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拼接波形钢板加固既有旧桥维修加固施工新技术

拼接波形钢板加固是将2.0～8.0mm厚的钢板板面压成波纹(正弦、三角形、矩形等)后，经冷弯加工成相应弧度，经热镀锌、绝缘等处理后制成波纹板片，板片间通过高强螺栓连接形成的拱形承载结构。拼接波形钢板加固在国外应用已成规模，相应的设计、制造及施工安装手册和标准规范已趋于完善。例如在20世纪90年代初，《日本高速公路设计规范》规定了波纹管的设计;韩国通过引用北美技术于1997年开始研究应用拼装波形钢板加固，并于2002年发布了《拼装波形钢板加固既有旧桥维修加固施工》。国内采用拼装波形钢板加固技术虽起步较晚，但在公路、水利等行业亦有一定的应用。

钢板板面压成波纹板后，其抗弯刚度和抗压强度大幅增加。拼接波形钢板加固拱形结构形成环向受力状态，更优化了结构受力，增强了承载能力，同时具有较强的抗震能力，能适应较大的沉降与变形。在既有旧桥维修加固施工方面，与常用的钢筋混凝土套衬结构相比，拼装波形钢板加固涵洞技术在结构限界、受力与变形适应性、可维护性、环境亲和性、美观等方面有钢筋混凝土结构所不具备的优点。尤其是在节省工期方面更有不可替代的优势，具体体现在:拼接波形钢板加固既有涵洞施工周期一般为10d左右，是混凝土结构加固施工周期的1/2，可有效降低施工成本。同时，拼接波形钢板加固侵占的既有空间小，既能保证限界要求，又可减少由于施工对铁路运营及周边居民的影响。此外，采用拼接波形钢板加固后期维护换掉的波纹钢板材能够完全回收再利用，具有很好的经济社会效益。

拼接波形钢板加固涵洞施工关键技术：

1.拼接波形钢板加固排水技术 原盖板涵排水处于无序状态，雨季上部道床处的水通过盖板间隙杂乱流出。本次重新作了排水设计。通过在盖板间增设排水半管及在两端设置集水总管，使得上部道床积水通过半管引排至两侧端口并排至既有水沟。同时，为了防止上部道床泥沙堵塞排水管，在盖板间隙处增设双层土工布作为过滤层。2.拼接波形钢板加固精细化安装技术 由于采用拼装波形钢板加固每环由3块板片构成，每环设置纵向连接螺栓与环向搭接螺栓多达60多个，为保证结构受力，要求每个螺栓都须精确安装，难度极大。这对波纹板加工弧度和螺栓孔位设置精度要求极高。要求生产厂家加工完成后进行厂内预拼装，对不合格部位须二次处理。在现场安装过程中，通过背面背丝、千斤顶矫正等措施，进行精细化施工安装。3.拼接波形钢板加固分区域分次充填注浆技术为充分发挥拼装高强波纹板的承载能力，需对拼装波形钢板加固的波纹板与原盖板涵结构间的空隙进行注浆充填。对注浆体强度要求不高，只需保证填充密实，尤其是拼装波形钢板加固上部与盖板之间的密实，否则会产生冲击动载，恶化结构受力。

整装波形钢板加固的模型的建立

波浪或波折钢板是指通过卷曲或折皱增加面外变形来提供几何刚度使得自身不易发生屈曲的钢板。整装波形钢板加固常应用在梁腹板和墙体等构件中的钢板，因其特有的几何形状使自身不易发生屈曲，从而提高梁或墙体的屈曲性能。目前整装波形钢板加固已广泛运用于桥梁、建筑和公路工程中。20世纪80年代法国首先提出了整装波形钢板加固ＰＣ组合箱梁的新型组合结构，该结构以波形钢板代替混凝土箱梁腹板，并采用箱内体外预应力技术，实现了主梁的轻型化，增大了梁的跨越能力，整装波形钢板加固研究表明其初始刚度比同厚度钢管桩具有高强度、抗冲击、疲劳性能好便于割接、运输方便、沉桩速度快及挤土影响小等优点。针对整装波形钢板加固的承载性能，国内外学者对其竖向承载力和荷载传递特性进行了研究，已比较系统。

