)先開好的槽中,并向槽中注入樹脂黏結(jié)材料使之形成整體,以此來改善結(jié)構(gòu)性能的方法。嵌入式加固法與外貼式材料加固相比,除具有高強(qiáng)、高效、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外,還具有下列優(yōu)點(diǎn):(1)表面處理工作量降低,節(jié)省工期;加固的棒材由于放在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,避免棒材受到火災(zāi)破壞,抗沖擊性能、耐久性能等得以提高;開槽后有三個(gè)面參與棒材與樹脂的黏結(jié),界面接觸面積增大,加固棒材的黏結(jié)性好,強(qiáng)度得到更有效的發(fā)揮。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的研究主要局限于混凝土梁的研究,對(duì)混凝土墩柱的研究還未見研究報(bào)道。日本在墩柱的嵌入式加固研究與應(yīng)用較廣泛,日本AT工法研究會(huì)提出了采用PCM(聚合物水泥砂漿)覆蓋高強(qiáng)鋼筋嵌入式加固技術(shù)(AT-PD工法),該技術(shù)是通過在加固結(jié)構(gòu)四周設(shè)置嵌入結(jié)構(gòu)表面的縱向鋼筋,用環(huán)氧樹脂填充開槽,并用橫向輔助鋼筋環(huán)向焊接增強(qiáng),最后進(jìn)行砂漿保護(hù)層及涂料覆蓋,適用于鋼筋混凝土橋墩的加固補(bǔ)強(qiáng)(見圖2)。該加固技術(shù)顯著的工藝特點(diǎn)為:(1)加固后增加的截面厚度是常規(guī)鋼筋混凝土加固厚度的1/8,是傳統(tǒng)PCM加固體積的1/2以下;(2)對(duì)處于河道中的橋墩加固后的流水阻力基本不增加;(3)通過減少聚合物材料的使用顯著減低了施工成本;(4)既有結(jié)構(gòu)表面直接嵌入加固鋼筋,在混凝土截面不增加的情況下顯著提高了承載力;(4)加固后重量的增加很少,與傳統(tǒng)加固方法相比極大地減少了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及地基的附加荷載。AT-PD工法可以是對(duì)橋墩整體進(jìn)行加固,也可以對(duì)橋墩某一節(jié)段進(jìn)行加固,具體選擇可根據(jù)橋墩的現(xiàn)狀來決定,這種加固技術(shù)由于有諸多優(yōu)點(diǎn),對(duì)我國(guó)橋梁的加固有很高的借鑒價(jià)值。1.3預(yù)應(yīng)力的加固體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)由于預(yù)應(yīng)力的作用可以將裂縫中的荷載效應(yīng)抵消一部分,則從根本上解決橋墩產(chǎn)生裂縫的原因,改變墩身受力狀況,既可以對(duì)已存在的裂縫有所補(bǔ)救,同時(shí)又能防止裂縫的發(fā)展和新裂縫的產(chǎn)生。通過預(yù)應(yīng)力的施加可使加固材料與原結(jié)構(gòu)有效地結(jié)合,并在一定程度上減小了新舊材料間應(yīng)力水平的差異,充分發(fā)揮加固材料的優(yōu)勢(shì)。目前用于預(yù)應(yīng)力加固的材料主要為鋼絲束、鋼絞線和FRP,預(yù)應(yīng)力施加方式為縱向和橫向。1)橋墩橫向裂縫的預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)橋墩由于車輛豎向及水平?jīng)_擊荷載、溫度荷載、墩柱樁基的不均勻下沉及施工缺陷等因素引起的橫向裂縫,可采用豎向預(yù)應(yīng)力加固技術(shù),通過在橋墩上鉆孔施加豎向預(yù)應(yīng)力,增加橋墩壓應(yīng)力儲(chǔ)備,增大安全系數(shù),間接增加結(jié)構(gòu)耐久性和安全性。文獻(xiàn)介紹了采用豎向預(yù)應(yīng)力錨索加固舊橋墩工程實(shí)例,關(guān)鍵工藝包括鉆孔、安裝錨索、錨固灌漿及張拉,這種通過施加豎向預(yù)應(yīng)力錨索的加固方式有效抑制了橋墩橫向裂縫的發(fā)展,提高了橋墩的承載力。