桥梁加固方法及其成本初探

桥梁结构加固方法及其成本初探桥梁结构加固方法很多，而且新工艺、新材料层出不穷，本文主要收集的是桥梁结构加固通常采用的方法。目前，桥梁结构加固通常采用的办法有:粘贴碳纤维材料加固法；粘贴钢板(包钢)加固法；体外加预应力拉杆、拉索加固法；植筋、植锚栓加固法和裂缝修补。下面就目前比较普遍存在的混凝土桥梁采用上述办法加固时的工作机理和适用的条件、基本工艺流程及应注意事项、成本构成等几个方面进行初步探讨，对于成本的构成本主要还应针对具体项目实际情况进行详细的预算控制分析。一、粘贴碳纤维材料（碳纤维布和碳纤维板）加固法1、粘贴碳纤维材料加固法是将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维），用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。碳纤维材料具有如下优点：(1)抗拉强度高，是同等截面钢材的7-10倍；(2)重量轻，密度只有普通钢材的1/4；(3)耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏；(4)柔软，施工方便、省力节时、施工质量易于保证。该办法适用于桥梁的梁、柱、面板加固，特别适合用于各类曲面结构的加固。粘贴宜在5℃～35℃环境温度条件下进行，胶粘剂的选用应满足使用环境温度的要求；混凝土表层含水率不大于4%；环境相对湿度不宜大于80％；雨天或空气潮湿条件下不宜施工。2、施工工艺流程：施工前应按设计图纸，在加固部位放线定位。具体施工顺序为：（1）处理混凝土基面：A.用钢丝轮角磨机清除混凝土表面的劣化层（剥离、蜂窝、浮浆、由于腐蚀或分化产生的水泥翻沫，脱模胶层、松散的混凝土碎屑、沥青等），并用吹风机吹净，露出干净、平整、结构坚实的表面。B.对于混凝土胀裂，松散，钢筋锈蚀的现象，先凿除松散部分，对锈蚀钢筋进行手工除锈，然后采用环氧树脂作防腐处理，并用环氧砂浆作为整平材料填补平整。在填补环氧砂桨前，先在破伤口处涂刷一遍环氧胶作为粘合剂，以确保新老混凝土粘合良好，并且不会产生裂缝，对蜂窝、麻面大的孔径孔洞，采用环氧砂浆填充平整，并保证混凝土保护层不小于15mm且平整度达到5mm/m。C.修补表面裂缝，先对裂缝进行修补，对宽度≤0.1mm的裂缝，只作表面封闭，用专用环氧树脂在其表面进行反复涂抹，使树脂渗进裂缝内，达到对裂缝的封闭弥补，对宽度大于0.1mm的裂缝，采用裂缝注浆嘴及注浆器压注环氧树脂胶对裂缝进行灌注，以达到对裂缝的弥补。D.对基面经过剔凿、处理锈蚀露筋可能有出现急剧凹陷或构建受损的部位，用环氧树脂砂浆或碳纤维整平材料填补修复平整或圆润顺畅过渡，确保结构表面平整美观。E．对基面尖锐凸起的部位（混凝土构件交接部位、模板段差等）用混凝土磨片角磨机进行倒角处理，打磨之呈现圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。F．清理打磨后基面上的粉尘、松散浮渣，用电吹风机吹净，确保粘贴基面山干净、无油垢并充分干燥。（2）涂底胶A.根据标准用量，算出所涂布面积的粘贴结构底胶用量，视现场气温等实际情况，确保在适用期内一次用完，按底层结构胶规定的比例把底层结构胶主剂和固化剂置于配胶容器中，搅拌均匀。B.用滚筒刷或毛刷均匀，无遗漏地将底胶涂在需补强的混凝土表面，底胶涂布面边界不小于所粘贴的碳纤维布大小。C.等底胶凝胶至指触干燥（视施工现场气温情况，一般需1.0小时左右）后，如发现表面有突起毛刺，应用砂布打磨光顺，注意不能将底胶层打磨穿。如有打磨穿的局部应重复操作步骤。（3）修整找平层A.底胶干燥后，若发现粘贴表面上有缺损、坑洼、凹陷拐角、模板接头处出现的高度等情况，再用找平胶（用粘贴胶加适量作为触变剂的矿物填料调制成的腻子）进行刮填修补，保证接头处无明显高度差，缺损，坑洼平缓顺畅，凹陷拐角处填补圆角过渡。整平材料的调制和适用事项与底胶相同。B.等整平材料固化至指触干燥后，如发现整平部位表面有突起的毛刺，应用砂布打磨光顺。