基于前人对整装波形钢板加固的钢管桩研究和波形钢的受力特点，

本文将整装波形钢板加固波形钢运用于桩基础中，设想了一种波形钢管桩，波形钢板管桩即有一定横向或者竖向波纹的钢管桩。针对整装波形钢板加固波形钢板管桩的承载性能进行研究，基于FLAC30数值模拟软件对其承载性能进行研究和可行性分析，并与普通管桩的承载性能进行对比分析。

整装波形钢板加固模型的建立（1）整装波形钢板加固材料的本构模型。桩采用各项同性弹性模型，土体采用Mohr—coulomb塑性模型。（2）整装波形钢板加固接触面设置。模型共建立两个接触面，在管桩桩身与土接触处建立一层接触面，桩端与土体接触处建立另一层接触面。这样可更好地模拟桩端与桩身连接处荷载作用下分离情况。（3）整装波形钢板加固几何模型。结构模型的尺寸为比较分析时人为拟定。结构模型沿ｙ方向长10m，并轴和彳轴方向长6m左右。桩长沿ｙ轴布置，长6m，横截面为一个外径0.2m，厚1.5m的圆环转换的波形截面，并且保证波形截面与圆环横截面面积相同。三维坐标原点建立在桩顶圆心处。土体是通过对圆柱体外环绕放射状网格模型单元变换得到并且拟定为均质土，桩体是通过对柱形壳体网格进行变换得到的。为了比较分析，拟定三种计算模型：整装波形钢板加固普通圆形管桩、整装波形钢板加固三角波形管桩和整装波形钢板加固正弦波形管桩。（4）整装波形钢板加固边界条件、初始条件。在模型周边侧面施加法向水平方向的位移约束，在模型的底部施加固定位移约束。为了较快地模拟初始应力，先重力作用下引起的应力场作为初始应力场。这样就可以较好的模拟静载试验前土体的应力状态。（5）整装波形钢板加固计算参数及模拟过程。钢板桩体弹性模量E=171.7GPA，剪切模量为79GPA。土体的为弹性模量为E=83MPA，剪切模量为G=38MPA，粘聚力C=30KPA，摩擦角设为0°。桩体和土体的密度分别为7850kg/m³和1950kg/m³。在整装波形钢板加固数值模拟计算时，采用分级加载的方式，分析并给出当桩受竖向荷载时，桩顶的竖向荷载一竖向位移曲线以及桩端受水平荷载时的荷载一水平位移曲线。

伴随我国经济的腾飞，我国的公路桥梁交通也在飞速的发展，社会对公路通行量的要求也在不断提升，这也要求公路桥梁的建设质量也较高，而公路桥梁随着社会的发展，以前修的桥梁也出现很多问题。公路桥梁维修加固方法总结： 1公路桥梁维修加固之加大截面加固法；加大截面加固法是进行市政桥梁结构加固的最基本的方法，其能够增加结构的刚度。在施工的过程中主要表现为2种形式，其一进行桥面板的加厚；其二进行主梁的截面加大。 2公路桥梁维修加固粘贴钢板加固法；粘贴钢板法是目前在重要的的市政桥梁上应用最为广泛的方法，其主要的施工原理是利用相应的胶结材料将钢板与原有混凝土粘结起来，增强结构整体的刚度与承载力。此方法具有施工作业速度快，作业面小、对交通影响很小的特点。但此种方法的质量受到多种因素的限制，且相对于增大截面加固法造价高出很多。   3公路桥梁维修加固之改变结构体系加固法 ；每一座桥梁都有自己的结构体系，在对桥梁进行加固的时候，可以通过增设支撑或桥墩，来改变桥梁的结构，把原本简单的支撑变为现在的连续支撑，或者还可以在桥梁的下方增加支架，来减少桥梁因为受力不均而导致的变形。通过改变结构的加固方法可以提高桥梁的承载能力。 4.公路桥梁维修加固之下部结构处加固方法 ；这种方法适合用于承载能力不足或过浅的深度，而砖石或混凝土刚性实体又是作为构成墩台的主要成分的情况。应首先计算地基承载力以确定是否扩大基础底面面积。 5.公路桥梁维修加固之桥梁体外预应力加固技术 ;桥梁体外预应力加固技术，是张拉混凝土截面外的预应力筋，通过转向块和体外筋端部锚具将预应力直接传递给混凝土构件。 6.公路桥梁维修加固之桥梁碳纤维加固技术 ;碳纤维材料是一种高弹性、高强度的高科技材料，利用粘贴剂将其粘贴在桥梁构建的表面，使之形成一体、共同承担受力，可极大的提高桥梁构建的抗压、抗拉、抗剪能力，目前已在我国桥梁加固行业广泛应用。7公路桥梁维修加固之植筋加固 ;植筋加固也是一种常见的桥梁加固技术。值得注意的是对于材料的选择，应该采用A级环氧树脂胶进行连接，植筋交结构应该具有良好的延展性及耐久性。还要注意的是，植筋锚固定胶必须是在专业的实验室或工厂配置好之后，运送到施工现场，严禁在施工现场进行该种该料的调配。8公路桥梁维修加固之裂缝修补维修 ;当桥梁出现裂缝的时候，桥梁需要修补加固。对于宽度大于0.15mm的裂缝，在采取灌浆处理时，应该选用A级优质的环氧树脂材料，因为裂缝较大，如果用水泥去填充，很可能起不到预想的效果。公路桥梁维修加固是一项系统的、复杂的工作，需要我们每一位工程人员认真结合每座桥梁的实际情况，结合相关桥梁专业理论知识，寻找一套科学、合理、明确的施工方案，采用科学有效的公路桥梁维修加固方式和技术，真正做到有效地提高桥梁的耐久度和安全性。 

