钢筋混凝土桥墩加固技术研究

钢筋混凝土桥墩加固技术研究

0钢筋混凝土桥墩在地震中的应用效果根据中国国际交通部的统计，自2009年底以来，中国共有62.19万座桥梁和726.06万米。其中特大桥梁1699座、288.66万m,大桥42859座、981.90万m,其中,有相当部分的桥梁是在20世纪60—70年代修建的,随着行车密度及车辆载重的增加,尤其是超载对桥梁的严重破坏,有相当一部分桥梁已满足不了使用要求;另外,国内外近20年来的破坏性地震中,如1990年伊朗大地震、1995年日本阪神大地震、1999年台湾“集集”地震、2008年汶川大地震以及2010年玉树地震,大量的钢筋混凝土桥墩在地震中破坏而导致整座桥梁的倒塌,桥梁是交通枢纽的“咽喉”,桥墩破坏将导致生命线的中断,对经济和人员伤亡所造成的损失将不可估量。因此,无论对于旧危桥的承载力加固、抗震能力不足的抗震加固,还是地震中已经损坏的桥梁的加固修复,钢筋混凝土的桥墩加固与修复技术都具有重要的经济意义和实用价值。国内外学者针对钢筋混凝土桥墩加固技术进行了大量研究,但目前的研究多以试验验证或机理分析为主,未能与工程应用很好地结合,本文以工程应用为指导思想,研究总结了几种国内外传统加固技术及抗震加固技术,包括增大截面加固技术、嵌入加固技术、体外预应力加固技术、钢套管加固技术、FRP加固技术、绕丝加固技术及“狗骨式筋”修复纵筋技术,为钢筋混凝土桥墩加固工程的实际应用提供指导。1钢筋混凝土桥墩加固技术1.1增强加固构件的自振能力增大截面加固技术是增大构件的截面面积和配筋的一种常规加固技术,其不仅可以提高被加固构件的承载能力,而且还可以加大其截面刚度,改变其自振频率,改善正常使用阶段的性能。根据加固材料和加固工艺的不同,可分为混凝土外包加固法、喷射砂浆加固法。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纵向钢筋和箍筋。混凝土具有较大的可塑性,可以对各种截面形式墩柱进行加固,且加固方式可采用全截面加固法和部分截面加固法。当墩柱身出现大面积网裂、风化、剥落、缺损,影响桥梁正常使用,可采用该加固方法。具体加固施工工艺为:在墩柱周身钻孔,植入锚固钢筋,将制作好的钢筋网焊接在锚固钢筋上,最后在墙体外浇筑一层≥10cm厚的C30以上混凝土。混凝土外包加固法在设计构造方面必须解决好新加部分与原有部分的整体工作共同受力问题。1.1.2喷射纤维砂浆加固法喷射砂浆加固法即在原有桥墩表面设置致密的钢筋网,采用掺有纤维的高性能砂浆喷射覆盖,最后用涂料进行外表面保护,实现对桥墩的增大截面加固,其关键工艺如图1所示。其将钢筋网与砂浆联合使用,可很好地在结合面上传递拉应力和剪应力,同时,在高速喷射状态下能使砂浆进入待加固的孔隙和裂缝中,使原结构得到一定程度的恢复,能大幅度地提高原有桥墩的承载力,加强整体性,这种加固技术在日本称之为喷射纤维砂浆加固法(简称SRS工法)。该加固技术具有以下特点:(1)无需繁琐的施工工艺和特殊的施工技术,适合于重型施工机械不便于操作及施工空间有限制的桥墩加固;(2)砂浆属无机胶凝材料,比有机加固材料更抗老化、耐久性更好,与基材的协调性、渗透性更好;(3)相比于普通混凝土外包加固法,该方法较大幅度地减少了加固后的截面面积,减轻了自重。