钢-混凝土组合梁桥维修加固质量检验评定方法研究

黄英军

（广东中天市政工程设计有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

我国的旧桥加固改造工程与日俱增。据交通部2008年统计，中国目前有六千余座公路危桥。尤其在西部地区，由于近年公路运输超载严重，公路桥梁不堪重负，危桥比例大幅攀升。交通部计划从2008年起，力争用3 a时间基本完成国省干线上的所有危桥、县道中桥以上、乡道大桥以上的危桥改造。为确保公路桥梁加固工程质量，由西部交通科技项目管理中心立项并开展了对桥梁维修加固质量检验评定方法的研究工作。结合该项研究工作，笔者在钢-混组合梁桥加固工程质量检验评定方法方面进行了相关探索和研究。

对于钢-混组合梁桥这一类桥梁进行维修加固质量检验评定的研究，涉及到的维修措施和加固方法并非单一，采用何种处理措施要视旧桥实际状况、环境条件、现场施工条件及经济条件等因素而定。加固施工过程也是一项比较复杂的工作，涉及因素较多。为了能够较为全面细致地对一项钢-混组合梁桥的维修加固工程进行质量检验评定，本文从对该类桥梁的病害分析及维修措施研究入手，归纳出钢梁结构的防腐及重新涂装，钢梁构件连接的更换及处理，混凝土桥面板的更换，杆件、构件的尺寸检查及矫正，以及钢梁裂纹的修复，这五项基本能代表当前阶段钢-混组合梁桥维修加固措施的内容，然后针对各项处理措施进行相应的质量检验评定的研究。

1 钢-混组合梁桥常见病害及维修措施

钢-混组合梁桥是一种由钢板梁（或钢箱梁、钢桁架等）与混凝土桥面板通过剪力连接件组合在一起，共同承受外荷载作用的结构形式，其充分发挥了钢材受拉性能好与混凝土受压性能好的力学特点。钢-混组合梁桥在我国属于“年轻”的结构形式，但在公路和城市桥梁建设中已得到了广泛的应用，自1992年在北京修建了第一座车行组合梁桥——积水潭桥开始，据不完全统计，仅北京市的立交桥建设中，就有五十多座采用了这种桥型。经过20 a左右的营运使用，早期修建的这些组合梁桥已经进入了生命周期的第一个阶段点。该阶段点主要性能特征包括：桥面板局部破损甚至开裂、结合面处受到侵蚀；钢梁表面防腐措施失效；钢梁构件连接(铆接、栓接、焊缝等)松动、锈蚀、疲劳，出现裂纹；钢梁局部损伤、疲劳裂纹等[1-4]。

钢-混凝土组合梁桥，不管是简支梁还是连续梁，均为RC（或PC）板与钢结构由剪力键组合成一整体。因此检测、维修、加固可由上述三部分入手；此外，钢-混组合梁的特有的施工过程，也会形成不同的内力分布特点和缺陷及病害。鉴于上述原因，进行钢-混组合梁桥检测、维修、加固时，混凝土或预应力混凝土桥面板的病害及其处理方法，可参考钢筋混凝土梁、板的方法；钢梁的缺陷及处理方法可遵照钢结构的方法；钢-混组合梁桥特有的缺陷及病害，例如剪力键的锈蚀、疲劳及剪断等，可在分析缺陷及病害成因的基础上，采取相应的加固措施。另外，众多的桥梁破坏事故表明，每个破坏实例往往并不是由单一因素引起的，而是多个因素相互诱发共同作用的结果，就钢-混组合梁桥而言，漏水导致腐蚀或锈蚀、疲劳、应力集中，焊接残余应力，以及焊接缺陷可能是最主要的。因此进行钢-混组合梁桥维修加固时，可以视桥梁状况，采取几种加固措施相结合的方法，重视预防，提倡变被动加固为主动加固的设计理念[5-7]。

