钢筋混凝土肋梁桥桥面板病害调查及改造方法研究

钢筋混凝土肋梁桥桥面板病害调查及改造方法研究

王鑫琦   ,张功  ,李涛,  ,胡文静,  ,田帅

辽宁科技大学土木工程学院   辽宁鞍山  114051

摘要：混凝土肋梁桥的桥面板损害严重，运用FRP加固，FRCM加固，钢板加固法对钢筋混凝土肋梁桥桥面板有较好的修复效果。

关键词：桥面板；病害；改造

1.引言

在现代交通网络中， 桥梁是很重要的一环，是公路网和铁路网中的重要组成部分。我国现存了大量服役20-50年的钢筋混凝土肋梁桥。混凝土桥梁通常在达到其设计使用寿命之前就会表现出退化和功能缺陷的迹象。混凝土桥梁的老化将无法满足公共交通和安全的需求。钢筋混凝土肋梁桥是建设中小跨径桥梁的首选桥型，而中小跨径桥梁在我国桥梁建设中占比很大。其中有很多建设于上世纪90年代，已经到达一半服役期或将要到达服役期。这些桥面板已经出现了一些病害，急需要加固改造。

2.桥面板病害调查

桥面板的力学模型划分，对于整体现浇的肋梁桥，可分为单向板和双向板；对于装配式肋梁桥，可分为刚性固结悬臂板和铰接悬臂板。固结悬臂板是两主梁的翼板钢筋焊接形成一体，再浇筑混凝土。而铰接悬臂板是两主梁的翼板采用不承担弯矩的铰接缝连接。

刚性固结湿接缝，是将相邻两翼板中的钢筋延伸焊接环形或弧形钢筋固结，然后现浇混凝土形成整体。刚性固结湿接缝有高质量和耐久性、环保特性和施工效率高等诸多优点。

铰接缝连接，是将相邻翼板中的外伸钢筋弯成交叉形，并与铺装层内的钢筋网绑扎在一起，然后以铺装混凝土浇成整体。显然，采用铰接接头时桥面板的总厚度较刚性接头为小，钢筋用量和现浇混凝土数量也较少，但其传力性能较差，相应地会加大主梁的受力，对桥梁结构的安全性构成严重威胁。

现浇缝段是桥梁的重要组成部分，它是由预制桥面构件用交错钢筋和现浇混凝土连接而成，具有加速现场建设和减少交通影响的特点。

湿接缝作为T梁之间的连接构造，是整个上部结构承受荷载时最为关键的构造之一。在车辆荷载作用下，湿接缝处的桥面铺装层承受很大的正弯矩，由于早期的桥面铺装层厚度小、钢筋少，承受横向弯矩的能力有限，桥面铺装层很容易产生沿湿接缝方向的纵向裂缝。这将会削弱桥梁的横向连接性能，导致车辆荷载无法正常横向传递，对结构的直接危害是雨水沿纵向裂缝下渗，加之冻融循环、道路除冰盐和荷载重复的不利作用，会造成湿接缝处翼缘板端部混凝土剥离破损，周边钢筋锈蚀，严重影响结构的整体性和耐久性。当横向连接破坏严重时，车辆荷载直接作用的梁体可能会出现受力过大的情况，局部形成超载，严重时导致单梁受力破坏，从而引起诸多病害，见图1。

（a）初期破坏                （b）后期破坏

图1 桥面板的破坏形式图示

除此之外，钢筋混凝土肋梁桥桥面板还有不少病害，钢筋保护层厚度不足造成混凝土剥落和钢筋锈蚀；桥面表层的缺陷与病害；水平、竖向和网状裂缝。

随着交通实际交通量的快速增长，对直接暴露在交通荷载作用下的桥面面板提出了更高的要求。对于一些正在服役的旧桥来说，控制桥面板裂缝发展和控制其挠度是非常有必要的，下面是三种常见的加固桥面板的方法。

3.加固方法

3.1FRP加固

自20世纪90年代以来，纤维增强聚合物(FRP)复合材料被广泛应用于钢筋混凝土结构的外粘结加固。比较成熟的加固混凝土结构的技术是使用FRP作为外部粘结加固材料通过树脂类胶水粘贴。FRP通常由高强度纤维嵌入聚合物基体组成。纤维是主要的增强元素，聚合物基质作为粘合剂保护纤维，并在它们之间传递载荷。FRP复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等特点。重量轻可折叠可裁剪，在施工较为方便;高强度和高刚度意味着足够的加固效果;高耐腐蚀性，避免了金属材料常见的腐蚀问题，降低了使用寿命期间的检查和维护成本。FRP材料在材料种类上分为GFRP材料、CFRP材料、BFRP材料等，在形状分为FRP布、FRP筋、FRP板等。在混凝土肋梁桥桥面板加固中，在混凝土桥面板下部粘结FRP材料能有效提高桥面板挠度和极限承载力，减少裂缝宽度和数量。

