学文网摘 要：随着近年交通建设的迅速发展，车流密度和超载车辆的不断增加，许多既有桥梁设计荷载较低，桥龄较长，其承载能力无法满通需要，亟待对其进行加固改造。由于传统加固方法的加固效果较差，目前国内开始采用新型加固方法。本文介绍了日本SHO-BONO公司的钢板粘合新型加固法，并应用此方法进行实桥加固，得到了很好的效果。
关键词：双曲拱桥；拱肋粘贴钢板；钢板粘合加固法
中***分类号：U445.7+2
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2012）05-0138-03
1 引言
建国以来，中国修建了大量的桥梁，这些桥梁为中国交通事业的发展作出了卓越的贡献。但是，由于许多桥梁设计荷载较低，桥龄较长，无法满通需要，亟待对其进行加固改造。由于重建费用高，而且阻断交通，因此钢板粘合加固法成为旧桥加固改造中的常用方法。钢板粘合法就是通过具体的结构计算设计出相应的钢板粘贴参数，然后在桥梁结构的截面外部粘贴钢板进行加固，从而提高桥梁承载力。此费用较低，施工操作安全高效，节约资金。本文将通过实例探讨钢板粘合法在旧桥加固中对结构承载潜力的影响，以供拟订桥梁加固方案时参考。
2 粘贴钢板加固设计与计算原理
采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载力的目的。其具有以下明显优点：
（1）不需要破坏原有结约。
（2）不增加原结构尺寸，能够保证原结构的空间要求。
（3）加固施工时间短，不影响结构的使用。
（4）技术简单，容易保证质量。
（5）与其他加固方法相比，经济易行。
（6）对需要保证原貌的桥梁结构更为合适。
2.1粘贴钢板加固设计
当确定采用粘贴钢板进行桥梁结构加固后，首先应根据病害与缺陷的所在部位，确定钢板的规格和粘贴部位和形式。一般将钢板粘贴在被加固的桥梁结构受力部位的外边缘，以便充分发挥粘贴的钢板强度与作用，同时封闭粘贴部位和裂缝和缺陷，约束混凝土变形，从而有效地提高被加固构件的刚度和抗裂性。设计时，可根据需要与可能在不同部分粘贴钢板，有效地发挥粘钢构件的抗弯、抗剪、抗压性能。设计原则主要有以下几点：
（1）为了提高桥梁结构的抗弯能力，一般在构件的受拉缘表面粘贴钢板，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。
（2）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。
（3）补强设计时，钢板可作钢筋的断面来考虑，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。
（4）在构造设计时，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4~6mm，因较薄的钢板能有足够的弹性来适应构件表面形状。而用于抗剪能力提高的钢板厚度宜厚些，可依设计而定，一般采用10~15mm。
（5）设计钢板长度时，应将钢板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。
（6）粘贴钢板加固桥梁，如何确保钢板和被加固构件形成整体受力是加固成功与否的关键，所以，在加固设计时，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形箍板、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。
除以上设计原则外，对于粘贴钢板加固设计中抗弯性能和抗剪性能应作如下考虑：