2)橋墩豎向裂縫的預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)橋墩由于頂部配筋不足、支座位置布置不當(dāng)、混凝土收縮變形及使用荷載增加等因素引起的豎向裂縫,可采用橫向張拉高強(qiáng)鋼絲束來加固原有橋墩,利用體外導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力,對(duì)墩身形成壓力和彎矩,從而改善墩身的應(yīng)力。文獻(xiàn)介紹了采用橫向張拉高強(qiáng)鋼絲束來加固舊橋墩工程實(shí)例,結(jié)果表明橋墩裂縫沒有任何發(fā)展,橋墩受力得到很大的改善。2鋼筋混凝土橋墩的抗疲勞蓋和修復(fù)技術(shù)2.1套管柱的加固1985年由Tomii,sakino和肖巖等提出的一種結(jié)構(gòu)形式,即對(duì)鋼筋混凝土墩柱采用鋼管作為橫向約束使套管柱僅承受橫向力。將鋼管與墩柱之間預(yù)留縫隙,避免縱向應(yīng)力直接傳遞到鋼管縱向上及反復(fù)荷載下局部的應(yīng)力集中,如圖3a所示。由于能夠?qū)诵幕炷吝M(jìn)行有效約束,使用套管柱修復(fù)加固可以大大提高橋墩的抗剪強(qiáng)度、延性和軸向承載力。對(duì)于圓截面墩柱,可使用2個(gè)稍大于柱直徑的滾軋成型半圓薄壁鋼殼,放置在需要加固的位置并現(xiàn)場(chǎng)焊接其豎向接口,用水泥砂漿充填焊接鋼管與既存墩柱之間的空隙(見圖3b)。對(duì)于矩形或方形橋墩的加固,如果采用同原截面形式相同的鋼套管加固,柱墩產(chǎn)生較大的側(cè)向位移時(shí),鋼套管很容易發(fā)生塑性鉸區(qū)域的屈服,Priestley等人建議采用橢圓形鋼套管的加固方式,以提供類似于圓柱套管的連續(xù)約束作用,加固結(jié)構(gòu)之間的空隙可用同強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行填充(見圖3c)。2.2抗彎性能分析在鋼筋混凝土橋墩加固和修復(fù)中,FRP片的包裹方向分為兩種:沿橋墩橫向和豎向。橫向包裹的FRP材料可起到與箍筋相似的作用,可以對(duì)核心混凝土形成有效約束,提高了橋墩的抗剪強(qiáng)度和延性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩的抗震加固;而豎向的FRP材料主要是提高橋墩的抗彎能力。FRP對(duì)圓形和矩形或方形截面的約束作用有較大的差別,FRP約束圓形截面時(shí),FRP沿著圓周對(duì)混凝土提供了均布的側(cè)向約束力,整個(gè)截面都能得到均勻有效的約束,約束效果較好,強(qiáng)度和延性的提高都很顯著。FRP約束矩形或方形截面時(shí),由于其側(cè)向剛度較小,FRP在截面邊長(zhǎng)的中部會(huì)因?yàn)榛炷恋呐蛎浵蛲鈴澢?對(duì)應(yīng)部分的混凝土將得不到有效約束,而截面角部相當(dāng)于支點(diǎn),相鄰角部的弧形區(qū)域形成拱的作用,由于這一作用,使得角部及截面中心部分尚能得到較好約束。所以在矩形或方形橋墩截面加固時(shí),要盡量使倒角半徑大些,以得到更好的加固效果。圖4給出了包裹FRP加固技術(shù)不同截面形式構(gòu)造及實(shí)例。2.3環(huán)向約束變形技術(shù)應(yīng)用繞絲加固技術(shù)即利用高強(qiáng)鋼絲繩纏繞鋼筋混凝土墩柱,利用環(huán)箍約束的原理進(jìn)行墩柱的加固,繞絲加固能顯著地提高墩柱軸壓承載力和抗震性能。