浅谈芳玻韧布结合钢板在宁波琴桥火灾后加固中的应用
摘要：宁波琴桥西引桥第二孔2004年4月29日上午因意外起火燃烧，造成板梁、盖梁、端部支座不同程度的烧伤，局部混凝土爆裂剥落，截面减小。
板梁加固设计方案考虑到该桥梁板是采用先张法预制梁板，混泥土火灾后的剥离对梁底钢筋的握裹力及端部锚固影响都很大，经业主、设计及检测和施工单位等各方专家讨论，采用芳玻轫布与钢板相结合的综合加固技术，即先将梁端钢筋锚固区用钢板压紧防止预应力筋的松弛，然后再进行梁板的凿除、环氧砂浆修补及粘帖芳玻轫布梁底加固技术。
下载论文网 关键词：加固 火灾 芳玻韧布 钢板 宁波琴桥 ▲▲ 一. 工程概况 宁波市琴桥（又名大沙泥桥），它跨越奉化江，是连接海曙和江东两区的交通要道。
该桥共有十孔。
其中主跨一孔，靠江东区一侧的东引桥共有四孔，靠海曙区一侧西引桥共有五孔。
全桥桥长293.08m。
其中主孔桥跨结构为独榀钢管混凝土系杆拱，跨径为120m，引桥均为先张法预应力双腔空心板梁，每孔跨径为19～20m，其跨径组成（由东向西）：19.04m+19.0m×2+20.0m+120m+20.0m+19.0m×3+19.04m。
靠海曙区西引桥第二孔WL—2（由接坡处数起）桥跨结构于2004年4月29日上午发生火灾，导致该孔主梁和桥墩损坏。
该孔上部结构横向共有34榀先张法预应力混凝土双腔空心板梁组成，每块空心板梁宽为0.99m，梁长为19m。
混凝土强度等级为C40，每块空心板梁下设4块φ200×31mm圆板球冠橡胶支座。
该孔下部结构为由桩基和盖梁组成的排架墩，其中桥墩为WP—1和WP—2，其盖梁尺寸为长35.34m，宽为1.40m，高为1.341～1.600m，混凝土强度等级为C30。
钻孔桩直径为1.20m，混凝土强度等级为C25。
由于混凝土在高温下的爆裂、脱落、开裂等造成结构强度的降低，构件的刚度减少，同时在高温的作用下预应力钢绞线强度损失，板底钢筋强度及粘结力的降低。
图1 宁波琴桥主跨外景图 ▲▲ 二．火灾损伤状况 1、该孔南＃2～＃16梁底纵向距西端0.6m～10.5m范围内混凝土表面呈黄白色，估计当时混凝土表面温度达700℃～1000℃；其余梁底混凝土表面均呈烟熏黑色，估计当时混凝土表面温度达200℃～300℃。
2、WP—2墩盖梁东侧面横向为南＃2～＃21梁范围内混凝土表面呈灰白色，估计当时混凝土表面温度达600℃～800℃；WP—2墩盖梁东侧面其余部分及WP—3墩盖梁西侧面混凝土表面均呈烟熏黑色，估计当时混凝土表面温度达200℃～300℃。
图2 火灾后梁底火灾后局部严重部位 ▲▲ 三．损伤程度 梁底因火灾高温突遇冷水造成混凝土内外较大温差而产生较大拉应变，当超过极限拉应变时便成片爆裂、爆落，甚者露筋，在该孔西部10.5m范围内梁底剥落厚度为16～58mm。
西部梁底因火灾高温导致其下缘预应力钢绞线受热膨胀，使砼保护层产生沿预应力钢绞线的纵向裂缝，该处预应力筋有回缩现象，预应力有部分损失。
对该孔纵向裂缝最宽处（南＃12梁北侧）进行凿洞观察：裂缝深度为30mm，距钢绞线中心尚差20mm，横向位置距钢绞线中心20mm以上，表明该裂缝处钢绞线仍然有10mm以上混凝土包裹粘结。
由于先张法预应力梁靠两端锚固长度(Lm)内预应力筋与混凝土间的包裹粘结来达到锚固要求的，但该孔南＃7、＃8、＃10、＃12梁的纵向裂缝末端距梁端仅0.66m，小于该梁的锚固长度(Lm=1.5m)，因此预应力将有可能进一步损失。
WP—2墩盖梁东侧面横向为南＃2～＃21梁约长22m范围内为迎火面，混凝土爆裂损伤厚度为18～40mm。