1.2混凝土墩柱的复合加固技术在国内的应用情况所谓嵌入式加固技术(nearsurfacemounted,简称NSM),是将加固棒材(高强钢筋、FRP筋等)嵌入结构表面(混凝土保护层)预先开好的槽中,并向槽中注入树脂黏结材料使之形成整体,以此来改善结构性能的方法。嵌入式加固法与外贴式材料加固相比,除具有高强、高效、耐腐蚀等优点外,还具有下列优点:(1)表面处理工作量降低,节省工期;加固的棒材由于放在结构内部,避免棒材受到火灾破坏,抗冲击性能、耐久性能等得以提高;开槽后有三个面参与棒材与树脂的黏结,界面接触面积增大,加固棒材的黏结性好,强度得到更有效的发挥。国内现阶段的研究主要局限于混凝土梁的研究,对混凝土墩柱的研究还未见研究报道。日本在墩柱的嵌入式加固研究与应用较广泛,日本AT工法研究会提出了采用PCM(聚合物水泥砂浆)覆盖高强钢筋嵌入式加固技术(AT-PD工法),该技术是通过在加固结构四周设置嵌入结构表面的纵向钢筋,用环氧树脂填充开槽,并用横向辅助钢筋环向焊接增强,最后进行砂浆保护层及涂料覆盖,适用于钢筋混凝土桥墩的加固补强(见图2)。该加固技术显著的工艺特点为:(1)加固后增加的截面厚度是常规钢筋混凝土加固厚度的1/8,是传统PCM加固体积的1/2以下;(2)对处于河道中的桥墩加固后的流水阻力基本不增加;(3)通过减少聚合物材料的使用显著减低了施工成本;(4)既有结构表面直接嵌入加固钢筋,在混凝土截面不增加的情况下显著提高了承载力;(4)加固后重量的增加很少,与传统加固方法相比极大地减少了结构基础及地基的附加荷载。AT-PD工法可以是对桥墩整体进行加固,也可以对桥墩某一节段进行加固,具体选择可根据桥墩的现状来决定,这种加固技术由于有诸多优点,对我国桥梁的加固有很高的借鉴价值。1.3预应力的加固体外预应力加固技术由于预应力的作用可以将裂缝中的荷载效应抵消一部分,则从根本上解决桥墩产生裂缝的原因,改变墩身受力状况,既可以对已存在的裂缝有所补救,同时又能防止裂缝的发展和新裂缝的产生。通过预应力的施加可使加固材料与原结构有效地结合,并在一定程度上减小了新旧材料间应力水平的差异,充分发挥加固材料的优势。目前用于预应力加固的材料主要为钢丝束、钢绞线和FRP,预应力施加方式为纵向和横向。1)桥墩横向裂缝的预应力加固技术桥墩由于车辆竖向及水平冲击荷载、温度荷载、墩柱桩基的不均匀下沉及施工缺陷等因素引起的横向裂缝,可采用竖向预应力加固技术,通过在桥墩上钻孔施加竖向预应力,增加桥墩压应力储备,增大安全系数,间接增加结构耐久性和安全性。文献介绍了采用竖向预应力锚索加固旧桥墩工程实例,关键工艺包括钻孔、安装锚索、锚固灌浆及张拉,这种通过施加竖向预应力锚索的加固方式有效抑制了桥墩横向裂缝的发展,提高了桥墩的承载力。2)桥墩竖向裂缝的预应力加固技术桥墩由于顶部配筋不足、支座位置布置不当、混凝土收缩变形及使用荷载增加等因素引起的竖向裂缝,可采用横向张拉高强钢丝束来加固原有桥墩,利用体外导入预应力,对墩身形成压力和弯矩,从而改善墩身的应力。文献介绍了采用横向张拉高强钢丝束来加固旧桥墩工程实例,结果表明桥墩裂缝没有任何发展,桥墩受力得到很大的改善。2钢筋混凝土桥墩的抗疲劳盖和修复技术2.1套管柱的加固1985年由Tomii,sakino和肖岩等提出的一种结构形式,即对钢筋混凝土墩柱采用钢管作为横向约束使套管柱仅承受横向力。将钢管与墩柱之间预留缝隙,避免纵向应力直接传递到钢管纵向上及反复荷载下局部的应力集中,如图3a所示。