文獻(xiàn)介紹了高強(qiáng)鋼絲繩加固混凝土軸心受壓圓柱體試件的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明繞絲約束,可較大幅度地提高軸壓短柱的極限承載力,有效地約束混凝土側(cè)向變形,顯著提高短柱的變形能力;文獻(xiàn)給出了環(huán)向纏繞鋼絲加固混凝土矩形墩柱的抗震性能結(jié)果試驗(yàn),繞絲加固墩柱可實(shí)現(xiàn)短柱的彎曲破壞,強(qiáng)度退化緩慢,耗能能力強(qiáng)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于繞絲加固技術(shù)還只是停留在試驗(yàn)研究階段,日本對(duì)這一技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到建筑物的抗震加固,日本的Magne公司研究開發(fā)了阻燃復(fù)合材料PPMG水泥砂漿及鋼筋纏繞加固建筑物混凝土柱抗震技術(shù)(PPMG-CR工法),該加固技術(shù)可對(duì)混凝土柱進(jìn)行整體加固,也可部分加固。圖5為某車庫混凝土柱的主要施工工藝,包括鋼絲纏繞、水泥砂漿增厚等。該加固技術(shù)主要特點(diǎn):(1)加固后截面厚度增加較少,僅為50~60mm;(2)施工過程中不需要模板,可以邊施工邊目測(cè)施工質(zhì)量,減少了施工缺陷;(3)減少施工材料消耗,在狹小的空間也可以正常施工。由于繞絲加固技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),其在橋墩的抗震加固領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用空間。2.4空心截面橋墩加固加固技術(shù)試驗(yàn)研究“狗骨式筋“修復(fù)縱筋技術(shù)就是將高強(qiáng)鋼材制成狗骨式鋼筋拉桿,通過焊接等工藝手段將鋼筋拉桿與橋墩中被拉斷的縱向鋼筋相連修復(fù),增加橋墩的變形能力和恢復(fù)承載力,由臺(tái)灣學(xué)者Cheng等人于1997年提出的一種專門修復(fù)橋墩震后縱筋拉斷或嚴(yán)重屈曲的修復(fù)技術(shù),如圖6所示。文獻(xiàn)介紹了采用“狗骨式”筋修復(fù)縱筋技術(shù)對(duì)空心截面橋墩修復(fù)加固的抗震性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究表明,“狗骨式”筋可以對(duì)空心截面橋墩由于外層鋼筋拉斷而引起的彎曲破壞進(jìn)行有效的修復(fù),FRP材料增加了柱子的極限位移并減少了剪切變形,恢復(fù)了抗剪承載力,使墩柱的彎剪破壞變?yōu)閺澢茐?。該修?fù)加固技術(shù)具體工藝為:(1)清除破壞區(qū)域松散的混凝土;(2)對(duì)拉斷和嚴(yán)重屈曲的縱向鋼筋用“狗骨式”筋替換,并重新設(shè)置箍筋;(3)對(duì)重新連接替換后的壓碎混凝土部分用早強(qiáng)無收縮混凝土進(jìn)行填充;(4)根據(jù)不同的加固位置和加固目的用不同層數(shù)的FRP材料纏繞約束橋墩。采用“狗骨式”筋修復(fù)縱筋技術(shù)需要考慮兩方面的關(guān)鍵技術(shù):(1)“狗骨式”筋的長(zhǎng)度;(2)“狗骨式”筋與原有結(jié)構(gòu)縱筋的連接方式。對(duì)于“狗骨式”筋的中央長(zhǎng)度,Cheng等人提出按塑性鉸長(zhǎng)度及地震來考慮,目的是使加固后的墩柱獲得合適的低周疲勞壽命。對(duì)于“狗骨式”筋與原有結(jié)構(gòu)縱筋的連接方式可考慮采用焊接的方式可靠連接,如圖6b所示?！肮饭鞘健苯钚迯?fù)縱筋技術(shù)對(duì)于橋墩的震后修復(fù)加固具有很好的加固效果,值得借鑒。3加固橋墩的技術(shù)比較上面介紹了鋼筋混凝土橋墩不同的加固及修復(fù)技術(shù),各種技術(shù)有各自的特點(diǎn),因此在加固橋墩時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的場(chǎng)地狀況、施工條件,選用經(jīng)濟(jì)合理的加固方法。