（4）粘贴碳纤维材料A.按设计要求的尺寸裁剪碳纤维材料。B.根据粘贴胶的标准用量，计算出所涂布面积的需用量，视现场气温等实际情况，确保在使用期内一次用完，按粘贴接胶使用说明规定的比例把粘接胶主剂和固化剂置于配胶容器中，搅拌均匀。C.用滚刷或毛刷均匀、无遗漏地将粘接胶涂在选定的混凝土表面，粘接胶涂布面应不小于所粘贴的碳纤维材料大小。D.在已涂好粘接胶的混凝土表面铺覆碳纤维材料，碳纤维的铺覆方向符合设计要求，一层中各张布之间的搭接应在纤维方向进行，接头应不小于100mm。E.用胶辊在碳纤维布上沿纤维方向施加压力并反复碾压（但注意不要在一个部位反复滚压，应从一端向另一端滚压反复进行），使树脂胶液充分浸渍碳纤维布，消除气泡和除去多余树脂，使碳纤维和底层充分粘接，粘贴下层时重复上述操作。F．当采用多条或多层纤维复合材料加固时，在前一层纤维布表面用手指触摸感到干燥后立即涂胶粘剂粘贴后一层纤维复合材料。如超过40分钟则要等到12小时后再粘贴后一层纤维复合材料纤维复合材的加固量，对预成型板，不宜超过2层；对湿法铺层的织物，不宜超过4层，超过4层时，宜采用预成型板，并采取可靠的加强锚固措施G．粘贴结束后遵循下述自然养护制度：a.每处施工完成后，自然养护24小时内确保不受外力硬性冲击等干扰：b.每道工序过程中及完工后，均采取适当措施保证不受污染或雨水侵袭；c.该工程施工过程平均气温一般都高于15℃，自然养护5天左右。d.对粘贴施工完成的复合材料层，经自然养护至粘接胶完全固化后，对碳纤维布粘贴面仔细检查，如果碳纤维布粘层有空鼓或气泡，可以用刀片将碳纤维布划开（注意不要划断得太长），然后采用注射器针管将调制好的粘接胶注入空鼓或气泡内填充至密实。保证密实粘贴面积大于95％。注意：涂胶及粘贴碳纤维布应做到稳、准、均的要求：稳就是力度要适量，胶不流不坠，布不折不皱；准就是不出控制线；均就是厚薄要一致。3、主要成本构成包括以下几个部分：（1）主要机具有砂轮切割机、角磨机等，一般在2～4台即可满足工程要求。（2）辅助材料主要有滚刷等。（3）脚手架租赁、搭设、拆卸、运输费根据具体施工情况而定。（4）人工费：每100平方米面积碳纤维加固应安排2名技术工人、3名普工。（5）外层涂装：用于防腐与装饰，一般采用墙面乳胶漆即可。（6）主材为碳纤维材料，包括有：碳纤维布和碳纤维板。碳纤维布有200克/平方米和300克/平方米,目前使用较多的为300克/平方米。碳纤维板，分1.2mm和1.4mm厚两种。（7）改性环氧树脂胶,作为底胶和面胶用于粘接纤维材料。目前常用的碳纤维加固材料有国产的北京元邦、上海同砼,进口的有日本东丽、美国赫氏Hexcel。上海同砼碳纤维布有限公司和同济大学耐侯试验室在同一地点办公，是同济大学合作企业，由同济大学教授参与设立的，主要购进日本碳纤维丝进行二次加工，生产碳纤维材料并从事结构加固施工。上海骁邦建筑科技有限公司是日本东丽碳纤维材料（日本SHO-BOND公司）华东地区经销商，销售日本东丽碳纤维材料和新加坡美瑞德公司的粘胶，同时从事结构加固施工（包括裂缝修补）。以下按照100平方米面积结构加固，位置处于城市边缘较好施工条件下，施工环境可以满足需要的情况下对采用上述两家公司产品进行结构加固的成本进行初步估算和列表对比，并折算成每平方米单位成本。说明：1.以下表格中用量、费用均按每平方米为单位进行折算；2．以下表格中金额单位为人民币元；3.两家均采用300克/平方米规格的碳纤维布为主材。序号费用名称用量(备注)日本东丽产品上海同砼产品单价金额单价金额1碳纤维布2层,2平方/平方米95元/平方米19085元/平方米1702粘胶0.8KG/平方米65元/KG5240元/KG323外层涂装含工费和辅料30元/平方米3025元/平方米254直接工资90655间接管理费15%(含辅助物料、设备折旧、运输成本、辅助人工工费等）67.552.56税金6%27217小计456.5365.5从上表可以看出用日本东丽公司进口碳纤维布进行加固每平方米成本在450元左右，用上海同砼产品平方米成本在350元左右。