一种更经济、更快速的桥梁整修技术

首页    行业新闻    市场资讯    一种更经济、更快速的桥梁整修技术

摘要:SUREbridge是一种不需要拆除和重建桥梁,而是采用复合材料桥面,使现有结构的强度和耐久性翻倍的智能、可持续的解决方案。

 

第一座SUREbridge于2021年10月在荷兰哈登堡的一座公路桥梁上完成安装。欧洲FiberCore生产的一个复合材料层板被安装在现有的混凝土桥面上,仅在六周内就使其承载能力翻了一倍。图片来源: InfraCore, 欧洲FiberCore

 

欧洲大约有100万座混凝土桥梁和高架桥,其中大多数都服役超过了50年,超过了其设计寿命。由于融冰盐的渗入,许多钢筋受到腐蚀,混凝土剥落,从而造成损坏。许多桥梁原先的设计也没有考虑到它们现在所面临的日益增加的交通和车辆负荷。

 

据估计,在2030年之前,欧洲至少有10%的混凝土桥梁必须翻修或更换,以防止安全隐患,比如意大利热那亚的莫兰迪桥倒塌事故。在这种情况下,尽管钢筋混凝土结构在建成20年后就出现了裂缝和腐蚀现象,但一些关键的整修却被推迟了。“桥梁就像一辆汽车,”热那亚大学结构力学教授路易吉·甘巴洛塔(Luigi Gambarotta)2019年在古列尔莫·马蒂奥利(Guglielmo Mattioli)发表在《卫报》上的一篇文章中说。“你不能让它超载,为了让它继续工作,你需要更换受损的部件。”

 

根据《2021年基础设施工作报告-桥梁部分》,美国61.7万座桥梁中,42%的桥龄超过50年,46,154座(约占7.5%)被发现存在结构缺陷。这23.1万座桥梁需要维修的速度已经每年放缓了近0.1%,2021年的桥梁报告警告说,按照目前的速度,这些桥梁的修复将需要50年以上,但是恶化的速度却超过了修复或更换的速度。美国联邦公路管理局(FHA)估计,桥梁修复预算积压了1250亿美元,修复桥梁的支出应该增加58%。时间与经费都非常紧张。

 

复合材料提供了一种解决方案,正如美国桥梁报告的创新部分所指出的那样,它提供了更高的强度、耐久性和更长的使用寿命。欧洲的交通部门也注意到了这一点。SUREbridge (Sustainable Refurbishment of Existing Bridges)是2014年由欧盟委员会、美国交通部和其他合作伙伴通过的基础设施创新项目资助的九个项目之一。SUREbridg项目(2015年10月至2018年3月)由Rijkswaterstaat(荷兰基础设施部)管理,包括查尔默斯理工大学(Göteborg,瑞典)、欧洲FiberCore(荷兰鹿特丹)和AICE咨询公司与意大利比萨大学合作。该公司开发并展示了一种解决方案,该方案使用了InfraCore(荷兰鹿特丹)的复合材料层板,并将其结合在现有混凝土桥面上。如果需要,可以在现有的桥面下添加预应力碳纤维复合材料来增加额外的支撑。

 

SUREbridge的测试结果显示,可以将一座桥的原始承载能力增加一倍以上,同时,可以使桥面拓宽,以增加行人或自行车道。2017年,在意大利圣米尼亚托横跨艾尔莎河的一座60米长的公路桥上,该方法也得到了验证。现在,第一个试点项目在荷兰哈登堡的一座公路桥上已经完成。“从第一个应用案例中获得的经验是,与拆除旧桥并建造新桥相比,我们可以用一半的时间和一半的成本来升级桥梁,”欧洲FiberCore的设计主管Marijn Veltkamp说。

 

可靠设计技术

哈登堡桥梁建于20世纪60年代,位于哈登堡的Radewijkerbeek上,主要供当地居民和不断增加的公路交通使用,包括重型农用车辆,但它并非为这些车辆设计的。由于桥体的混凝土结构质量差,被融冰盐破坏,桥的唯一选择是拆除并新建或选择SUREbridge方案。哈登堡市政府选择并实施了后者,其团队包括欧洲FiberCore和大型基础设施承包商Strukton Civiel(乌得勒支),以及地区承包商Van Heteren(亨吉洛)和工程公司Nepocon(亨吉洛)。该团队进行了广泛的施工前调研,随后进行了优化和设计。然后完成复合材料层板方案进行翻修和准备工作。具体方法是生产制造一个4.8 x 19.6米的复合材料面板,并使用泵送混凝土砂浆结合到现有的桥面上。随着旧栏杆的拆除,使桥面单边加宽50厘米。SUREbridge的整修工作在设计方案确定后仅六周内就得以完成。

 