（1）对于抗弯性能：由于粘贴钢板后结构的粘钢部分和没有粘钢部分存在刚度差别，见***1，使粘钢结构的刚度变化处有较大的应力和应变突变，结构常易在接头部分开裂而导致破坏，使钢板不能达到其应有的抗弯强度。因此应考虑粘贴钢板时钢板的厚度不宜过厚，避免结构在刚度不同的断面处出现裂纹。另外，粘贴钢板的起点应尽可能地靠近支座，以减小其主拉应力，从而减少突变破坏的概率。从受力观点看，加固的钢板满布梁底伸到支座以外更好。当结构的抗弯强度需要较厚的钢板时，可采用变厚度钢板，见***2。如条件限制难以实现，则可考虑其他加固方式，如粘贴碳纤维布方式。
（2）对于抗剪性能：结构粘贴钢板进行加固后，结构的抗剪能力也有一定的提高，试验证明，对于不同配筋和采用不同的钢板规格加固的结构，其抗剪强度都有所提高，提高的幅度为2%-20%。但设计中，为了安全起见，不考虑此部分抗剪强度的提高。另外，由于结构的主拉应力迹线，以简支梁为例见***3，抗剪加固设计时应该使粘贴的钢板和结构的主拉应力迹线一致，见***4，粘贴在梁的侧面。这样，可以减少结构开裂，使结构中混凝土的抗剪能力得到较为充分的利用。当然，从力学观点上看，抗剪钢板在粘贴时从底面到两侧面布置成U形最好，可减缓裂缝绕过钢板发展，但这也可能会增加施工难度。
2.2粘贴钢板加固的计算方法
2.2.1受弯构件载面强度不足时，在受拉区加固，可采取在受拉区表面粘贴钢板，如***5。此时，载面受弯承载力计算，可按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》规定进行，其受压区高度和截面受弯承载力可分别按下列两式计算确定：
（1）
（2）
式中：
fyo――原构件纵向钢筋抗拉强设计值；
ASo――原构件纵向受拉钢筋截面面积；
fay――加固钢板抗拉强度设计值；
Aa――加固钢板截面面积；
f 'yo――原构件纵向受压钢筋抗压强度设计值；
A'So――原构件纵向受压钢筋截面积；
fcmo――原构件混凝土弯曲抗压强度设计值；
X――混凝土受压区高度；
b0――原构件的宽度；
h0――原构件的有效高度；
a'So――原构件受压区保护层厚度；
0.9―考虑加固钢板的应力滞后以及撕脱力影响等强度折减系数。
2.2.2钢板锚固长度计算
受拉钢板在其加固点外的锚固粘结长度L1按下式计算确定：
（3）
式中：
ta――受拉加固钢板厚度；
fev――被粘混凝土抗剪强度设计值。
式中数值2为锚固区剪应力分布不均匀系数，近似按三角形考虑。
若钢板粘结长度无法满足以上要求，可在钢板的端部锚固区粘结U形箍板，见***6。
此时，锚固区的长度应满足下列规定：
当 时，
（4）
当 ，时，
（5）
式中：n――每端箍板数量；
bu――箍板宽度；
Lu――箍板单技的梁侧混凝土的粘结长度；
fcy――钢与钢粘结抗剪强度设计值。
2.2.3斜截面用粘结钢板加固计算
当构件斜截面受剪承载力不足时，可按***7所示方法粘结并联U形箍板进行加固。此时斜截面承载力可按下式计算确定：
（6）
同时，必须满足以下条件，
（7）
式中：
V――斜截面剪力设计值；
V0――原构件斜截面受剪承载力设计值；
Aal――单肢箍板截面面积；
s――箍板轴线间距。
3 粘贴钢板、钢筋加固施工工艺
3.1粘贴钢板法施工工艺
3.1.1粘贴钢板加固施工要点如下：
（1）待粘贴部位的混凝土表面应清凿平顺、坚硬干净。
（2）钢板除锈要彻底，且表面应有一定的粗糙度。
（3）慎重选择胶粘材料，配胶要精确，施工时开始固化的胶不得再用。
（4）粘贴时注意环氧砂浆饱满，一般在混凝土表面及钢板表面分别涂刷一层均匀的环氧砂浆薄层，合计层厚约2mm，然后加压使之密贴并使之固定（粘结剂固化前应有措施使钢板固定并夹紧）。
（5）粘贴前在混凝土构件上钻孔并安装锚固螺栓（兼作固定件和压紧件）要求埋设牢固，具有可靠的抗拔力，以保持粘贴钢板时有效地加压，同时还可帮助钢板克服剪切，有利于粘贴的耐久作用。
