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【技术】粘贴钢板和粘贴碳纤维对比及其在桥梁加固中实际应用

2022-03-04 11:18:04

【技术】粘贴钢板和粘贴碳纤维对比及其在桥梁加固中实际应用

粘贴钢板和粘贴碳纤维是桥梁加固中常用的两种被动加固方法,都是采用环氧树脂或建筑结构胶,将加固材料直接粘贴在被加固的钢筋混凝土结构物的受拉或抗剪薄弱部位,使之与结构物形成整体共同受力,以提高结构的承载力或刚度,改善受力状态,限值裂缝的开展。两种加固方法在材料性能、受力状态、计算原理、加固效果等方面均存在不同,因此两者有不同的适用范围,在实际工程中我们应加深认识,区别应用,使两种方法尽量发挥各自优势,物尽其用,达到一定的加固效果。

 

研究资料表明,粘贴碳纤维加固钢筋混凝土梁,钢筋屈服后,受拉区碳纤维不一定达到极限拉应变而破坏;而粘贴钢板加固钢筋混凝土梁发生适筋梁破坏时,受拉钢筋和钢板屈服,受压区混凝土达到极限压应变。在常用的粘贴范围内,粘贴4-8mm钢板对梁的承载力和刚度提高效果都优于粘贴2-3层碳纤维布,粘贴碳纤维布加固没有发挥材料的高强度作用,对构件受压区混凝土、受拉区钢筋拉应力改善不明显。粘贴碳纤维布适用于构件抗裂加固;粘贴钢板加固适用于提高梁的承载力和整体刚度。

 

基于上述认识,本文通过实际工程,对桥梁不同构件不同缺损状况加以计算分析和探讨,对症施治,分别采用两种方法进行加固,希望对同类工程提供参考和借鉴。

 

 

1.1 桥梁基本资料

G307国道献县境内滏阳新河大桥上部结构采用13×16m装配式普通钢筋混凝土简支空心板,下部结构为双柱式墩台,钻孔灌注桩基础,桥梁全长224m,设计交角135°,桥梁宽度:0.5m护栏+11.5m+0.5m护栏,桥梁全宽12.5m;设计荷载:汽-20级,挂车-100。经桥梁检测中心和养护管理单位检测评定,该桥总体技术状况等级评定为三类。

 

1.2 桥梁主要缺损状况

 

 

1.3缺损原因分析

1G307公路交通量大,使得桥梁技术状况下降、适应度不足。

2、空心板底局部裂缝为非结构裂缝,是由于空心板底未设置通气孔,致使养护积水和桥面积水渗漏进入孔洞内无法排出,积水处混凝土发生集料反应,加之冻融作用,形成网状裂缝并伴有泛白现象。

3、空心板之间横向连接较弱,各板受力不均匀,轮载作用位置单板受力过大,造成铰缝脱落,桥面铺装纵向裂缝,伴有车辙和高低不平现象。

4、原设计沥青混凝土桥面铺装配筋偏少,无抗剪钢筋,造成桥面铺装强度不足,与空心板结合较差。

5、该桥为弯坡斜桥,桥梁运营使用中易出现上部结构横向位移、支座脱空等现象。

6、设计或使用状态下承载能力不足。

7、施工、养护或其它等方面原因。

 

 

2.1 结构验算结果

 

 2.2验算结果分析

根据上述验算结果可知,在设计状态下,空心板抗弯和抗剪承载力均满足设荷载要求,但抗弯承载力富余量和安全度不够,桥墩盖梁柱顶抗弯和抗裂均不能满足设计荷载,在实际使用状态下,由于超载作用和单板受力效应,空心板抗弯承载力存在不足,因此空心板跨中和盖梁柱顶部位需分别进行补强加固。

 

2.3 方案确定

根据前言所述,粘贴碳纤维布适用于抗裂加固,粘贴钢板加固适用于提高梁的承载力和刚度。

 

通过上面验算分析,空心板跨中抗弯承载力满足设计荷载,板底局部裂缝为非结构裂缝(缝宽未超限),裂缝的存在和发展,可能造成钢筋的锈蚀,降低空心板承载力,因此抑制裂缝发展是主要目的,适宜采用粘贴碳纤维法。碳纤维布粘贴于板底混凝土表面,由于浸渍底胶的渗透和粘结,不仅封闭了原有混凝土裂缝,其高强度和高模量还限制了混凝土裂缝的发展,同时适当提高混凝土抗弯承载力,一举两得。

盖梁柱顶负弯矩区为结构裂缝,是正截面抗弯承载力不满足设计荷载要求所致,因此采用粘贴钢板加固,补充钢筋不足,提高承载力和刚度更为适合。

 

3.1 上部结构  

1、浇筑桥面铺装混凝土之前,空心板顶采用植筋方式增设抗剪钢筋(Φ12),每板顶两列,顺桥向间距40cm,纵向交错布置。

 