笔者借鉴文献[8]对钢-混组合梁桥进行常见病害分析及加固策略的研究，结合上文分析，考虑工程实际情况，将钢-混组合梁桥的维修加固归纳为以下几项：（1）钢梁结构的防腐及重新涂装；（2）钢梁构件连接的更换及处理；（3）混凝土桥面板的更换；（4）杆件、构件的尺寸检查及矫正；（5）钢梁裂纹的修复。

2 维修加固质量的检验评定

2.1 钢梁结构的防腐及涂装[9-11]

锈蚀是钢结构在长时间使用过程中不可避免的自然现象，自然环境的影响、桥面系渗漏水、桥下钢料积存尘土、垃圾、涂装配套选择不当、涂层厚度不足、涂装施工质量问题等因素都有可能引起钢梁的锈蚀。

2.1.1 涂装或复涂前的加固补强和表面处理

为保证钢梁结构的完整和承载能力，在涂装前，在认真全面检查的基础上，针对已锈蚀损害的钢梁进行加固补强施工，应委托专业设计单位进行钢梁加固补强工程设计。如果已损坏严重的钢梁不进行加固补强，损坏将继续发展，且很危险，不能安全运行。

为保证涂层的附着力和使用寿命，在钢梁涂装前应将钢梁表面的旧涂膜，氧化皮和锈迹除净，钢梁表面处理可根据涂装施工方法和钢梁的新旧进行施工。对于新构件可按照现行规范、条例进行涂装施工前的表面处理，除锈质量等级、表面洁净度及处理程序应满足现行要求。对旧钢梁结构，在涂装前首先应组织人员对钢梁结构锈蚀状况进行全面检查，再确定施工范围、部位、面积及施工方法（见表1）。

表1 钢梁表面处理标准及程序一览表

2.1.2 涂装施工

钢结构涂装防腐施工质量的优劣在于“三分材料，七分施工”，钢梁涂装施工的质量对漆膜的寿命影响极大。涂装施工时应满足以下基本要求：

（1）加固构件涂装标准应符合设计要求，若需变更应征得设计单位同意。面漆应尽量选用原型号产品，外观色泽应基本一致。

（2）加固构件采用现场涂装时，应将相近加工区的受损旧涂装全部清除，并且每边扩大范围不少于50 mm。

（3）加固构件一般应采用厂内涂装。运输、安装过程中应采取保护措施，防止涂装损坏。若发生损坏，应在现场涂装时进行修补。

（4）若加固范围较大，可将加固构件的涂装除去，并与全桥更换涂装一并进行。

在涂装施工时，应严格按照设计文件进行，施工工序严格按照现行相关规范执行，涂层遍数和漆膜厚度应符合设计要求，并应及时测定湿膜厚度并保证干膜厚度。

2.1.3 涂装完成后的检验

（1）钢梁防护涂装的检测指标和检查方法可参考表2所列。

表2 钢梁防护涂装实测项目一览表

（2）涂装完成后外观应满足下列要求：a.涂层表面完整光洁，均匀一致，无破损、气泡、裂纹、针孔、凹陷、麻点、流挂和皱皮等缺陷；b.涂后的新、旧漆膜颜色一致。

（3）由焊接质量检验、螺栓连接质量检验等加固质量检验后评定出因种种原因造成的防护涂装损坏，必须予以修复。

2.2 构件的连接的更换及处理[9-12]

2.2.1 栓接连接

钢梁构件螺栓出现松动、锈蚀、裂纹等情况时，应对螺栓连接进行相应的处理或者更换，其质量控制应满足以下基本要求：

（1）钢结构桥梁加固时，进行高强度螺栓的更换，对于大型节点，更换数量不宜超过10%；对于螺栓数量较少的节点，则要逐个更换，以防止节点滑动，如板面（摩擦面）不满足要求，应进行处理。

（2）恒载下采用栓接加大截面加固构件，加固件与被加固件相互压紧后，应从加固件中间向端部逐次钻孔、安装，并拧紧螺栓，尽可能减少加固过程中截面的过大削弱。

（3）螺栓连接质量检验造成防护涂层系统损坏时必须进行修复。

（4）高强度螺栓紧固时的技术要求应满足现行《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）中的规定。其施工质量的检验指标体系见图1所示，其中各项指标的具体检查方法，检查频率及指标限值可参见相关规范。