（6）对钢板外表面进行防锈处理和被加固部位构件的外观处理。
3.1.2粘结剂配用应遵守下列安全规定：
（1）配制和使用场所，必须通风良好，并应配备有各种必要的灭火器等设备。
（2）配制粘结剂的原料应密封贮存，远离火源，避免阳光直接照射。
（3）操作人员应穿工作服，截防护口罩和手套。
3.1.3工程质量检查
撤除临时固定设备后，应用小锤轻轻敲击粘结钢板，从音响判断粘接效果、或用超声波法检测粘结密实度。如锚固区粘结面积少于90%，非锚固区粘结面积少于70%，则此粘结件无效，应剥下重新粘结。
对于重大工程，为实际检验其加固效果，可抽样进行荷载试验，一般仅做标准使用荷载试验，即将卸去的荷载全部重新加上，其结构的变形和裂缝开展应满足设计使用要求。
4 实例
4.1 工程概况
大江口大桥位于怀化市溆浦S308省道上，始建于1971年，荷载等级为汽车-20级，挂车－100，桥梁全长442.5m，桥面净宽6.8（行车道）+2×1.6m（人行道）=10.0m。其上部结构为2跨石板拱桥+5跨双曲拱桥，其中主跨净跨径100.5m的钢筋混凝土双曲拱，净矢跨比1/10；其余双曲拱净跨径为58m，净矢跨比1/7.84。两岸桥台采用U形桥台。
该桥自建成通车以来，由于种种原因，主跨拱顶下挠，拱顶段纵肋开裂，1/4点处产生纵向裂缝，因此该桥1990年进行了主跨加固(采取拱顶实腹段减载，拱肋下缘粘贴玻璃钢进行加固)。2003年在原有桥面进行过加铺。但是随着近年交通建设的迅速发展，车流密度和超载车辆的不断增加，主跨承载能力已不能满足要求：下部桥墩纵裂严重；拱波有局部裂缝。该桥被评定为四类危桥，亟待对其进行加固改造。桥型布置***见***8。
4.2 设计标准
1）荷载等级：公路－Ⅱ级，人群荷载：3kN/m2
2）桥梁宽度：净7m（行车道）+2×1.25m（人行道）+2×0.25m（人行道栏杆）=10.0m
3）设计纵坡：保持加固前桥面纵坡；设计横坡：1.5%
4）设计洪水频率：1/100
4.3 加固改造设计要点
根据原设计的拱轴线型和结构各部分尺寸及组成材料强度，对大江口大桥结构的受力性能计算分析表明：大江口大桥其结构承载力已不能满足现在的交通要求，必须对大桥的主要承重结构进行加固，加固主要内容包括：
1）对3号~4号跨每条拱肋粘贴1cm厚的钢板，使之与原结构形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载力的目的。加固后主拱圈断面见***9。
2）对全桥拱波裂缝采用微膨胀水泥浆液封闭裂缝；
3）对1号~6号桥墩采用环氧树脂修补桥墩混凝土裂缝，再外包15cm厚C25钢筋砼在桥墩外侧设置一层钢筋网，再外包10cm厚C25砼，以提高桥墩的抗风化性及抗裂性；
4）凿除原有桥面8cm，新作8cm厚钢筋砼行车道板面层，重做人行道系；
5）针对怀化侧桥头跳车问题，桥头增设搭板；
6）对1号~2号跨靠近1号墩处第一个腹拱拱顶采用聚合物砂浆修补；
7）0号~1号跨上游侧拱上侧墙采用压环氧砂浆封闭裂缝。
4.4 施工要点
1）因不能中断交通，施工采用半幅施工，上部施工过程实行交通管制，车辆实行单边单列限速通行，行车速度不超过10km/h，车辆限载13t。
2）施工中严格遵循《公路桥涵施工技术规范》的有关规定。
3）拆除和安装人行道系时必须以墩顶为中心对称、均衡进行。
4) 半幅施工时注意行车道板横向钢筋应在施工缝处电焊连接。
5) 应严格控制桥面标高，新浇行车道板标高不能超过现有桥面标高；纵坡保持与原桥面纵坡一致。
6）行车道板浇筑完成待早强后应及时切缝，切缝位置必须准确。
7）混凝土剥落处采用ZV型混凝土修补胶与普通水泥及中砂配制成聚合物修补砂浆进行修补。
