钢板混凝土组合技术在桥梁加固中的应用.docx

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钢板混凝土组合技术在桥梁加固中的应用

钢板—混凝土组合技术在桥梁加固中的应用

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钢板混凝土组合技术在桥梁加固中的应用

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1.原紫竹桥概况

北京市西三环紫竹院立交桥位于紫竹院路与西三环路的交叉点处，为三联九孔连续箱梁桥，该桥为斜桥，紫竹院路与三环路交角为62o2547〞。

主桥为三孔变截面预应力混凝土连续箱梁，斜长标准跨径为28.2m+40.162m+28.2m。

三环方向投影标准跨径为25m+36m+25m，东西引桥均为等截面普通钢筋混凝土三跨连续箱梁。

斜长标准跨径为322.562m，三环方向投影标准跨径为320m。

该桥机动车道为双向六车道，机动车道宽为12.25m，非机动车道宽为6m，机动车道分隔带为2m，非机动车与机动车道分隔带宽为1m，人行道宽度为3.3m。

全桥分成南、北两幅，半桥宽为23.55m，全桥宽为47.1m。

主桥中跨跨中梁高为1.3m，中支点处梁高为2.2m，端支点处梁高1.2m，箱梁采用圆弧线，主桥设七根横梁，主桥纵向设置有粘结预应力束，按全预应力混凝土设计，主桥箱梁顶板设置无粘结预应力束，按部分预应力混凝土结构设计。

东西引桥各设七根横梁，箱梁内悬臂板宽3.43m，外悬臂板宽5.5m，横向设无粘结预应力束。

主桥箱梁为C45混凝土，引桥顶板为C40，引桥底腹板为C30，桥墩为C30，桥台为C25，承台桥台基础为C20混凝土。

桥墩采用柱式墩，墩底采用桩基础，墩柱上设板式橡胶支座，桥台上设四氟板橡胶支座。

该桥设计荷载等级为汽超20级，挂车120。

该桥于1993年建成通车，是北京的第一座变截面混凝土箱梁，也是北京市唯一的一座采用无粘结预应力大悬臂板桥梁。

2.紫竹桥现况及加固原因

随着北京交通事业的迅猛发展及周边快速路网的建成，原紫竹院立交桥已不能满足社会交通要求，经上级有关部门批准，2002年下半年开始对紫竹院立交道路进行改造：

除新建两座定向匝道桥外，现况紫竹桥由原双向六车道改为双向八车道型式，且设计等级由原建的汽超－20级提升为城市－A级。

因此须对现况紫竹桥做出鉴定与处理。

2.1试验与验算

（1）经现场按城市－A等级加载试验，引桥边跨跨中最大挠度4.9mm，是跨度的1／4558，主桥中跨最大挠度6.6mm，是跨度的1／5451；外悬臂板端部最大位移与悬臂长度之比为1／1444；内侧悬臂板端部最大位移与悬臂长度之比为1／1092；在荷载作用下，全桥的变形曲线符合实际结构受力变形规律，卸载后桥梁残余变形很小，基本得到恢复，说明箱梁在试验荷载作用下处于弹性工作状态，满足JTJ02385《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。