图1 螺栓连接质量检验指标体系示意图

2.2.2 焊接连接

恒载下用焊接加固钢结构桥梁，应尽量避免采用长度垂直于受力方向的焊缝，否则应采取专门措施和施焊工艺，确保桥梁安全。焊接连接质量检验造成防护涂层系统损坏时必须进行修复。焊接连接的技术要求应满足现行《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）中的规定。其施工质量的检验指标体系见图2所示，其中各项指标的具体检查方法，检查频率及指标限值可参见相关规范。

图2 焊接连接质量检验指标体系示意图

2.2.3 环氧树脂粘接

钢-混组合梁桥加固，采用环氧树脂系列粘接剂粘接钢板、纤维复合材料时，对其加固质量的验收可从以下几方面入手：

（1）加固用材料要求：桥梁加固用胶粘剂的安全性能指标应符合《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ22-2008）第4.6节中的规定。

（2）粘结面处理要求及检查：加固构件结合面应该按照设计要求和相关规定进行处理（见表3）。对于混凝土粘结面和钢板粘合面应分别采取相应的处理措施和处理程序。

表3 环氧树脂系列粘接效果检测项目一览表

（3）粘贴质量检验评定可按照表3所列进行。

2.3 混凝土桥面板的更换

2.3.1 混凝土桥面板的加固补强及检验

钢-混凝土组合梁桥的混凝土桥面板，通常采用钢筋混凝土结构或预应力混凝土结构。当混凝土桥面板出现损伤或破损后，可对其进行表层缺陷处理、加固补强或更换。混凝土桥面板进行表层缺陷修理时，其检验指标体系与方法可参见混凝土结构相关标准。混凝土桥面板更换后的检验指标体系与方法可参照新建混凝土桥梁的相关内容。修补完成后，组合梁桥面板的允许偏差和检验方法可参照表4进行[13,14]。

表4 组合梁允许偏差和检验方法一览表

2.3.2 栓钉剪力键的更换及检验

将破损的混凝土桥面板凿掉后，应检查剪力键的使用情况。对于出现损伤或锈蚀的剪力键进行更换，更换的剪力键的材料、尺寸不得低于原有剪力键。当钢-混凝土组合梁桥的栓钉剪力键需要全部更换时，所需栓钉的质量、数量及构造要求应根据加固后的设计荷载等级按即将出台的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG/T D64-2009）（目前为征求意见稿）中的第11.4条进行设计确定。

栓钉剪力键可采用专用的焊接设备及焊接瓷环进行焊接，亦可以采用经过检验的人工栓钉焊接工艺。更换后的栓钉剪力键焊接部位的检验方法一般可分为外观检验和破坏试验两种。

（1）栓钉的外观检查应满足以下三点：

a.焊钉底部的焊脚应完整、密实并均匀分布；

b.焊钉焊接后的长度应正确，其长度公差在±2 mm以内；

c.焊钉应垂直于母材。

（2）焊钉的破坏试验有弯曲、反复弯曲、拉伸和剪切等四项。

当焊钉的外观检验合格后，采用同样条件连续焊接30个焊钉，然后进行弯曲试验、反复弯曲试验、拉伸试验和剪切试验。试验合格后，再重新焊接30个焊钉进行同样的试验，又都合格后，即可按着焊接程序正式施焊。