由于能够对核心混凝土进行有效约束,使用套管柱修复加固可以大大提高桥墩的抗剪强度、延性和轴向承载力。对于圆截面墩柱,可使用2个稍大于柱直径的滚轧成型半圆薄壁钢壳,放置在需要加固的位置并现场焊接其竖向接口,用水泥砂浆充填焊接钢管与既存墩柱之间的空隙(见图3b)。对于矩形或方形桥墩的加固,如果采用同原截面形式相同的钢套管加固,柱墩产生较大的侧向位移时,钢套管很容易发生塑性铰区域的屈服,Priestley等人建议采用椭圆形钢套管的加固方式,以提供类似于圆柱套管的连续约束作用,加固结构之间的空隙可用同强度等级混凝土进行填充(见图3c)。2.2抗弯性能分析在钢筋混凝土桥墩加固和修复中,FRP片的包裹方向分为两种:沿桥墩横向和竖向。横向包裹的FRP材料可起到与箍筋相似的作用,可以对核心混凝土形成有效约束,提高了桥墩的抗剪强度和延性,从而实现对桥墩的抗震加固;而竖向的FRP材料主要是提高桥墩的抗弯能力。FRP对圆形和矩形或方形截面的约束作用有较大的差别,FRP约束圆形截面时,FRP沿着圆周对混凝土提供了均布的侧向约束力,整个截面都能得到均匀有效的约束,约束效果较好,强度和延性的提高都很显著。FRP约束矩形或方形截面时,由于其侧向刚度较小,FRP在截面边长的中部会因为混凝土的膨胀向外弯曲,对应部分的混凝土将得不到有效约束,而截面角部相当于支点,相邻角部的弧形区域形成拱的作用,由于这一作用,使得角部及截面中心部分尚能得到较好约束。所以在矩形或方形桥墩截面加固时,要尽量使倒角半径大些,以得到更好的加固效果。图4给出了包裹FRP加固技术不同截面形式构造及实例。2.3环向约束变形技术应用绕丝加固技术即利用高强钢丝绳缠绕钢筋混凝土墩柱,利用环箍约束的原理进行墩柱的加固,绕丝加固能显著地提高墩柱轴压承载力和抗震性能。文献介绍了高强钢丝绳加固混凝土轴心受压圆柱体试件的试验研究,结果表明绕丝约束,可较大幅度地提高轴压短柱的极限承载力,有效地约束混凝土侧向变形,显著提高短柱的变形能力;文献给出了环向缠绕钢丝加固混凝土矩形墩柱的抗震性能结果试验,绕丝加固墩柱可实现短柱的弯曲破坏,强度退化缓慢,耗能能力强。目前,国内对于绕丝加固技术还只是停留在试验研究阶段,日本对这一技术已经成功应用到建筑物的抗震加固,日本的Magne公司研究开发了阻燃复合材料PPMG水泥砂浆及钢筋缠绕加固建筑物混凝土柱抗震技术(PPMG-CR工法),该加固技术可对混凝土柱进行整体加固,也可部分加固。图5为某车库混凝土柱的主要施工工艺,包括钢丝缠绕、水泥砂浆增厚等。该加固技术主要特点:(1)加固后截面厚度增加较少,仅为50~60mm;(2)施工过程中不需要模板,可以边施工边目测施工质量,减少了施工缺陷;(3)减少施工材料消耗,在狭小的空间也可以正常施工。由于绕丝加固技术的独特优势,其在桥墩的抗震加固领域也有着广阔的应用空间。2.4空心截面桥墩加固加固技术试验研究“狗骨式筋“修复纵筋技术就是将高强钢材制成狗骨式钢筋拉杆,通过焊接等工艺手段将钢筋拉杆与桥墩中被拉断的纵向钢筋相连修复,增加桥墩的变形能力和恢复承载力,由台湾学者Cheng等人于1997年提出的一种专门修复桥墩震后纵筋拉断或严重屈曲的修复技术,如图6所示。文献介绍了采用“狗骨式”筋修复纵筋技术对空心截面桥墩修复加固的抗震性能试验研究。试验研究表明,“狗骨式”筋可以对空心截面桥墩由于外层钢筋拉断而引起的弯曲破坏进行有效的修复,FRP材料增加了柱子的极限位移并减少了剪切变形,恢复了抗剪承载力,使墩柱的弯剪破坏变为弯曲破坏。