8）3~4号跨主拱圈拱肋粘贴钢板施工工序：
a.在钢板上钻螺栓孔（孔径比膨胀螺栓的套筒直径大4mm左右）和注入孔（直径10mm）；
b.在钢板的贴合面上每个螺栓孔周围用101号胶粘3个4mm厚的小螺母，用来控制胶层厚度和在紧固螺栓时保持钢板不变形。（101号胶和GROUT胶的使用方法和注意事项见材料说明。）
c.设置挂篮平台，拆除拱肋下缘粘贴的玻璃钢，凿除贴合面上已疏松的混凝土。
d.混凝土缺损处用101号胶或CARBO 100材料修补平整，恢复原来形状。缺损大的地方可在安装钢板时填充粒径5-10mm的干燥、洁净石子，待灌注后使其与GROUT胶结合为一体。的钢筋用角向砂轮除锈，并刷防护涂料（可用GROUT胶）。
e.把钢板摆放到贴合面，加以临时支撑固定。对应螺栓孔位置在混凝土上钻孔，如遇钢筋可打成斜孔避开。钻完孔后，取下钢板，用棉纱清除灰尘、碎屑后，将钢板重新安装在各螺栓上，拧紧螺母。
f.段与段间钢板先采用双面斜焊缝连接，然后拼接处采用宽度为30cm的窄条钢板从外侧搭接，搭接部分同样要设置注入孔座并粘结4mm厚的螺母，借用下层钢板的膨胀螺栓加以固定。
g.在钢板周边每隔约50cm插入一根15cm长，内径7mm的软塑料管作为排气管，插入钢板下2cm。钢板的各角应有排气管。对倾斜或垂直安装的钢板只需在顶边插排气管。
h.用抹刀抹101号定注入座、密封钢板周边、粘结盖碗扣住螺栓头。注入座周围抹胶范围应达直径8cm左右，呈锥形包覆注入座的底板。钢板周边的封口胶应呈等腰直角三角形截面，特别注意排气管周围的密封。
i.101号胶自然养生至完全固化后(约10~24小时)，用泵通过耐压管和注入座注入GROUT。从钢板的一端开始注，对倾斜或垂直安装的钢板要从位置最低处开始注。一边注一边用橡皮锤轻敲钢板，由声音判断是否注满。应以中速灌注，以免压力过大发生意外情况。
此外，由于钢板进料长度的限制，粘贴钢板须焊接接长，其焊接应按钢板对接受拉焊缝要求办理；由于膨胀螺栓仅起悬挂钢板的作用，钢板与拱肋底缘间力的传递是通过固化GROUT填充体与拱肋底表面、钢板粘贴面三者实现的。因此，施工中应特别注意相关工序的施工质量。
5 结语
5.1日本SHO-BONO混凝土结构钢板粘合加固法
本次设计中拱肋下缘采用日本SHO-BONO公司混凝土桥梁结构钢板粘合加固法进行加固补强。这种加固方法具有以下优点：
1）方法简单，施工操作安全高效，加固效果可靠。
2）据需要增强构建的抗弯、抗剪等能力，显著提高承载能力，延长使用寿命。
3）钢板通过结合力强大的高分子树脂粘结材料与原有构件紧密结合为一体，共同承担载荷，钢板的作用如同混凝土内部的钢筋。
4）采用独特的密封灌注法，保证贴合充分密实，与传统的涂抹压贴法截然不同。
5）钢板贴合部位的混凝土受到约束，能控制已有裂缝的扩展，防止新裂缝纹的产生。
6）材料耐久性强，可实现永久性修复。
7）环境温度在5-35°C范围内均可施工。
5.2加固后荷载试验鉴定
大江口大桥经加固施工后，有关检测部门对该桥进行了改造后的静、动载评估鉴定试验（试验数据略）。试验结果表明加固后大桥的静、动力性能均能满足设计要求，达到了加固设计的预期效果。
通过此次的加固改造，大桥的承载能力得到很大的提高，通行能力较以前也有很大的提高，该桥加固后营运至今，经跟踪观察使用情况良好。在大江口大桥这样的双曲拱桥进行加固改造上，在主拱圈下粘贴钢板使之与原结构形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载力的目的加固方案充分体现了它工期短、费用省、概念明确、改造较彻底的优点，具有一定的借鉴和推广价值。
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