本文提出的半连续梁加固法是一种通过纵向连续加固，使简支体系转换成一种既不是简支梁桥，又不是完全的连续梁桥的结构形式的全新的加固方法。半连续梁加固法可通过在梁端腹板中性轴附近锚固钢板或高强螺栓拉杆，并在中性轴以下区域采用抗压刚性块的方法来实现体系转换，无需凿除铺装层、无需增设钢筋并不改动支座的位置，对交通没有影响，施工方便、施工工期短，在交通日益繁忙的今天，不愧是一种理想的加固方法。

半连续梁加固技术的基本构思是，在梁端与梁端之间的腹板上采取措施使其纵向连续，梁端分担了一定的弯矩，结构体系发生变化，但这种结构体系既不是简支梁，又不是完全的连续梁加固，只能看作是一种“弱”连续梁的结构形式，该半连续梁加固技术方案可以在不中断交通运营且不改动现有桥梁支座的情况下施工。若其他条件一定，截面抗弯刚度与其承担的内力值成正比的关系，可知，体系转换后梁端分担了一定的负弯矩，可以改善简支梁桥的力学性能，提高桥梁的承载能力，同时还由于发生纵向“弱”连续所以桥梁的纵向刚度增强，桥梁的位移和转角都会下降，从而改善线路的平顺性，还可增强桥梁纵、横两个方向的整体性能。与全连续梁加固相比，半连续梁加固由于连续处抗弯刚度EI比全截面的抗弯刚度小，所以半连续梁加固的梁端弯矩必定比全截面连续梁加固的梁端弯矩小。但根据圣维南定理，对于整体桥型来看，同是连续结构，局部边界条件的差异不影响远离边界处内力分析结果，因此，半连续梁桥跨中内力值与连续梁桥跨中内力值应该相差不大。因此，在对简支梁桥承载能力提高相同的情况下，采取半连续梁加固方法比采取简支变全连续梁加固方法产生的支点负弯矩要小，所以半连续梁加固的受力较全连续梁加固受力更加均衡、合理。由经典的力学知识可知，连续梁支座截面处中性轴以上区域承受拉应力，中性轴以下区域承受压应力。连续梁往往由于支座截面拉应力过大而产生开裂从而降低承载能力，半连续梁加固简支梁桥变成“弱”连续梁桥针对此受力特点，采用在中性轴以下截面全连续来承受压力，中性轴以上允许发生转动释放掉部分拉应力，所以称之为半连续梁加固法，这也是与全截面连续梁加固法的本质区别。