火灾后梁底烧伤面积示意图如图3： 被烧损的梁体，虽然由于预应力筋回缩现象有可能导致预应力损失增大，但由于砼的剥落而导致截面特性减小，从而使预应力重心的相对偏心矩增大，故预拱度反而有所增大，该现象表明预应力基本是有效的，尚未有很大损失。
该孔西端橡胶支座迎火面表面有龟裂损伤、局部露出钢板，不影响承载能力，仅影响耐久性。
通过荷载试验该孔承载能力目前仍达到原设计要求。
图3 WL—2孔梁底烧损测绘示意图 ▲▲ 四. 加固修复原则及计算分析 加固修复原则：首先清除烧伤病害；混 凝土剥落处用高强修补砂浆修复；拟采用美国TYFO?芳玻韧布加固，在计算分析的基础上拟定设计加固方案；精心施工，使该桥经过加固后的承载能力不低于原板梁。
其计算分析过程可分为：等待截面换算；荷载作用下的挠度及预应力分析；预应力钢铰线拉力损失值和弯矩储备损失值计算；芳玻韧布提供的拉力值和弯距值计算。
1.等代截面换算 空心板梁的等代截面的换算：按截面等代的原则，即面积相等，截面惯性距相等。
将原截面转化为后图的形式（等代断面已计入铰缝的面积）。
如图4所示。
图4 等代截面换算示意图 等代换算按照减法进行，原矩形截面等代为118cm×75cm矩形截面，原空心圆形截面等代为矩形截面。
空心部分换算方法如下：空心圆形截面面积A=3036cm2，抗弯惯矩I=620000cm4，设以边长分别为b和h得长方形代替，根据等代原则，即A=bh，I=bh3/12，求得中空长方形截面的尺寸：b=61.3cm，h=49.5cm，近似取b=61cm，h=50cm。
如图5所示： 图5 预应力板梁受力示意图 桥烧伤前的空心板截面抗弯惯性矩为I前： I前=b1h13/12— b2h23/12 =118×753/12—61.3×49.53/12 =3528861.159cm4 桥烧伤后的空心板截面抗弯惯性矩为I后（按空心板底面高度平均损失4cm计算）： I后=b1h13/12— b2h23/12 =118×（75—4）3/12—61.3×49.53/12 =2899881.826 cm4 2.荷载作用下的挠度及预应力分析 由桥梁板在预应力作用下的挠度计算公式：f=kNyeL2/EI。
其中：k：系数（预应力不同情况下的K值取不同值）； Ny：钢绞线的预应力合力； e：钢绞线的中心偏心距； E：弹性模量； I：截面惯性距； L：板梁的计算跨度。
根据公式 f=kNy.eL2/EI可以推导出： f前/ f后=（Ny前/I前）/（Ny后/I后） 根据检测报告结果，可知烧伤后桥的挠度比烧伤前挠度增加30%~35%，烧伤后的板梁高度损失3~5cm。
按烧伤后板梁的挠度比未烧伤的板梁挠度增加30%计： 1/1.3=（Ny前/ I前）/（Ny后/ I后） Ny后/ Ny前=1.068 由以上计算可知道预应力砼板梁内的预应力值经过烧伤影响后（即遇火灾后），在试验荷载作用下，其预应力增大值比该板梁未经火灾损伤时增大了6.8%。
3.预应力钢铰线拉力损失值和弯矩储备损失值计算 （1）预应力钢铰线增加拉力值计算 根据原设计图纸，预应力钢绞线采用标准强度Ryb=1860Mpa，控制张拉应力=0.75Ryb，原4束6根直径15.24的钢绞线（计算面积140mm2），设计拉力值为F： F=1860×0.75×6×140×4=4687.2kN 预应力板梁钢绞线拉力的损失值为△F： △F=4687.2×6.8%=318.72 KN (2)预应力钢铰线增加弯矩值计算 参照原设计图，一块典型中板在未烧伤前设计抵抗弯矩为M原=120T?m，当预应力损失为△F时，其抵抗弯矩储备损失为M失： M失= △F × Z=31.87×0.6=19.12 T?m 4.芳玻韧布提供的拉力值和弯距值 (1)用加固方法补充预应力钢铰线的拉力损失值 拟采用在板底粘贴芳玻韧布来承担预应力板梁增加的拉力△F，芳玻韧布选取美国进口的TYFO?芳玻韧布，其强度设计值220Mpa，厚度为1.3mm，一块空心板宽度为1170mm。
