การเสริมกำลังสะพานคอนกรีตอัดแรงหลายคาน

โครงการเกี่ยวข้องกับสะพานทางหลวงที่มีอยู่เดิมแห่งหนึ่งในประเทศสเปน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทางด่วนแบบพื้นสะพานคู่ โดยมีโครงสร้างช่องทางจราจรที่ขนานกันปรากฏให้เห็นอยู่ด้านข้าง โครงสร้างส่วนบนประกอบด้วยช่วงที่รองรับแบบเดี่ยวซึ่งขึ้นรูปจากคานรูปตัว I คอนกรีตอัดแรงสำเร็จรูปที่วางชิดกันและปูทับด้วยแผ่นพื้นคอนกรีตเสริมเหล็กหล่อในที่ แต่ละคานรับน้ำหนักอย่างอิสระบนสะพานต่อผนังคอนกรีตเสริมเหล็กและฐานรองรับตอม่อกลาง นี่คือรูปแบบสะพานสำเร็จรูป-อัดแรงมาตรฐานที่สร้างขึ้นเป็นจำนวนมากทั่วเครือข่ายทางด่วนของสเปนในช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990

หลังจากให้บริการมาหลายทศวรรษ การตรวจสอบตามปกติและการประเมินโครงสร้างพบว่าคานทำงานต่ำกว่าขีดความสามารถที่สภาพการจราจรปัจจุบันต้องการ พื้นที่หน้าสะพานต่อแสดงคราบน้ำและคราบเกลือระยะยาว — หลักฐานของการสัมผัสความชื้นตามอายุการใช้งานที่กระจุกตัวอยู่ที่ปลายคาน — และการจัดระดับน้ำหนักบรรทุกยืนยันว่าทั้งขีดความสามารถด้านการดัดที่กึ่งกลางช่วงและขีดความสามารถด้านแรงเฉือนใกล้ฐานรองรับของคานไม่เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับน้ำหนักยานพาหนะในปัจจุบันอีกต่อไป

• น้ำหนักบรรทุกจราจรที่เพิ่มขึ้น: น้ำหนักยานพาหนะและปริมาณจราจรได้เพิ่มขึ้นมากเกินกว่าสมมติฐานที่ใช้เมื่อออกแบบสะพาน ทำให้คานสำเร็จรูปมีขีดความสามารถสำรองเหลืออยู่น้อยมาก

• ระบบช่วงเดี่ยวไม่มีขีดความสามารถสำรองด้านความต่อเนื่อง: ต่างจากพื้นสะพานต่อเนื่อง แต่ละช่วงรับน้ำหนักของตนเองอย่างอิสระ — ความต้องการด้านการดัดสูงสุดที่กึ่งกลางช่วงและความต้องการด้านแรงเฉือนสูงสุดที่ปลายคาน โดยไม่สามารถกระจายใหม่ระหว่างช่วงที่อยู่ติดกันได้ เมื่อขีดความสามารถใดขีดความสามารถหนึ่งถูกเกิน จะไม่มีเส้นทางรับน้ำหนักอื่นอีก

• การเสื่อมสภาพตามอายุ: การสัมผัสความชื้นเป็นเวลาหลายปีในบริเวณสะพานต่อทำให้คุณภาพคอนกรีตเสื่อมลงตรงจุดที่แรงเฉือนมีค่าสูงที่สุดพอดี

• ความต่อเนื่องของการให้บริการเป็นสิ่งที่ต่อรองไม่ได้: การเปลี่ยนหรือการสร้างใหม่ไม่อยู่ในทางเลือก ทางด่วนไม่สามารถทนต่อการปิดการจราจรได้ และวิธีแก้ปัญหาใด ๆ จะต้องดำเนินการจากใต้พื้นสะพานทั้งหมด

การยกระดับคานสำเร็จรูปด้วย CFRP — รูปแบบการเสริมกำลังที่สอดคล้องโดยตรงกับรูปแบบแรงของระบบช่วงเดี่ยว: แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตามยาวสำหรับความต้องการด้านการดัดที่กึ่งกลางช่วง และ U-wrap คาร์บอนไฟเบอร์ในโซนปลายสำหรับความต้องการด้านแรงเฉือน

โครงการใช้ระบบ CFRP แบบผสมจาก Horse Construction โดยประยุกต์ใช้ในสองขั้นตอนที่เสริมซึ่งกันและกัน:

1. แผ่น CFRP บนสามด้านของคาน — การเสริมกำลังด้านการดัด

แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์แบบพัลทรูชันถูกยึดติดด้วยกาวแผ่นโครงสร้างเข้ากับสามด้านของคานรูปตัว I สำเร็จรูปทุกตัว ได้แก่ พื้นผิวใต้คาน (โซนแรงดึงภายใต้การดัดโค้งเชิงบวก) และส่วนล่างของเอวคานทั้งสองด้าน โดยวางตามยาวตลอดช่วง

แผ่นที่พื้นผิวใต้คานทำหน้าที่เป็นเหล็กเสริมแรงดึงภายนอก: หลังจากยึดติดแล้ว แผ่นจะเครียดอย่างสอดคล้องกับคอนกรีตและเหล็กอัดแรงภายใน ทำให้ขีดความสามารถด้านการดัดโมเมนต์บวกของคานเพิ่มขึ้นโดยตรง — ซึ่งเป็นความต้องการหลักที่กึ่งกลางช่วงของช่วงเดี่ยว แผ่นที่ด้านเอวคานช่วยขยายโซนแรงดึงที่เสริมกำลังและปรับปรุงการถ่ายผ่านแรงบริเวณมุมระหว่างพื้นผิวใต้คานกับเอวคาน แผ่นที่ผลิตด้วยกระบวนการพัลทรูชันจากโรงงานถูกเลือกเนื่องจากมีปริมาณเส้นใยที่สูงและสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นข้อพิจารณาสำคัญสำหรับองค์ประกอบสะพานที่รับน้ำหนัก ซึ่งประสิทธิภาพระยะยาวขึ้นอยู่กับคุณภาพวัสดุที่สม่ำเสมอ

2. U-wrap ผ้า CFRP — การเสริมกำลังแรงเฉือนและการยึดเหนี่ยวแผ่น

ทับบนแผ่นที่ยึดติดแล้ว ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ทิศทางเดียว (HM-30, 300 g/m², ความหนาหลังบ่ม 0.167 มม.) ถูกประยุกต์ด้วยวิธี wet lay-up เป็นการหุ้มรูปตัว U: ผ้าที่ชุบเรซินแล้วจะผ่านใต้พื้นผิวใต้คานและยื่นขึ้นไปตามเอวคานทั้งสองด้าน เกิดเป็นแถบจำกัดรอบสามด้าน เนื่องจากแผ่นพื้นสะพานกีดขวางการหุ้มแบบเต็มรอบ U-wrap จึงเป็นรูปแบบการเสริมแรงเฉือนมาตรฐานสำหรับคานประเภทนี้

การหุ้มนี้ทำหน้าที่สองประการพร้อมกัน:

• การเสริมแรงเฉือน — ทำหน้าที่เป็นเหล็กปลอกภายนอก การหุ้มจะตัดผ่านรอยร้าวแรงดึงหลักแนวทแยงที่เกิดขึ้นในเอวคานใกล้ฐานรองรับ ทำให้ขีดความสามารถด้านแรงเฉือนของคานสูงขึ้น การหุ้มกระจุกตัวไปทางบริเวณสะพานต่อและตอม่อ ซึ่งเป็นจุดที่ความต้องการแรงเฉือนในช่วงเดี่ยวสูงสุด — ปรากฏให้เห็นชัดเจนจากความหนาแน่นของการเสริมกำลังที่ปลายคาน

• การยึดเหนี่ยวแผ่นเชิงกล — ด้วยการหนีบทับแผ่นที่พื้นผิวใต้คานและเอวคาน U-wrap จะยับยั้งการหลุดลอกที่ปลายแผ่นและบริเวณกึ่งกลาง ทำให้ความทนทานและขอบเขตความปลอดภัยของการเสริมกำลังด้านการดัดดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

ข้อบกพร่องของพื้นผิวฐานได้รับการซ่อมแซมและปรับระดับก่อนการยึดติด มีการทำมุมโค้งที่รอยต่อระหว่างเอวคานกับพื้นผิวใต้คานเพื่อหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของความเค้นบริเวณที่ผ้าพับ และมีการใช้ลิ่มชั่วคราวยึดผ้าให้อยู่กับที่ระหว่างการบ่มเรซินเพื่อให้มั่นใจว่าสัมผัสกับคอนกรีตได้เต็มที่

ระบบแผ่นและ U-wrap แบบผสมได้ฟื้นฟูทั้งขีดความสามารถด้านการดัดและแรงเฉือนของคานสำเร็จรูปแบบช่วงเดี่ยวให้เป็นไปตามข้อกำหนดการรับน้ำหนักในปัจจุบัน และยืดอายุการให้บริการของสะพานด้วยต้นทุนและผลกระทบเพียงเศษเสี้ยวของการเปลี่ยนสะพานใหม่