在试验荷载作用下，桥台及墩柱几乎没有沉降，说明下部结构有足够的承载力及刚度，完全可以满足当前及改造后的使用要求并有相当大的强度储备。

（2）通过对原桥上部结构图纸按城A等级验算，除引桥边跨配筋不足外，其它基本能够满足要求，但安全储备不足。

2.2现场考察

（1）现况紫竹桥两侧悬臂板已经出现明显的波浪起伏，最大变形1315cm，同时引桥的腹板多处出现裂纹，桥台前脸儿也出现不同程度的破损。

（2）主桥、引桥之间伸缩缝漏水，梁端部分钢筋锈蚀比较厉害，局部混凝土破损严重。

基于以上情况，为保证该桥使用的安全性与可靠性，同时为解决桥上的交通堵塞和悬臂部分等级提升问题，决定对该桥进行加固。

3加固方法

加固方案初步定为三种：

第一种为碳纤维加固技术；第二种是体外索预应力技术；第三种为钢板混凝土组合技术。

经专家评议最终决定采用清华大学建筑设计研究院的钢板混凝土组合技术加固方案。

此加固方案共分梁底加固、桥面加固和桥台加固三个部分。

3.1梁底加固

为解决荷载等级提高后引桥跨中承载力不足的问题，在引桥边跨跨中2／3处采用钢板混凝土组合加固技术。

把箱梁底板混凝土凿毛5mm，清理干净后，按300mm300mm间距植筋，胶结材料为DJR建筑结构胶，加工制做10mm厚带栓钉的钢板，通过喷射混凝土与原有结构连接形成新老混凝土及钢板共同工作的钢板混凝土组合结构，以提高抵抗正弯矩的能力。

钢板混凝土组合结构总厚度150mm。

3.2桥面加固

（1）首先拆除全部地袱及栏杆、隔离带、人行道、沥青混凝土桥面铺装以及伸缩缝等桥面附属设施，露出桥面混凝土，将桥面混凝土凿毛，对已经存在缺陷的部位清理至密实处，然后除去浮渣、尘土，按照桥面纵、横坡要求浇注8cm厚C40混凝土面层（后浇层）。

（2）后浇层内悬臂部分基本横向配筋为：

5.5m悬臂板配直径20＠200mm，3.43m悬臂板配直径16＠100mm，锚固长度2m，悬臂部分及墩顶负弯矩区在原混凝土表面按400mm400mm间距植筋，胶结材料为CGM高强无收缩灌浆料，新老混凝土通过植筋及混凝土之间的粘结咬合作用共同工作，形成叠合层桥面，依靠后浇层内的配筋来抵抗悬臂板根部的负弯矩。

（3）引桥部分中间支座后浇层内配置纵向钢筋直径18＠100mm，伸入两侧的长度为各自跨度的1／3，以提高中间支座处的负弯矩承载力，桥面其它部分配置钢筋双向直径12＠150mm。

（4）混凝土后浇层之上作APP卷材防水层、SMA16改性沥青混凝土铺装层，厚度7cm。

（5）断开原主、引桥之间连续桥面，以伸缩缝隔断，原齿形钢板伸缩缝更换为SSFB80伸缩缝，其它桥梁附属设施更新。

3.3桥台加固

由于桥台前脸，特别是翼板以下的部分破损比较严重，故对桥台前脸也采用钢板混凝土组合技术进行加固。

4加固施工

紫竹桥分为南、北两幅，施工时西外大街交通改为单行线，只允许由东向西出城方向的车辆通行，先施工南桥，再施工北桥，工期各为两个月。

4.1梁底加固

（1）围档

首先沿桥梁四周设置围挡，封闭施工。

（2）支搭作业平台

使用直径48钢管支搭脚手架，脚手架顶满铺脚手板，要求作业平台距梁底170～180cm，以便操作，然后引入电力电缆，安装电闸箱及照明设备。

（3）原桥钢筋探测

使用雷达检测仪对原桥梁底钢筋进行探测，标明位置，同时画出钢筋分布图。

（4）凿毛

按设计图纸放线确定加固范围并进行凿毛，凿毛要求坑深5mm，坑与坑之间的净距10mm，每平米凿毛数量约2000点，且坑与坑之间的混凝土要见新茬。

又由于梁底凿毛是逆作业，故凿毛时首先使用电刷子将梁底刷磨见混凝土新茬，然后使用电锤进行凿毛。

这样施工的优点是速度快，布点均匀，深度一致，质量好。

（5）植筋定位

根据设计图纸及已画好的钢筋分布图划线定位植筋点，设计植筋间距300mm300mm，当植筋点与原桥钢筋发生冲突时，适当调整植筋位置，以钻孔时不损坏原桥钢筋为原则。

（6）钻孔

梁底所植钢筋为直径16mm，钻孔直径20mm，深度80mm，采用金刚石钻机及博士电锤进行钻孔，用空压水枪雾状喷洒粉尘，20min降尘一次，钻孔控制不伤主筋，垂直度偏差小于2，深度偏差小于5mm。