施工前的研究和准备

Veltkamp说,任何修理或更换方案都需要初步调查和工程设计。“这可能需要几周时间,由市政当局或道路管理局进行。”它包括研究桥梁的原始设计,检查桥梁的结构和基础,进行氯离子渗透测试,以确定融冰盐渗透到混凝土结构的程度。他补充说:“我们利用这些数据来确定SUREbridge的设计参数,比如复合材料层板的厚度。”“我们对桥梁了解的越多,就能更好地确定SUREbridge的改造设计方案,而不是仅仅把它做得又重又厚,过于保守,这是昂贵的。”我们还需要确保避免任何隐患,这将增加所需的成本和时间。还有一种可能性是,这座桥的状况已经严重老化,唯一的解决办法确实是拆除并新建一座桥。所有这些情况都必须确定。”

 

图片由Susan Kraus绘制。图片来源:FiberCore Europe, InfraCore

设计结果:

  • 与建造新桥相比,成本降低了50%。

  • 100%的可循环技术,可重复使用现有的混凝土,预制复合材料层板并减少运输费用,降低二氧化碳排放。

  • 周期短,相比较拆除并新建仅需六周时间。

  • 桥的寿命延长了50年,提高了250%的强度,并可以拓宽桥面。

  •  

新SUREbridge桥面的设计计算是使用CAD模型和Infravation项目期间开发和测试的软件工具。软件输入现有桥梁的性能以及新的玻璃钢复合材料层板的性能,从而输出翻修桥梁的结构性能。包括在混凝土桥面底部与碳纤维复合材料加固相结合的性能。Veltkamp说:“但通常这是不必要的,因为桥梁上层的复合材料层板已经带来了足够的额外强度。”他补充说,SUREbridge的CAD模型和计算工具已经通过一对一的测试进行了验证,尺寸、工况、材料和设备都符合实际情况。Veltkamp指出:“测试结果还表明,SUREbridge的性能不会受到执行错误的影响,这意味着SUREbridge的设计非常可靠。”

 

施工前调查、优化设计、技术规范和许可完成后,哈登堡SUREbridge的施工就可以开始了。第一阶段包括拆除现有的沥青、路缘和轨道(如有必要),然后在需要时对混凝土桥面和/或底层混凝土支撑进行小修。

 

“修复的工作量取决于桥梁结构的状况,”Veltkamp说。“通常情况下,在我们施工玻璃钢层板之前,有一些分散的区域需要处理。如果应用得当,混凝土是一种很好的建筑材料。但这些桥梁大多使用现浇混凝土,如果你在室外施工,质量难以确保稳定。雨天,混凝土混合的变化,或者在浇筑过程中没有足够的振动来避免孔隙,都可能导致局部区域更容易受到破坏。此外,如果盐已经渗入并开始腐蚀钢筋,那么可能会有混凝土剥落。在我们安装复合材料层板之前,我们要确保桥体底层结构良好,可以继续施工。”

 

对于哈登堡大桥,这个过程花了两天时间。最后一个准备步骤是通过锤击混凝土表面使其粗糙。Veltkamp说:“这将有助于确保与砂浆的良好粘结,砂浆将被泵送到处理好的桥面和新玻璃钢层板之间。”

 

施工和定位复合材料层板

正如CW在2017年欧洲FiberCore之旅中所阐述的,它的玻璃钢层板设计是由强度决定的,而不是刚度。由此制作的层板可以达到钢的强度而重量仅是其五分之一,价格低20-50%,也更容易运输和安装。将用于底层的多轴玻璃纤维织物铺放在模具中,然后是玻璃纤维包裹的聚氨酯泡沫,另一层织物作为顶层。在干燥的环境中铺上真空袋,并注入树脂。对于哈登堡大桥,FiberCore使用了来自Polynt(意大利贝加莫市的Scanzorosciate)的聚酯树脂和来自库什合成(印度古吉拉特邦艾哈迈达巴德市)的织物,库什合成在荷兰恩斯赫德和美国佐治亚州的亚特兰大市都有销售。

 

在树脂灌注和室温固化完成后,玻璃钢层板是一个单一的、集成结构。InfraCore内部技术基于犰狳皮和蛇皮等斜层结构的设计,产生了独特的抗分层结构。在全尺寸桥面测试中,通过打孔来模拟撞击损伤,在3000万次高达1350万吨轮胎尺寸的载荷(用来代表车辆交通)下,并没有产生裂纹。

 

制作完成的玻璃钢层板被运输到施工现场,但SUREbridge在安装前还需要一个步骤。Veltkamp解释说:“如果你只是简单地将玻璃钢层板放在混凝土桥面上,你将没有空间作结构连接。”“你需要几厘米的缝隙,将砂浆泵入混凝土桥面和玻璃钢层板之间。我们在桥面放上螺栓,这些螺栓可以拧或者不拧,这样就可以根据需要,相对容易地对齐玻璃钢层板。”

 

 

快速安装

起重机将预制玻璃钢层板下降到现有的混凝土桥面上安装,包括准备混凝土,注射砂浆粘合玻璃钢层板和修整道路和护栏,所有工作在6周内完成。

 

