浅析粘贴钢板加固桥梁的质量
2015-07-29
桥梁是公路的主要组成部分，维护桥梁的使用状态是确保公路畅通、行车安全的关键。然而，由于受到车辆以及各种环境因素的作用和影响，公路桥梁在使用期内将产生一系列病害；随着时间的推移，新建的桥梁终会成为旧桥。所以对这些桥梁进行病害分析，提出相应对策，进行维修加固，具有显著的经济效益和社会效益。目前，工程上常用的补强加固技术主要有体外预应力技术、粘贴碳纤维技术、粘贴钢板技术、增大主梁或主拱圈截面技术、种植钢筋技术、新旧混凝土连接技术、裂缝修补技术、混凝土缺陷修补技术和喷射混凝土技术等等。
一、钢与混凝土的粘结强度
1.1粘结抗剪试验
在C40级的混凝土立方体试块上，用结构胶粘合两块大小相同的钢板，在结构胶完全固化后。进行剪切试验，结果表明，剪切破坏发生在混凝土，而不在粘结面上，混凝土的破坏面大于粘合面。可见，粘结抗剪强度大于混凝土的抗剪强度。
1.2 粘结抗拉试验
把两块钢板对称地粘结在C40级的混凝土立方体试块上，进行抗拉试验。结果表明，拉断面发生在混凝土试块上，而粘结面完好，混凝土的破坏面大于粘合面。可见，粘结抗拉强度大于混凝土的抗拉强度。
用结构胶粘结的钢板与混凝土，无论其粘结抗剪，还是粘结抗拉，破坏均发生在混凝土，粘结强度取决于混凝土的自身强度。因此，钢板与混凝土的粘结抗剪、粘结抗拉强度，可取等于混凝土的抗剪强度、轴心抗拉强度。
二、粘贴钢板加固设计
为了提高桥梁结构的抗弯能力，一般在构件的受拉缘的表面粘贴钢板，使钢板与原结构形成整体来受力，此时以钢板与混凝土粘结处的混凝土局部抗剪切强度控制设计。合理与安全的设计应控制在钢板发生屈服变形前，粘结处混凝土不出现剪切破坏。当桥梁结构的主拉应力区斜筋不足，为了加固和增加结构的抗剪切强度时，可将钢板粘贴在结构的侧面，并垂直于剪切裂缝的方向斜向粘贴(斜度一般为45°~60°)，以承受主拉应力。补强设计时，钢板可作为钢筋的断面来考虑，将钢板换算成钢筋，原有构件承受恒载与活载，增加的钢板承受原有构件承受不了的那部分活载。在构件设计时，加固用的钢板可按实际需要采用不同的形状，但钢板的厚度必须比计算出的厚度大些。用于抗弯能力补强的钢板尺寸应尽可能薄而宽、厚度一般为4~6 mm，较薄的钢板可有足够的弹性来适应构件表面形状。用于抗剪能力提高的钢板厚度宜厚点，可依设计而定，一般采用10~15 mm。设计钢板长度时，应将钢板的两端延伸到低应力区，以减少钢板锚固端的粘结应力集中，防止粘结部位构件出现裂缝或粘贴钢板被拉脱现象的发生。粘钢法加固桥梁，如何确保钢板和外加固构件形成整体受力是加固成功与否的关键，所以，在补强设计时，除应考虑钢板具有足够的锚固长度、粘结剂具有足够的粘结强度和耐久性外，为避免钢板在自由端脱胶拉开，端部可用夹紧螺栓固定，或设置U型箍板、水平锚固板等，并在钢板上按一定的距离用螺栓固定，确保钢板与混凝土之间的粘结力满足抗拉或抗剪强度的需要。
三、加固方案与施工工艺
3.1 施工材料
