植筋与特殊钢筋在桥梁维修加固中的运用探析

2013-04-13张花

山西建筑 2013年11期

张花

(山西省交通科学研究院，山西太原 030006)

0 引言

植筋技术又称为种筋，是利用钢筋后锚固和结构胶联合作用的连接技术，对于需要加固和改造主体结构的桥梁工程项目，可以在混凝土、墙体及岩石等结构上钻孔，注入高强度特种植筋专用胶，再植入钢筋，植筋胶凝固后即和植入钢筋结合为一体，在锚固技术和高强度种植专用胶的作用下，使桥体在受压、受拉和受剪等多种情况下均可以达到设计强度。除此之外，对于桥梁施工中钢筋布筋的错误，如数量不足，型号不对，位置偏移等，可以通过植筋达到补救和修正的作用。而在桥梁改造领域，植筋技术运用也日益广泛，在这一技术的支撑下，可以对桥梁的结构进行调整，包括桥梁构件梁板柱等结构的扩大，城市跨线桥改造中结构的顶升作业，以及植入钢筋增强原有桥体强度或改善其力学性能等。

与植筋技术同步发展的则是特殊钢筋，特殊钢筋不同于常规碳素钢型号上的差异，而是通过物理化学手段，使其在力学性能，防腐性、耐久性等许多方面出现突破性提升的变化，若将其与植筋技术相结合，则可以大大改善既有桥梁的力学性能，提升其使用寿命和力学指标，关于植筋技术与特殊钢筋在现代桥梁中的运用，可以从以下几个方面进行分析。

1 植筋技术的运用

1.1 植筋技术适用范围

“植筋技术适用于钢筋混凝土结构构件的锚固，不适用于素混凝土构件，包括纵向受力钢筋配筋率低于最小配筋百分率规定的构件锚固”［1］。素混凝土构件及低配筋率构件的植筋应按锚栓进行设计计算。这主要因为此项技术主要用于连接原结构构件与新增构件，只有当原构件混凝土具有正常的配筋率和足够的箍筋时，这种连接才是有效而可靠的。与此同时，为了确保这种连接承载的安全性，还必须按充分利用钢筋强度和延性的破坏模式进行计算。

1.2 植筋技术的技术要求

采用植筋技术时，原桥体构件的混凝土强度等级直接影响植筋与混凝土的粘结性能，特别是悬挑结构、构件更为敏感。为此要求，当新增构件为悬挑结构构件时，其原构件混凝土强度等级不得低于C25;当新增构件为其他结构构件时，其原构件混凝土强度等级不得低于C20。

桥梁中承重构件植筋部位的混凝土应坚实、无局部缺陷，且配有适量钢筋和箍筋，才能使植筋正常受力。因此，不允许有局部缺陷存在于锚固部位;即使处于锚固部位以外，也应先进行补强或加固处理后加固后再植筋，以保证安全和质量。

种植用的钢筋，应采用质量和规格符合规定的带肋钢筋。国内外试验表明，带肋钢筋相对肋面积A的不同，对植筋的承载力有一定影响。其影响范围大致在0.9～1.16之间。当0.05＜A＜0.08时，对植筋承载力起提高作用;当A＞0.08时起降低作用。因此，要求相对肋面积应在0.055～0.065之间。而国外有些标准对A的要求较宽，允许0.05≤A≤0.1的带肋钢筋为合格品。这样对植筋的安全质量有影响，故要求采用进口的带肋钢筋时，应检查此项目。

1.3 植筋技术的构造要求

当按构造要求植筋时，其最小锚固长度应符合下列构造要求:受拉钢筋锚固为0.3l，10d和100 mm三者之间的最大值。其中l为植筋基本锚固深度，按混凝土结构加固设计规范确定。对于受压构件，则应该取0.6l，10d和100 mm三者之间的最大值。对于悬挑结构，还应乘以系数1.5。

“当所植钢筋与原钢筋搭接时，其植筋锚固深度设计值应根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率”［2］，并按照下列公式确定:

其中，ζ为受拉钢筋搭接长度修正系数，其取值如表1所示;Le为受拉搭接长度;Ld为植筋锚固深度设计值。

表1 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数表

当植筋搭接部位的箍筋间距不符合以上规定时，应进行防劈裂加固，此时，可采用纤维织物复合材的围束作为原构件的附加箍筋进行加固。围束可采用宽度为150 mm，厚度不小于0.111 mm的条带缠绕而成。缠绕时围束应无间隔，且每一围束，其所粘贴的条带不应少于3层。对方形截面尚应打磨棱角。若采用纤维织物复合材的围束有困难，也可剔除原构件混凝土保护层，增设新箍筋进行加密后再植筋。

“新增钢筋与原有钢筋在搭接部位的净间距应符合规范要求，若净间距超过4d，则搭接长度应增加2d，但净间距不得大于6d。用于植筋的钢筋混凝土构件”［3］，其最小厚度应符合下列规定:

其中，D为钻孔直径，按表2确定。

表2 植筋直径与对应的钻孔直径设计值 mm

2 特殊钢筋与植筋技术的整合运用

特殊钢筋包含的种类十分丰富，从20世纪70年代起美国FHWA(联邦公路管理局)就开始在钢筋表面利用静电技术喷涂环氧树脂粉末绝缘层，通过绝缘层将钢筋与腐蚀介质的接触来防止桥面板钢筋被腐蚀。这种方法在实践中表现出了十分突出的效果，采用环氧涂层钢筋的工程使用寿命可普遍延长20年左右。在美国之后，特殊钢筋开始在工程建设领域广泛使用。

植筋技术的关键点包括被植入体(各种构件)，特种植筋胶和钢筋三类，被植入体可变性小，特种植筋胶在植筋结构中仅承担闭合和承担部分力矩的作用，可变性较大且作为植筋结构核心构件的，便是植入的钢筋。植入钢筋的性能直接决定了植筋的效果，对结构加固或是建筑工程改造也起到关键作用，因而植筋技术与特殊钢筋配合使用自然受到高度的重视，也是目前植筋技术发展的重要方向。

目前的植筋技术中，一般采用普通钢筋、带肋钢筋或是带螺丝端杆钢筋、螺栓式锚筋等，在植筋胶的配合下与原结构有比较稳定的连接性能，然而要取得更加优异的性能，同时扩大植筋技术的适用范围，将维修改造的范围与程度大大提升，则必须需要采用性能更加优异的特殊钢筋，FRP筋是目前研究成果最为突出的一类。

FRP筋集合了众多特殊钢筋的性能优势，与普通钢筋有本质上的区别，它由直径5 mm～20 mm的高性能纤维，聚酯，环氧等组成。纤维约占据FRP筋成分的60%，直接决定FRP筋的各种力学性能。FRP筋重量约为普通钢筋的20%，而强度则高达普通钢筋的6倍，同时具有良好的耐腐蚀和抗疲劳特点，这些特点利用植筋技术，可以对老化结构进行加固改造以及维修升级，可大大降低建筑与维护成本。利用FRP对桥梁进行植筋被称为CFRP技术，近年来在大型跨海桥梁的加固和修补中得到了广泛的推广。CFRP法充分利用了碳纤维增强塑料良好的力学性能和“高强度轻质量”的特点，通常与树脂类粘贴和嵌缝材料配合使用，构成复合材料，通过植筋技术植入桥体构件中，对桥体有着良好的加固和提升力学性能的效果。以四川遂宁市某跨江大桥的加固改造为例，该桥体施工年代较早，跨度为2500 km，为多拱结构，利用植筋技术，成功地进行了改造，大大降低了费用。在施工中，对于拱肋在其上下部分别植入底板加强筋和衬拱，变双曲拱肋截面为箱形截面;对于拱肋腹面则植入FRP筋，在不增加桥体自身重量的情况下显著提升桥体承载力;拱肋腹面植筋外部以钢丝网外加喷射水泥进行固定，并浇筑钢筋混凝土拱圈，以φ12牵钉与原拱圈进行锚固(见图1)。