在板底粘贴一层芳玻韧布，可以提高预应力板梁的抗拉力为F’： F’=1.3×220×1170/103 =334.6KN (2)用加固方法补充弯矩储备损失值 板底粘贴一层TYFO?芳玻韧布加固后新增加的抗弯弯矩简化计算如下： M’=1.3×220×1170×[750—110+(110+80)/2]/106 =223.587KN?m =24.59T?m 由计算知：M’=24.59T?m> M失= 19.2 T?m，加固后满足要求。
▲▲ 五、维修加固方案 1、设计思路 1）基层处理，即敲除砼烧疏层，外露钢筋除锈； 2）板底顺桥向裂缝处理； 3）烧损混凝土修复，即WL－2孔梁底和WP－2桥墩盖梁东侧面部位因火灾保护层减薄，影响耐久性，在这些部位采用高强度修补砂浆对原遭火烧破坏混凝土进行修复。
4）WL－2孔梁底和WP－2桥墩盖梁经过高强度修补砂浆修复后，再采用粘贴美国原装进口TYFO纤维复合材料（简称芳玻韧布）补强，以恢复及提高承载能力； 5）为了防止空心板梁西端烧损部位钢绞线粘结锚固失效，在西端采用压紧钢板装置增加摩阻锚固。
2、维修加固工工艺 1）施工准备，基本不影响交通。
2）敲除砼烧疏层，外露钢筋除锈。
①、凿除原板梁表面因火烧形成的烧疏层混凝土，直至坚实结构层。
凿除烧疏层的厚度应由加固工程师指导下完成，避免野蛮施工而将混凝土未烧疏层振松脱落。
②、外露钢筋采用钢丝刷进行除锈处理。
③、用使用吹风机将板底灰尘、杂物吹净，确保梁板底清洁，无浮尘。
[注意]：在凿除烧损疏松层时，注意一定不应使原梁的钢绞线松动。
3）裂缝修补处理方法 上述工序施工完成后，为了保证工程质量，根据检测报告，，在火灾后由结构受力与火灾荷载共同作用而产生的断断续续顺桥向裂缝见下表。
采用环氧胶进行裂缝修补施工，此注入树 脂不含溶剂，固化成分高，硬化收缩性小，对各种结构物具有良好的接著力，可以完全发挥修补或补强之效用，对结构物恢复其整体性，进而达成一体化的功用。
并根据裂缝宽度大小分两种不同工法施工。
①、当裂缝为宽度δ＜0.2mm细小裂缝时的处理方法 a、基层处理，先用角磨机打磨混凝土表面，使混凝土细微裂缝露出。
b、用吹风机将裂缝处灰尘吹净。
c、用环氧胶对细小裂缝做密封处理 ②、当裂缝宽度δ≥0.2mm时的处理方法 a、基层处理：先用角磨机打磨混凝土表面，使混凝土裂缝露出。
b、安装底座：以间距25~30cm安装底座。
c、裂缝密封：以密封剂将可能漏浆之蜂窝和裂缝密封，等待硬化。
d、环氧树脂灌注：以注射针筒将结构环氧树脂注入裂缝，至灌满为止。
4）WL－2孔梁底和WP－2桥墩盖梁东侧面烧损混凝土修复 为恢复原结构设计尺寸，首先原板底砼清理干净，然后采用高强度修补砂浆对原遭火烧破坏混凝土进行修复。
该修补砂浆经过高分子聚合物改性，对混凝土构件的结合力极强，镘抹时不垂落，硬化后不收缩、不开裂、强度高；能恢复结构强度，防止外界因素对钢筋的侵蚀。
①、施工前需清除底面的疏松物质、浮灰、油污、铁锈等，并用水冲洗干净，使表面润湿。
②、刷界面剂一道。
③、用聚合物高强专用修补砂浆进行修补，厚度大时要分层施工，每层不超过2cm,保证修补的密实度。
④、在00C以上使用，浆料终凝（约3小时左右）后，注意保护表面免遭雨水的破坏。
⑤、如坑洞或烧伤非常深，可在该处布置钢筋网或者植￠6钢筋处理，然后采用聚合物高强专用修补砂浆进行修补。