组合安装

一旦玻璃钢层板吊装好并用螺栓定位,混凝土砂浆就可以泵入层板与桥面之间的空间。Veltkamp说,这里也有需要注意的因素。“这座桥又长又宽,所以不可能在一端注入混凝土,等上一个小时后再在另一端注入,因为砂浆真的很稠。我们不是让混凝土流遍整个区域,而是从一端开始注入,然后当我们看到它已经前进了1.5米,我们从一个新的注入点开始。因此,我们在整个跨度上使用多个注入点。这有点像复合材料制作工艺中的树脂灌注装置,注入口沿长度分布。”

 

Veltkamp继续说道:“当泵向空隙中注入砂浆时,另一边的空气也需要被排出来。因此,需要有砂浆的入口和空气的出口。同样,这与树脂注入工艺非常相似,你需要避免在复合材料部件中产生气泡。”

 

SUREbridge技术的另一个设计要点是,与砂浆接触的两个表面都被打磨粗糙。不仅现有的混凝土桥面被磨粗,而且玻璃钢层板底面有一个含有骨料砂砾的环氧树脂层。Veltkamp说:“通常情况下,玻璃钢层板的表面是非常光滑的,不够粗糙就会使玻璃钢层板和混凝土砂浆不会有良好的结合。你需要表面处理,以实现化学粘接和机械粘接,从而耐受剪切力。”

 

Veltkamp表示,当地政府批准的任何环氧树脂都可以用于玻璃钢层板的底面。“我们使用的环氧树脂是由当地供应商生产的,但我们在世界各地有多家公司已经获得了InfraCore和SUREbridge技术的授权,它们使用的环氧树脂来自各自地区。”

 

提升可持续性与未来潜力

Veltkamp说:“首先,可能也是最重要的是,通过使用SUREbridge,你可以避免拆除桥梁并重复再利用。”“与建造一座新桥相比,这种再利用技术意味着约50%的二氧化碳排放减少。这不仅仅意味着避免浪费,因为它大大缩短了大桥的闲置时间。”使用SUREbridge进行翻修只需要4到6周。他指出:“翻修越快,绕行的路程就越少。”这进一步减少了二氧化碳排放,并降低了相关的旅行和时间成本,在美国被称为VTTS:节约旅行和时间的价值。

 

为什么是4到6周,如果按照确定桥梁的规格尺寸和状态,准备/修理,层板安装和砂浆注入这个流程,可以在4 - 5天内完成? Veltkamp说:“因为砂浆是混凝土,通常需要28天才能变硬并达到最大强度。”“对于一座普通的混凝土桥的重建,下面的柱子和上面的桥面都需要浇筑一次混凝土。总共是两组28天或8周。对我们来说,这6周的大部分时间也是为了让混凝土砂浆变硬并达到最大强度。然而,一周后,砂浆的强度将达到50%,这样一来,入口和出口斜坡,甚至轨道等工作就可以完成了。所以,如果各项准备工作齐全,当混凝土达到最大强度时开始装修,那么你可以将整修周期大大压缩。”

 

整修完工的荷兰哈登堡SUREbridge。图片来源:FiberCore Europe, InfraCore

 

与用新混凝土覆盖现有桥梁相比,SUREbridge提供了一种耐腐蚀的玻璃钢覆盖层,重量更轻,因此不需要额外的加固来支撑桥面。玻璃钢还可以防止融冰盐渗入底层桥板。此外,SUREbridge的桥面是预制的,因此可以确保产品的质量。避免拆除和快速安装意味着大大减少运输和排放。

 

由于哈登堡桥梁项目的成功,欧洲FiberCore公司看到了越来越多的机会。Veltkamp说:“我们掀起了一大波整修桥梁可行性研究的浪潮。”“工程师们打电话给我们,要求我们培训他们这种技术和方法,以及如何进行设计计算。我们正从咨询层面开始,并期待更多的SUREbridge翻修项目向前推进。”

 

美国受许可方Orenco Composites (Roseburg, Ore., U.S.)也发现了越来越多的潜在机会。Orenco业务发展总监安迪•布里奇(Andy Bridge)表示:“许多老化的混凝土桥梁的承载能力下降,有时只有一条车道。”“SUREbridge提供了一种低成本、快速施工的选择,用于恢复某些类型的桥,甚至增加其负载能力。我们正在与相关单位讨论,以确定候选示范项目。联邦公路管理局正在鼓励在“每日计算计划”(EDC)下为加速部署而进行面向市场的创新。正如我们所看到的,美国DOTs试图最大化更换或修复桥梁的投资回报,Orenco Composites很高兴提供SUREbridge作为一种解决方案。”

 

在荷兰,欧洲FiberCore公司在哈登堡的合作伙伴Strukton Civiel认为,SUREbridge是其智能解决方案选项中的关键产品。Veltkamp指出:“他们看到了早期参与翻修项目的巨大商业潜力,并正在使用传感器和数据分析来预测桥梁何时开始出现问题。”SUREbridge技术契合了Strukton Civiel的“未来基础设施”战略,他表示,“该战略就是利用最新的技术升级我们现有的设施,这是一种更可持续的、更明智的做法。”

 

 

2022年4月29日 15:57
浏览量:0
收藏