二、粘贴钢板加固法1、粘钢加固法是将钢板采用高性能的环氧类粘接剂粘结于混凝土构件的表面，使钢板与混凝土形成统一的整体，利用钢板良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。这种方法施工简便、快捷、基本不增加被加固构件断面尺寸和重量；用建筑结构胶将钢板（型钢）与混凝土紧密粘接，将加固件与被加固体合为一体，结构胶固化时间短，完全固化后即可以正常受力工作。主要适用于一般受拉件和受弯件的加固，通常在以下情况使用：钢筋焊接点断裂加固；施工中漏放钢筋加固；混凝土柱子牛腿断裂加固；梁柱受化学腐蚀加固；减震加固；增强旧桥承载力。该办法适用环境温度不超过5～60℃，相对湿度不大于70%，无化学腐蚀，构件混凝上强度等级不低于Cl5。2、施工工艺流程:(1)钢板下料宜采用工厂自动、半自动切割方法，切割边缘表面光滑，无毛刺、咬口及翘曲等缺陷;(2)粘贴面处理:钢板粘合面可用喷砂或平砂轮打磨直至露出金属光泽，打磨纹路应与钢板受力方向垂直，钢板粘结面应有一定的粗糙度,钢板外露面必须除锈至呈现金属光泽并保持干燥;同时对混凝土表面缺陷应进行修补，修补完成后表面应平整，无裂缝、脱层、起鼓、剥落等；(3)加压固定及卸荷系统准备(根据实际情况和设计要求，卸荷步骤有时省去);(4)如需要辅助膨胀螺栓或化学锚栓固定,则需按照植锚栓办法施工,并按锚栓设计位置对钢板钻孔，孔的边缘应清除毛刺;(5)胶粘剂配制,按配置说明处理；(6)涂胶和粘贴:将配好的胶粘剂均匀地涂抹在清洁的混凝土和钢板条粘结面上,立面涂胶应自上而下地进行；钢板条粘结面上的抹胶可中间厚两边薄，板的中央涂抹胶的厚度为3～5mm；将钢板平稳对准螺栓孔并迅速拧紧螺帽，使钢板与混凝土紧密粘合，清除挤出的多余胶粘剂；钢板加压的顺序应由中间向两边对称进行；钢板厚度大于5mm时，采用压力注胶粘结，先用封边胶将钢板周围封闭，留出排气孔，在钢板低端粘贴注浆嘴并通气试漏后，以不小于0.1MPa的压力压入胶粘剂，当排气孔出现浆液后停止加压，并用封边胶封堵，再以较低压力维持10分钟以上；(7)卸加压固定系统;(8)所用的钢板应按设计要求进行涂装防护处理;(9)进行质量检验。3、主要成本构成：项目成本构成一般包含人工费、材料费（主要材料和辅助物料）、仪器设备使用费、运输和存储费用、管理费及税费、零星支出。粘钢加固的方法本身所用的主要材料有钢板、胶粘剂，辅助的材料有(膨胀)螺栓等，下面主要就主材进行分析，具体费用根据具体项目进行核算。(1)钢板钢板一般选用Q235(A3)钢板，工业中常用的3号钢或者16Mnq钢板均可，厚度一般在2~6mm之间，可根据工程实际需要设计确定，特殊情况时可适当加厚，材料的各项性能指标应符合相应行业及有关规范的要求。(2)粘胶剂粘胶剂目前种类很多，主要有JGN(中科院大连化学物理研究所)、YJS-1(冶金建筑研究总院)、ET(苏州混凝土制品研究所)、WSJ(武汉水利电力学院)等系列产品，各种粘胶剂的各项性能指标可查阅相关书籍或者直接向有关企业索取。其工序和粘贴碳纤维材料基本相似，主材即Q235钢板目前市场价格在4500元/吨，按4mm厚度钢板计算，每平方价格应为（1*1*0.004）*7800KG/立方米*4500元/吨=140元三、体外加预应力拉杆、拉索加固法1、体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一，是一种使用完全位于构件主体截面以外的预应力束来对构件施加预应力的结构体系。体外预应力加固技术是一种主动的加固技术，它通过在梁体外布设钢材的拉杆或撑杆，并与被加固的梁体锚固连接，然后施加预应力，强迫后加的拉杆或撑杆受力，从而改变原结构的内力分布，并降低原结构应力数值，使结构总承载力显著提高，且可减少结构的变形、使裂缝宽度缩小甚至完全闭合。因此，体外预应力加固法除了提高结构承载能力以外，还可以增大结构的刚度，减小结构过大的挠度，释放构件内部过大的应力，调整结构的几何形状和受力状态。它具有以下优缺点