随着社会的发展，桥梁长期处于超载条件下运行，容易出现年久老化变形、开裂破损等问题，至今一些拱桥都出现了不同程度的病害，需要对其进行加固改造，恢复或提高其承载力，延长其使用寿命。1.拱桥加固之钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固 ，该技术是近几年国内科研人员研究并已应用于实践的成功的拱桥加固技术。其加固机理在于，通过有效的保障措施，在原主拱圈外层环状封闭钢筋混凝土层，利用新增设钢筋混凝土套箍层与原主拱圈的共同协调变形、承担活载，达到提高桥梁承载力、防水蚀抗风化的目的。钢筋混凝土套箍封闭主拱圈拱桥加固技术的机理类似于锚喷，但其具有以下显著优点：（1）利用结构在二向受压情况下其抗压强度将提高的原理，釆用钢筋混凝土套箍环状加固桥梁，其拱桥加固增强效果较锚喷技术更为显著；（2）钢筋混凝土套箍层采用现浇施工，可达到较高的混凝土强度，能克服喷射混凝土强度低的缺点；（3）采用锚喷或碳纤维加固，加固层恒载主要是由原主拱圈承担，而钢筋混凝土套箍层则可实现大部分恒载由支架承担转为由复合主拱圈共同承担的目的。2.拱桥加固之锚喷技术 ，锚喷技术源起欧洲，上世纪80年代，才由国内科技人员将其应用于拱桥加固，目前，锚喷技术的发展也愈发成熟。锚喷技术主要是利用锚入原主拱圈内的锚杆挂设钢筋网，再施喷加入适量速凝剂的混凝土至结构面层，使其凝结硬化形成一种钢筋混凝土，直至形成复合主拱圈，并与原主拱圈共同协调变形，分担部分活载，从而达到提高桥梁承载力的目的。锚喷混凝土不需振捣，而是在高速喷射时，由水泥与骨料的反复连续撞击，使混凝土压密。同时又可采用较小的水灰比(0.40-0.45)，使其与混凝土、砖石、钢材产生较高的粘结强度。所以新旧混凝土结合面上能够传递拉应力和剪应力。锚喷技术对应于增大主拱圈截面面积的加固方法。当主拱圈承重构件的截面不足，或施工质量不佳，或墩台地基沉降，或桥梁长期超载运营等原因引起开裂变形时，一般可采用增加主拱圈截面的方法进行加固。锚喷混凝土在拱桥加固补强时，具有施工快速简便、经济可靠、不中断交通等优点。其具体过程是：（1）受喷混凝土表面清理与凿毛；（2）钻孔；（3）清孔；（4）填充孔眼；（5）插入锚杆；（6）挂设钢筋网；（7）喷射混凝土；（8）表面修整；（9）喷射混凝土的养生。3.拱桥加固之减轻拱上自重加固 ，减轻拱上自重是通过调整拱上恒载分布，进而达到改善和提高原桥承载能力的目的，但它与调整拱上恒载分布又不尽相同。调整拱上恒载分布是针对主拱圈变形过大，通过调整拱上恒载的办法来调整拱轴线与压力线；采用减轻拱上建筑自重的方法，则主要是针对某些双曲拱桥的基础承载能力较低，通过这一措施降低对基础承载力的要求。减轻拱上自重的方法有以下几种：（1）降低桥面标高，减少甚至完全取消拱上填料，或使用轻质拱上填料；（2）将腹拱的重力式横墙挖空，或改建为钢筋混凝土立柱；（3）用预制的钢筋混凝土T梁、微弯板或空心板等轻型桥面系取代笨重的腹拱体系；（4）采用钢筋混凝土刚架或桁架式拱上建筑。4.拱桥加固之顶推法加固，根据拱桥加固理论，两拱脚相对变位将使主拱圈内产生附加内力。以两拱脚的靠近变位产生的附加内力来减小在拱圈中已存在的结构内力和变位，从而使拱肋径向受力裂缝趋向闭合，同时，抬高拱顶标高，理顺桥面纵坡，以恢复、提高拱桥的承载能力。该拱桥加固方法比其他现有方法更经济实用，可在不损坏原桥外貌、不缩小通航净空的情况下，完成拱桥加固的工作。总之在拱桥加固改造工程中我们应遵循桥梁加固、改造工作的共性，既要借鉴相关规范，又要结合具体桥梁的特殊性，不断进取和探索切实可行的方法，使旧桥继续发挥固有的使用功能以保证公路交通畅通无阻。