（7）清孔及孔壁处理

当一跨内的钻孔结束后，统一进行清孔，首先清除孔内的碎块及杂物，然后用高压空气吹出孔内的粉尘及细小颗粒物，接着用干棉丝清理孔壁粉尘，最后用棉丝浸泡丙酮液对孔壁、孔底进行清洁。

（8）钢筋准备

在梁底凿毛钻孔时，在预制加工场将合格钢筋按设计要求加工成型，运至现场，集中码放，准备待用。

（9）DJR建筑结构胶的配制

DJR建筑结构胶为A、B两种，使用时根据季节、结构部位及其它使用要求按产品说明书配制而成，本工程中按压入孔中不流淌和4～6h固化进行配制。

在正式使用之前在桥台上进行破坏性拉拔力试验，试件做了三根，钢筋直径16mm，孔径20mm，深度80mm。

试验时分两级加力，首先加荷至30kN，然后进行破坏性试验，试验情况见表1。

表1植筋拉拔力试验

编号

一级荷载（kN）

最大荷载（kN）

破坏情况

ⅠⅠ

30.0

70.0

混凝土破坏，钢筋拉出，钢筋与DJR胶粘结未破坏

ⅡⅡ

30.0

70.0

混凝土破坏，钢筋拉出，钢筋与DJR胶粘结未破坏

ⅢⅢ

30.0

70.0

混凝土破坏，钢筋拉出，钢筋与DJR胶粘结未破坏

由试验结果可知，所植钢筋的拉拔力远大于设计20kN拉拔力要求。

（10）植筋锚固

首先用自制简易专用灌胶设备将DJR建筑结构胶压入孔内，单孔灌胶量用下面的公式确定：

G＝hp（D2－d2）／4

G灌胶量（g）

h孔深（cm）

p胶的体积质量（约1.68g／cm3）

D钻孔直径（cm）

d钢筋直径（cm）

按上面公式算得G＝15.2g，考虑植筋时溢出部分的质量，实际单孔压胶质量按1820g控制。

DJR结构胶灌入孔内后，插入钢筋至孔底，顺时针旋转钢筋23周，使结构胶充分与钢筋、孔臂粘合，调整好钢筋位置，然后在钢筋与孔壁之间敲入钢钉挤紧进行固定。

在结构胶固化时间内保护钢筋不受扰动。

待结构胶固化锚固钢筋，一孔钢筋植好后，按5／1000的频率进行拉拔力测试，测试时超过20kN即可，不再进行破坏性试验。

（11）绑扎钢筋网片

在原桥梁底混凝土表面绑扎直径6mm双向间距200mm的钢筋网片，钢筋网片用绑丝固定在所植钢筋上。

（12）钢板加工

本桥加固钢板为厚10mmQ235钢板，在钢结构加工厂内加工成型后运到现场待用。

首先根据桥梁加固平面尺寸设计加固钢板拼装图，确定单元钢板加工图，在厂内加工，并按要求铣削坡口。

单元钢板尺寸加工合格后，开始按设计要求焊接直径16回头栓钉，栓钉高度100mm，设置间距为200mm200mm，采用拉锚焊接，焊接后按规定频率进行弯曲冲击试验，试验方法为用铁锤打击桩头栓钉，使焊钉弯曲至30o，焊缝和热影响区没有肉眼可见的裂缝为合格。

栓钉检验合格后，对钢板内表面进行喷砂除锈，要求达到Sa2.5级，然后对内表面进行热喷锌处理，喷锌厚度80?