该修复加固技术具体工艺为:(1)清除破坏区域松散的混凝土;(2)对拉断和严重屈曲的纵向钢筋用“狗骨式”筋替换,并重新设置箍筋;(3)对重新连接替换后的压碎混凝土部分用早强无收缩混凝土进行填充;(4)根据不同的加固位置和加固目的用不同层数的FRP材料缠绕约束桥墩。采用“狗骨式”筋修复纵筋技术需要考虑两方面的关键技术:(1)“狗骨式”筋的长度;(2)“狗骨式”筋与原有结构纵筋的连接方式。对于“狗骨式”筋的中央长度,Cheng等人提出按塑性铰长度及地震来考虑,目的是使加固后的墩柱获得合适的低周疲劳寿命。对于“狗骨式”筋与原有结构纵筋的连接方式可考虑采用焊接的方式可靠连接,如图6b所示。“狗骨式”筋修复纵筋技术对于桥墩的震后修复加固具有很好的加固效果,值得借鉴。3加固桥墩的技术比较上面介绍了钢筋混凝土桥墩不同的加固及修复技术,各种技术有各自的特点,因此在加固桥墩时应根据不同的场地状况、施工条件,选用经济合理的加固方法。1)增大截面加固它是一种传统而有效的加固方法,该方法施工工艺简单,使用面广,但是现场湿作业工作量大,施工周期较长,对结构的正常使用有一定的影响;另外,由于截面面积的增加而减少了结构的使用空间,增大了结构的自重。当墩柱的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足,并且空间允许的情况下,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,无需大型机械设备,施工工期短,可在不影响结构正常使用的情况下施工,防火性能好,采用三面黏结技术较充分地发挥加固材料的性能,可对桥墩整体进行加固,也可以对桥墩某一节段进行加固,选择性较好,适用于不同截面桥墩的加固,尤其是具有承台的桥墩,结合底部锚固,可实现底部截面的抗弯加固。3)体外预应力加固该技术施工工艺复杂,对原结构损伤小,自重增加小,能够大幅度改善和调整结构的受力状况,提高其结构刚度和抗裂性,既可以对已存在的裂缝有所补救,同时又能防止裂缝的发展和新裂缝的产生,是一种主动的加固方法。尤其适用于已经开裂或要求提高抗裂性桥墩加固,不宜用于处在高湿度环境下的混凝土结构或收缩徐变较大的混凝土结构的加固。4)钢套管加固钢套管加固法可在基本上不增大构件尺寸的情况下较多地提高其承载力,增大延性和刚度。这种修复法特别适用于大跨桥梁的加固,以及使用上不允许增大原始构件截面尺寸,却又要求大幅度地提高截面承载力,增加延性和刚度的构件。该方法的优点是施工简便,现场工作量较少,受力可靠;缺点是用钢量较大,维修费用较高,不宜用在具有腐蚀介质的环境下。5)包裹FRP片材加固该技术的优点是FRP具有轻质高强、耐腐蚀、适用面广、施工速度快、维护费用低等优点,施工过程中不需大型机具,用于补强加固时对原结构几乎没有影响,加固修补效果及耐久性好,缺点是材料价格较贵,防火性较差,对结构表面平整度要求较高,对处于潮湿环境或水下混凝土结构加固效果不明显。这种方法广泛适用于曲面和任意形状的混凝土桥墩的抗剪、抗震、耐腐蚀加固、耐冲击加固。6)绕丝加固该技术施工方便、经济效果好、加固后增加自重较少、外形尺寸变化不大,变形能力增加明显,耗能能力提高很多,不引起结构刚度增加,适用于不同的截面形式、无腐蚀介质的环境,但不适用于较大偏心受压柱。因此,是一种比较先进的加固技术,具有很广阔的推广应用前景。7