1)增大截面加固它是一種傳統(tǒng)而有效的加固方法,該方法施工工藝簡(jiǎn)單,使用面廣,但是現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)工作量大,施工周期較長(zhǎng),對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用有一定的影響;另外,由于截面面積的增加而減少了結(jié)構(gòu)的使用空間,增大了結(jié)構(gòu)的自重。當(dāng)墩柱的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性能不足,并且空間允許的情況下,可采用增大截面加固方法。2)嵌入式加固嵌入式加固方法施工便利,無需大型機(jī)械設(shè)備,施工工期短,可在不影響結(jié)構(gòu)正常使用的情況下施工,防火性能好,采用三面黏結(jié)技術(shù)較充分地發(fā)揮加固材料的性能,可對(duì)橋墩整體進(jìn)行加固,也可以對(duì)橋墩某一節(jié)段進(jìn)行加固,選擇性較好,適用于不同截面橋墩的加固,尤其是具有承臺(tái)的橋墩,結(jié)合底部錨固,可實(shí)現(xiàn)底部截面的抗彎加固。3)體外預(yù)應(yīng)力加固該技術(shù)施工工藝復(fù)雜,對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷小,自重增加小,能夠大幅度改善和調(diào)整結(jié)構(gòu)的受力狀況,提高其結(jié)構(gòu)剛度和抗裂性,既可以對(duì)已存在的裂縫有所補(bǔ)救,同時(shí)又能防止裂縫的發(fā)展和新裂縫的產(chǎn)生,是一種主動(dòng)的加固方法。尤其適用于已經(jīng)開裂或要求提高抗裂性橋墩加固,不宜用于處在高濕度環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)或收縮徐變較大的混凝土結(jié)構(gòu)的加固。4)鋼套管加固鋼套管加固法可在基本上不增大構(gòu)件尺寸的情況下較多地提高其承載力,增大延性和剛度。這種修復(fù)法特別適用于大跨橋梁的加固,以及使用上不允許增大原始構(gòu)件截面尺寸,卻又要求大幅度地提高截面承載力,增加延性和剛度的構(gòu)件。該方法的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便,現(xiàn)場(chǎng)工作量較少,受力可靠;缺點(diǎn)是用鋼量較大,維修費(fèi)用較高,不宜用在具有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下。5)包裹FRP片材加固該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是FRP具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、適用面廣、施工速度快、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),施工過程中不需大型機(jī)具,用于補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)對(duì)原結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響,加固修補(bǔ)效果及耐久性好,缺點(diǎn)是材料價(jià)格較貴,防火性較差,對(duì)結(jié)構(gòu)表面平整度要求較高,對(duì)處于潮濕環(huán)境或水下混凝土結(jié)構(gòu)加固效果不明顯。這種方法廣泛適用于曲面和任意形狀的混凝土橋墩的抗剪、抗震、耐腐蝕加固、耐沖擊加固。6)繞絲加固該技術(shù)施工方便、經(jīng)濟(jì)效果好、加固后增加自重較少、外形尺寸變化不大,變形能力增加明顯,耗能能力提高很多,不引起結(jié)構(gòu)剛度增加,適用于不同的截面形式、無腐蝕介質(zhì)的環(huán)境,但不適用于較大偏心受壓柱。因此,是一種比較先進(jìn)的加固技術(shù),具有很廣闊的推廣應(yīng)用前景。7