加固所用的粘结剂，必须粘结强度高、耐久性好、具有一定弹性。加固使用的钢板，一般以3号钢或16号锰钢为宜。钢板、连接螺栓及焊缝的强度设计值，应按现行国家标准《钢结构设计规范》规定采用。粘钢加固结合面的粘结强度，除粘结剂本身强度应确保外，主要取决于被加固构件混凝土强度。因此，粘钢加固基面的混凝土强度等级不应低于C15。对于受压粘钢加固，当采用梁侧粘钢时，钢板宽度不宜大于梁高的1/3。粘结钢板在加固点外的锚固长度，除满足计算值外，尚应保证一定的构造要求，同时锚固区尚宜增设U型箍板或螺栓等附加锚固措施。为防止钢板锈蚀，延缓粘结剂的老化，钢板表面应作密封防水防腐处理。
3.2化学灌浆法修补裂缝
粘钢加固前，对加固构件基面产生的裂缝，可采用化学灌浆法进行修补。即将公学材料配制的浆液，用压送设备将其灌入混凝土构件的裂缝内，使其扩散、固化。因固化后的化学浆液具有较高的粘结强度，能与混凝土较好粘结，从而增强了板的整体强度和耐久性，恢复板的使用功能，达到防锈补强的目的。
3.3梁的加固―粘钢板加固法
粘钢板加固法是用粘结剂(建筑结构胶)将钢板粘贴到梁需要加固的部位上，以提高结构承载能力的一种方法。粘钢板加固不仅补充了原构件的钢筋不足，而且还通过大面积的钢板粘贴，有效地保护了原构件的混凝土不再产生裂缝，并使已有的裂缝得到控制而不继续扩展，从而增强了原结构的整体性，提高了原构件的承载力。钢板粘贴好后应立即用卡具、支撑或臌胀螺栓等加以固定，并适当加压，以使胶液刚好从钢板边沿挤出为度。若有局部不贴合处，可用木楔在钢板与支撑装置之间打入，将钢板与混凝土表面压实。臌胀螺栓一般兼作钢板的永久附加锚固措施，其埋设孔洞应于钢板一起于涂胶前配钻。目前使用的粘结剂都是在常温20℃下固化，24h后即可拆除夹具并支撑，3d后加固构件即可受力使用。注意在固化期间不得使钢板有任何扰动。构件的粘钢加固质量一般采用非破损检验，外观检查钢板边缘的溢胶色泽、硬化程度，以小锤敲击钢板检验钢板的有效粘结面积。应该使有效粘结面积锚固区不应小于90%，非锚固区不应小于70%。
3.4 加固施工要点
1）混凝土基面处理。先清理混凝土破损基面，凿除松散混凝土；然后对外露锈蚀钢筋进行除锈，直至露出金属光泽；再将混凝土基面或缺陷部分用清水清洗干净，使基面保持干燥、无杂物；最后采用环氧混凝土对混凝土剥落位置进行修补，修补混凝土必须与原混凝土保持平整、密实。
2）混凝土表面(粘贴面)处理。在需粘贴加固的混凝土表面凿除2 mm-5 mm厚的表层砂浆及碳化层，使坚实的混凝土石外露，并形成平整的粗糙面，表面不平处应用尖凿轻凿整平，再用钢丝刷刷毛，剔除表层疏松物，最后用无油压缩空气吹除表面粉尘或清水冲洗干净，待完全干燥用脱脂棉蘸丙酮擦拭表面。
3）钢板粘贴面处理。将钢板条用方木支架架空平放，用磨光砂轮机或钢丝刷磨机对粘贴面进行除锈和粗糙处理，打磨粗糙度越大越好，打磨纹路应与钢板受力方向垂直；打磨完毕后先用干净棉布将表面灰尘擦除，再用脱脂棉蘸丙酮将钢板表面擦拭干净。
4、质量控制。为避免混凝土基面及钢板粘贴面打磨产生的灰尘污染已处理好的粘贴面，打磨和清理作业均应批量作业；为避免处理好的基面及钢板粘贴面受到污染，应尽量减短停放时间。
四、总结
总之，通过采取一定的技术措施对存在危险的桥进行改造加固，来延长它们的使用寿命是一种行之有效的低成本维修方法，如化学灌浆法、粘钢板加固法。文中针对桥梁加固施工中常见的粘贴钢板施工问题，分析了施工质量的控制要点，为桥梁加固维修提供了一些参考意见。