2、病害较严重空心板底(2-32-43-33-44-34-47-58-48-58-69-410-5#,共计12)粘贴碳纤维布(CFRP)加固处理,碳纤维片材规格为300g/m2、设计厚度0.167mmI级布材,采用单层纵向条带状密布粘贴,两端设横向压条。

3、空心板底渗水严重处增设通气孔,排出孔洞内积水,使空心板孔洞内保持通风、干燥、清洁的状态。通气孔采用Φ14-16mm电锤(冲击钻)成孔,成孔直径应小于20mm;施工时可根据实际情况(板底纵坡、裂缝渗水位置、钢筋位置等)适当调整成孔位置。钻孔后应对钻孔引起的孔周混凝土保护层剥落、露筋或裂缝处进行修补封闭处理。

3、凿除并重作全桥空心板间铰缝,采用微膨胀混凝土。

 

 

1 空心板粘贴碳纤维加固设计图

 

3.2 下部结构

1、桥墩盖梁柱顶两侧面粘贴Q235钢板(7000×250×8)加固,钢板采用膨胀锚栓锚固,钢板表面防腐处理后,采用2cm厚聚合物砂浆抹面;粘贴加固前应先进行盖梁裂缝注浆封闭和粘贴部位的混凝土表面处理。

2、对桥梁下部及桥梁其余位置局部破损或裂缝处,进行混凝土修补和裂缝封闭处理。

 

 

(a) 盖梁立面

 

(b) 盖梁侧面

4 盖梁加固设计图

 

 

 

4.1底层处理

1、用裂缝修补胶灌注结构裂缝。

2、将混凝土表面剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化部分清除,并进行清洗、打磨,待表面干燥后,用修补材料将混凝土表面凹凸部位修复平整。如果有毛刺,应用砂纸打磨。找平面用手触摸感觉干燥后,才能进行下一工序的施工。

3、粘贴处阳角应打磨成圆弧状,阴角以修补材料填补成圆弧倒角,圆弧半径不应小于25mm

 

4.2 涂刷底胶

1、调制好的底胶应及时使用,用一次性软毛刷或特制滚筒将底胶均匀涂抹于混凝土表面,不得漏刷、流淌或有气泡。待底胶固化后检查涂胶面,如涂胶面上有毛刺,应用砂纸打磨平顺,如胶层被磨损,应重新涂刷,固化后方可进行下一道工序。

2、底胶固化后应尽快进行下一道工序,若涂刷时间超过7天,应清除原底胶,用砂轮机磨除,重新涂抹。

 

4.3 粘贴纤维复合材料

1、雨天或空气潮湿条件下不宜施工。

2、纤维复合材料粘贴宜在5℃35℃环境温度条件下进行,胶粘剂的选用应满足使用环境温度的要求。

3、在待加固的混凝土表面按照设计图纸放样,确定纤维复合材料各层的位置。

4、按照设计尺寸裁剪纤维复合材料,纤维复合材料搭接长度不宜小于100mm,搭接位置宜避开主要受力区。裁剪的纤维布材必须呈卷状妥善摆放并编号。已裁剪的纤维复合材料应尽快使用。

5、粘贴纤维复合材料前应对混凝土表面再次拭擦,确保粘贴面无粉尘。混凝土表面涂刷胶粘剂时应做到胶体不流淌,胶体涂刷不出控制线,涂刷均匀。

6、粘贴立面纤维复合材料时应按照由上到下的顺序进行。用滚筒将纤维复合材料从一端向另一端滚压,除去胶体与纤维复合材料之间的气泡,让胶体渗透到纤维复合材料,浸润饱满。选用的滚筒应在滚压过程中不产生静电作用。

当采用多条或多层纤维复合材料加固时,在前一层纤维布表面用手指触摸感到干燥后立即涂胶粘剂粘贴后一层纤维复合材料。

最后一层纤维复合材料施工结束后,在其表面均匀涂抹一层浸渍树脂(面层防护),自然风干。

 

5.1 混凝土表面处理

1、处理裂缝。

2、混凝土剥落处钢筋除锈、环氧砂浆修补。

3、表面清洗打磨,使粘贴面保持平整、清洁、干燥。

 

5.2 钢板加工处理

1、对钢板进行放样下料,下料宜采用工厂自动、半自动切割方法,切割边缘表面光滑,无毛刺、咬口及翘曲等缺陷。

2、钢板粘合面可用喷砂或平砂轮打磨直至露出金属光泽,打磨纹路应与钢板受力方向垂直,钢板粘合面应有一定的粗糙度;钢板外露面必须除锈至呈现金属光泽并保持干燥。

3、按设计图的锚栓孔位置在盖梁侧面钻孔安装部分膨胀锚栓(悬挂钢板用,其余锚栓待钢板粘贴后取孔安装),为避开内部钢筋,容许适当移动钻孔位置,应采取措施使拱肋上钻孔和钢板钻孔位置吻合。

4、将钢板分别悬挂于相应位置锚栓上并简单固定,焊接成为整体。

 


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