在粘贴FRP材料时有两种粘贴方法。一是表面粘贴，即在磨平混凝土桥面底部用树脂类胶水普通粘贴。二是近表面安装，即在FRP材料末端安装机械锚固系统使FRP材料预应力，再进行粘贴和锚固。优点是防止了现有裂缝的扩展，防止了未来裂缝的形成，恢复了由于裂缝而损失的能力，延长了结构的使用寿命。通过控制裂缝的发展，粘结FRP材料也提高了构件的刚度，FRP材料还能保护结构免受混凝土变质和钢材腐蚀的影响。一些研究表明，FRP粘结剂的强度不受交通荷载的影响，因此在维修期间交通甚至可能保持畅通。然而，安装锚固系统，例如常用的一套金属锚固板和螺栓，既麻烦又耗费维修资金。金属部件也容易在长期内被腐蚀。锚固体系的问题增加了预应力FRP筋使用的复杂性。但也不能在钢筋混凝土桥面板的底部粘贴过度预应力的FRP材料，甚至在钢筋屈服之前就可能导致FRP材料的破坏。

3.2FRCM加固

纤维增强水泥基(FRCM)是一种由一层或多层水泥基基质与干性纤维织物组成的复合材料。将干纤维片放置在被加强的结构上，并用镘刀涂抹水泥基砂浆，以形成复合材料的基体并将系统粘结到结构上。水泥基砂浆一般使用磷酸镁水泥基砂浆和硫氧镁水泥基砂浆，它们比环氧树脂与混凝土桥面板兼容性更好，并更容易产生更强的粘结。由于其力学性能的优化和施工的便利性，已经发展成为一种应用日益广泛的建筑材料。纤维片常见为碳纤维和玻璃纤维片，主要来增强桥面板的抗拉能力。使用FRCM加固后的桥面板，改善了开裂后桥面板的裂缝发展，增强了残余抗拉强度，同时提高了桥面板的刚度。FRCM加固法更能提高钢筋混凝土桥面板的抗弯强度和耐久性。如用更多层织物加固，能使桥面板的抗弯强度有更大的提高。FRCM与混凝土的良好粘结不需要其他纤维材料的锚固，环氧树脂与混凝土不相容，因此胶凝粘合剂提供了更好的粘结。碳纤维格栅片仍是主要加固材料，因此FRCM的加固效果与FRP层板相当，FRCM可以有效降低钢筋应变和减少表面裂缝。该技术是一种可行的钢筋混凝土受弯构件，采用FRCM可以有效提高桥梁的承载能力和变形能力，

3.3钢板加固

外贴钢板作为修复和修复缺陷结构的常用手段，是提高钢筋混凝土桥面板强度和修复的常用方法。与其他方法相比，外板粘结法增加钢筋混凝土梁的抗弯强度和承载能力比较好，因为它使用较少的材料成本。这种外板粘接采用低碳钢板，因为低碳钢板具有良好的延展性和低碳含量。总的来说外贴钢板加固桥面板可以增加结构刚度和抑制其变形，也可以增加结构构件抗弯、抗剪强度。缺点是钢板外粘容易脱粘而不能达到假定的高极限承载力。钢板通常在应力集中的区域发生脱粘破坏，板的脱粘显著降低了由外粘钢板提供的强度增强，并可能产生脆性破坏。如何消除剪切带的过早脱粘，至今还没有明确的指导和解决方案。

但是不同的锚固技术已被使用，如近表面安装，机械锚具紧固和螺栓。工程上常用的螺栓加固法是在原有的混凝土桥面板上钻孔，然后使用螺栓和粘结剂将钢板固定在桥面板底侧。在这种方法中，混凝土桥面板的抗弯强度和延性同时提高，不增加任何拉压配筋。钢筋混凝土梁的抗剪承载力和刚度也增加。缺点是钢板的重量高，有可能被腐蚀。锚杆锚固也可能会导致靠近锚杆孔的混凝土发生开裂，导致粘接带或桥面板的脆性断裂破坏。

4.结语

钢筋混凝土肋梁桥桥面板由于裂缝控制的不足和挠度发展过大，在安全性和耐久性具有重大挑战。本文详细介绍了三种加固桥面板的常用方法。希望能给桥梁加固的从业者一些新思路。

参考文献：

[1]魏洋，端茂军，李国芬.桥梁检测评定与加固技术[M].北京：人民交通出版社，2019.

 项目：本文为辽宁科技大学创新创业项目（S202210146034）的阶段性研究成果