，喷锌厚度及吸附力检查合格后，整个钢板加工即算完成。

（13）钢板安装

钢板运到现场后，吊装至自制钢托架上，再用卷扬机通过滑轨将托架拉至工作平台上，然后利用吊链将托架升到设计位置，吊环可以利用已植好的钢筋或在已装好的钢板下表面焊接吊环，用完后割掉吊环，将钢板打磨平整即可。

安装钢板时如回头栓钉与植筋发生矛盾（因为栓钉与植筋的模数不一样，植筋布置为300mm300mm，而栓钉按200mm200mm布置），可适当调整植筋或栓钉位置，确保钢板拼接位置淮确，焊缝间隙合理。

位置调整好后，在钢板四角处及中间位置用钢筋将植筋与栓钉焊起来，确保钢板不会掉下来，同时卸下托架，改用碗扣支架上托方木进行支撑。

钢板安装以东西向一条钢板全部安完并焊接成整体为一个工序，然后进行喷射混凝土作业，再安装钢板，再喷混凝土，如此循环直至完成。

钢板安装可由南向北或由北向南推进，本工程中由于工期紧，为了多开几个作业面，由桥中向两侧推进作业。

钢板焊接采用手工电弧焊仰焊施工。

所有操作人员上岗前要经过技术考核，进行模拟焊接作业，试件做拉力、面弯、背弯试验合格后方可上岗，所有焊缝须经超声波检测，满足二级焊缝要求。

（14）喷射混凝土

钢板安装调整合格后，即可进行喷射混凝土作业。

本工程采用湿喷法施工，混凝土设计强度等级为C30，由榆树庄混凝土搅拌站拌合，罐车运送至工地。

混凝土配合比为1:

0.40:

1.83:

2.53:

2.3%:

6.3%:

5.3%，单方用量为水泥412kg，水175kg，砂755kg，石子1042kg，TZl1混凝土泵送剂9.476Lg，CSA膨胀剂26kg，速凝剂22kg（现场掺加）。

水泥为PO32.5，骨料最大粒径15mm，坍落度1214cm。

现场采用湿喷机进行作业，实际作业时严格按操作规程进行操作，现场一般控制喷距以0.81.2m为宜，速凝剂风压0.30.6MPa为宜。

混凝土由侧向喷入，每次喷到距钢板边缘200mm处，由于掺入了速凝剂，使每一批次喷出的混凝土面稳定不坍落，然后再安装相邻处的钢板作业，再喷射混凝土，如此循环反复，直至终了。

（15）钢板外防腐

所有喷射混凝土作业完成后，进行清理养护。

同时对钢板底面进行打磨除锈，除锈等级St2.5级，然后采用881系列防腐漆处理，分两层喷刷，总厚度80?

，颜色为浅灰色，与原桥翼板下颜色基本一致。

4.2桥面加固

桥面交通中断后，开始进行沥青混凝土桥面铺装、防水层、人行步道、栏杆、地袱、伸缩缝等项目的拆除工作。

拆除开始至栏杆安装完毕期间，桥边设安全设施，保证社会车辆、行人及施工人员的安全。

桥梁翼板上的植筋方法与梁底加固相同，植筋直径14mm，钻孔直径18mm，深度60㎜，采用CGM高强无收缩灌浆料，其它加固工作与桥梁常规相同，只不过桥面钢筋较粗，直径为12、18，混凝土强度等级为C40。

4.3桥台加固

由于桥台只是局部次要部位破损，主要受力部位情况良好，且荷载储备较大，为节约资金，只对桥台局部进行补强和装饰，其它地方维持原状。

5加固效果

2002年8月经有关部门对加固后的北幅主桥及东西引桥进行测试得出以下结论：

（1）实测各级荷载作用下控制截面的应变分布基本符合截面假定，截面应变与荷载弯矩基本呈线性关系，各控制截面基本处于线弹性工作状态。

（2）各个控制截面的实测效验系数满足《大跨径桥梁实验方法》和《公路旧桥承载能力鉴定方法》的要求。