a.弯曲试验：可用锤击使其从原来轴线弯曲30°，或采用特制的导管将焊钉弯成30°，若焊钉缝完好，方为合格。

b.反复弯曲试验：焊钉的反复弯曲检验在专门的双控拉压装置上进行，直到焊钉反复弯曲30°断裂为止，裂缝不在焊缝处，方为合格。

c.拉伸试验：应在拉力机上进行试验，焊钉断裂应在焊接区之外，并应保证屈服点抗拉强度、延伸率符合国家有关标准。

d.剪切试验：用以检验焊缝的抗剪强度。若剪切面不在焊缝区，即为合格。

2.4 杆件、构件的尺寸检查及矫正

钢-混凝土组合梁桥维修加固中，若原桥钢结构部分有杆件或构件更换时，由于残余应变释放或局部变形和损伤，钢结构部分会发生总体或局部变形；若安装新的加固杆件或构件时，新杆件或部件也会有由于加工制造中产生局部变形。上述变形需通过矫正工艺加以减小或消除。钢材的矫正，对于钢板而言就是矫平，对于型材而言就是矫直。

钢结构零件矫正后的容许偏差应符合表5的要求。

2.5 钢梁裂纹的修复[15]

（1）钢梁构件上发现裂纹时，作为临时应急措施，可于板件裂纹端外（0.5～1.0）倍板厚处钻孔，防止其进一步扩展，并及时根据裂纹性质及扩展走向采取适当措施修复加固。

表5 零件矫正容许偏差一览表

（2）修复裂纹应优先采用焊接的方法，一般按如下顺序进行：

a.清洗裂纹两边80 mm以上范围内板面油污至露出洁净的金属面；

b.用碳弧气刨、风铲或砂轮将裂纹边缘加工出坡口，直达纹端的钻孔，坡口的形式应根据板厚和施工条件按现行《气焊、手工电弧焊及气体保护等焊缝坡口的基本型式与尺寸》的要求选用；

c.将裂纹两侧及端部金属预热至100℃～150℃并在焊接过程中保持此温度；

d.用与钢材相匹配的低氢型焊条或超低氢型焊条施焊；

e.尽可能地用小直径焊条以分段分层逆向焊法施焊，每一焊道焊完后宜即进行锤击；

f.按设计要求检查焊缝质量，对承受动力荷载的构件，堵焊后其表面应磨光，使之与原构件表面齐平，磨削痕迹线应大体与裂纹切线方向垂直；

g.对重要结构或厚板构件 堵焊后应立即进行退火处理。

（3）对网状分叉裂纹区和有破裂、过烧或烧穿等缺陷的梁、柱、腹板部位，宜采用嵌板补修。修补顺序为：

a.检查确定缺陷的范围；

b.将缺陷部位切除，宜切带圆角的矩形孔，切除部分的尺寸均应比缺陷范围的尺寸大100 mm；

c.用等厚度同材质的嵌板嵌入切除部位，嵌入板的长宽边缘与切除孔间二个边应留有2～4 mm的间隙，并将其边缘加工成对接焊缝要求的坡口形式；

d.嵌板定位后，将孔口四角区域预热至100℃～150℃并按图所示顺序采用分段分层逆向焊法施焊；

e.检查焊缝质量打磨焊缝余高使之与原构件表面齐平。

（4）修复完成后检查焊缝质量，若焊缝质量不合格，应刨去焊缝、清根，重新施焊。焊缝质量合格后，打磨焊缝余高，使之与原构件表面齐平。

3 结语

（1）我国早期修建的钢-混凝土组合梁桥经过二十余年的运营使用，步入生命周期的第一个阶段。该阶段主要性能特征包括：桥面板局部破损甚至开裂、结合面处受到侵蚀；钢梁表面防腐措施失效；钢梁构件连接(铆接、栓接、焊缝等)松动、锈蚀、疲劳，出现裂纹；钢梁局部损伤、疲劳裂纹等。

（2）钢梁结构的防腐及重新涂装，钢梁构件连接的更换及处理，混凝土桥面板的更换，杆件、构件的尺寸检查及矫正，以及钢梁裂纹的修复这五项内容基本能够涵盖针对该阶段钢-混组合梁桥常见病害的维修加固处理措施。

（3）从基本要求，施工工序，施工完成后的质量检验等方面提出了各分项维修加固措施的检验指标体系及相应的评定标准和检查方法，能够对钢-混组合梁桥的维修加固质量进行系统的控制和检验评定。

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