5）、粘贴美国TYFO芳玻韧布加固梁底 ①、施工工艺 a、基层处理 铲除待粘贴的基层的风化疏松层及剥落物等，用修补砂浆进行补平，再磨光使之平整，没有尖角和突起物。
粘贴前清除结构表面的结露和凝水，使其干燥。
确保裂缝处理合格后再进行纤维粘贴。
b、配制特种环氧树脂和浸润纤维布 在环境温度下按比例混合环氧树脂组份A和组份B，并用低速机械搅拌约5分钟，期间温度应控制在5—380C度之间。
根据图纸尺寸裁剪美国TYFO芳玻韧布纤维布，并将裁剪好的纤维布用TYFO专用树脂均匀涂湿。
c、复合补强层的施工 将待加固的结构表面涂刷一层混合好的树脂做底层。
在规定的时间内，将湿透的纤维布象贴墙纸一样平整地贴在砼表面，纤维布之间经向（主纤维方向）搭接长度不得小于150mm。
对复合补强层进行检查，树脂中的气泡必须在树脂硬化前排出，每一层纤维布必须与前一层或基层紧密附着。
在粘贴复合材料部位需进行粉刷时，（如有需要）在复合材料硬化前进行撒砂处理，以增加表面粗糙度。
d、复合补强层的养护 在环境温度和湿度下，粘贴后的复合纤维布24小时即可达到设计强度的80%，48小时将完全硬化，可以进行加载或使用。
在烧损混凝土经过修复、然后经过泰扶TYFO纤维复合材料加固后，在空心板梁西端锚固区内（预应力张拉位置：0.96m和3.47m处）安装钢板压紧装置，祥见施工图纸，其安装程序及工艺如下： ①、按设计位置在西端布置种植化学螺栓，为了使螺栓与胶层之间不粘结，可在种植螺栓暴露段包裹一层自粘性橡胶带为隔离层。
②、按螺栓位置在压紧钢板上放样钻孔。
③、对压紧钢板的粘结面进行除锈，呈金属光泽，并用丙酮除油污清洁。
④、在粘结面两侧涂抹一定厚度的建筑结构胶。
⑤、安装压紧钢板，通过拧紧螺栓初步压紧钢板，使饱满的建筑结构胶挤出，使之填满。
⑥、经24小时后，建筑结构胶基本固化，此时再次拧紧螺栓，使之产生压紧力，增强预应力钢绞线端部的锚固力。
7） 球冠橡胶支座修补工艺 ① 除去龟裂损坏部分； ② 用无水酒精或丙酮清洁被修补表面； ③ 立半圆聚乙烯模板； ④ 建议采用单组份聚氨酯灌筑修补。
▲▲ 六. 加固修复施工质量控制 在芳玻韧布布粘贴后养护即将结束时，质检员仔细观察芳玻韧布复合材料以检查是否存在空鼓，以保证总有效粘结面积不低于95%。
当芳玻韧布的空鼓面积不大于10000mm2时，可采用针管注胶的方法进行修补，当空鼓面积大于10000mm2时，可将空鼓部位的芳玻韧布片材切除，重新搭接贴上等量的芳玻—韧布片材，搭接长度不应小于150mm。
加固后控制截面挠度与计算挠度的比值均小于0.8，说明结构有足够的安全储备，刚度满足要求。
相对残余变形最大值为10.8％，小于规范要求的20％，说明该跨的梁具有较好的弹性回复能力。
▲▲ 七. 结论 宁波琴桥西引桥火灾后加固至今有两年多，根据实践证明及监测站的再次检查，加固后该桥承载力及各板梁刚度较加固前有较大幅度的提高，残余变形满足规范要求，完全达到桥上安全运营的加固目的。
参考文献: [1] 湛润水，胡钊芳，等.公路旧桥加固技术与实例[M].北京:人 [2] CECS25:90,混凝土结构加固规范[S]. [3] 张鹏. CFRP加固RC梁板受弯性能研究[D].上海:同济大学， [4] 陈何峰，史家钧.桥梁评估中基于经济制表计算权重的新方法 2004. [5] 火灾后建筑结构鉴定标准 2005 [6] 谢凡，陈大川。
湖南城建高等专科学校学报，2001（6） [7] 王高峰，叶锋。
山西建筑，2004 [8] 纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规范》G/TJ08—012—2002 [9] 混凝土结构加固工程技术规范 （责任编辑：段玉）。