王 瑩，盧寧寧，馬友成

（1.安徽省宣廣高速公路有限責(zé)任公司，安徽 宣城 242000；2.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100101）

碳纖維在鐵路跨線橋上的應(yīng)用

王 瑩1，盧寧寧2，馬友成2

（1.安徽省宣廣高速公路有限責(zé)任公司，安徽 宣城 242000；2.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100101）

文章結(jié)合宣廣高速公路鐵路跨線橋梁加固工程實(shí)例，介紹了碳纖維加固的特點(diǎn)和加固機(jī)理，通過橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件“橋梁博士”對粘貼碳纖維布加固處理梁底的前后效果進(jìn)行驗(yàn)算，證實(shí)了碳纖維加固有效提高了橋梁的承載能力，保證了該鐵路跨線橋梁在高速公路和鐵路線路上雙重的安全需要。

鐵路跨線橋；橋梁加固；碳纖維布；驗(yàn)算

近年來，由于高速公路和鐵路里程均在迅猛增加，高速公路和鐵路在空間上的交叉產(chǎn)物——鐵路跨線橋的安全性能和有效的使用期限變得尤為重要。這類鐵路跨線橋既要受到列車動力增大以及各種環(huán)境因素的作用和影響，還要受到高速公路本身日益繁重的車輛荷載，這類鐵路跨線橋梁在使用期內(nèi)極容易產(chǎn)生一系列病害，如混凝土材料的劣化、梁底縱向開裂、鋼筋銹蝕等病害。同時，隨著時間的推移，橋梁將步入老化期，這些因素對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性產(chǎn)生了較大的影響。當(dāng)這類跨線橋梁出現(xiàn)問題時，如不同程度地造成橋梁承載潛力降低，將會對高速公路和鐵路線路運(yùn)營產(chǎn)生雙重的影響。因此對于這些橋梁來說，及時進(jìn)行維修加固是非常重要的。碳纖維加固就是一種理想的橋梁加固技術(shù)，在橋梁加固中應(yīng)用比較成熟。下面筆者將結(jié)合宣廣高速公路宣航鐵路跨線橋加固工程實(shí)例探討碳纖維在鐵路跨線橋梁加固中的應(yīng)用。

1 碳纖維加固技術(shù)

1.1 碳纖維加固的特點(diǎn)

碳纖維布加固是將碳纖維片材用專用的樹脂類粘結(jié)膠粘貼在待加固混凝土構(gòu)件的表面，使碳纖維布、樹脂膠、鋼筋砼有機(jī)地組合成一個完整結(jié)構(gòu)，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件共同工作，充分發(fā)揮碳纖維的高強(qiáng)度及對砼變形的約束作用，達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固、改善結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力性能的目的。由于碳纖維有以上所述的特點(diǎn)以及施工簡單、加固工程結(jié)束后養(yǎng)護(hù)方便的特點(diǎn)，使其成為一種很有優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)材料。

1.2 碳纖維加固結(jié)構(gòu)機(jī)理

碳纖維布沿纖維方向具有很高的強(qiáng)度，它是一種正交異性材料，在單向加固情況下，通常沿加固混凝土梁體的縱向布置碳纖維布的主拉應(yīng)力方向，這就與受力鋼筋方向一致，碳纖維布粘貼在梁底受拉區(qū)，其作用與受拉鋼筋作用相當(dāng)。碳纖維布和混凝土固構(gòu)件通過粘結(jié)層傳遞剪應(yīng)力和粘結(jié)正應(yīng)力，以達(dá)到共同工作的目的，黏貼碳纖維布對提高橋梁承載力是有一定效果的。

2 碳纖維加固鐵路跨線橋梁實(shí)例

2.1 工程實(shí)例

宣杭鐵路橋跨線橋（樁號K277+959）是宣廣高速公路上一座中橋，下穿鐵路宣杭線（K3+100），橋梁全長50.04 m，橋面全寬26 m，車行道寬15 m。上部結(jié)構(gòu)形式為（13+20+13）m，20 m跨上部結(jié)構(gòu)每孔采用10片預(yù)應(yīng)力空心板梁，預(yù)制吊裝施工。下部結(jié)構(gòu)型式為鉆孔灌注樁柱式橋墩、重力式橋臺；橋面鋪裝為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)。通過橋梁定期檢查發(fā)現(xiàn)該橋梁梁底部有6條長度超過3m的縱向裂縫，裂縫部位冒白漿和滴水，存在安全隱患。

2.2 加固方案

針對宣杭鐵路跨線橋的特點(diǎn)，出現(xiàn)縱向裂縫，并發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，可以認(rèn)為在一定程度上預(yù)應(yīng)力鋼筋作用已經(jīng)喪失，強(qiáng)度也在逐步喪失。貫通性縱向裂縫影響鋼筋的截面面積，因此，粘貼碳纖維布較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度能夠有效地彌補(bǔ)鋼筋受拉作用，并起到封閉裂縫的作用?？紤]到粘貼碳纖維材料相比其他施工技術(shù)措施更加容易實(shí)現(xiàn)，宣杭鐵路橋采用全橋梁底粘貼碳纖維布加固處理。

（1）全橋所有裂縫對寬度大于0.15 mm的裂縫進(jìn)行壓力灌注法，寬度小于0.15 mm的裂縫采用表面封閉法。

（2）采用環(huán)氧砂漿對全橋鋼筋外漏、蜂窩、麻面和混凝土剝落進(jìn)行修補(bǔ)，鋼筋外露修補(bǔ)前應(yīng)進(jìn)行除銹處理。

（3）宣杭鐵路跨線橋采用全橋梁底粘貼二層碳纖維布加固處理。

2.3 施工工藝

加固施工工藝流程為：基層處理—涂底層涂料—修正找平—黏貼碳纖維布—結(jié)構(gòu)表面防護(hù)處理。

3 加固效果的驗(yàn)算

文章的驗(yàn)算采用上海同豪公司開發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件“橋梁博士”對原橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算。將結(jié)構(gòu)離散為平面梁單元桿系，并對承載能力極限狀態(tài)下的正截面抗彎承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。該橋20 m跨上部結(jié)構(gòu)每孔采用10片預(yù)應(yīng)力空心板梁，1～10

號梁的編號方向?yàn)閺耐鈧?cè)主梁到內(nèi)側(cè)主梁。按鉸接板法利用橋梁博士V3.03軟件程序計算的各片空心板梁的橫向分布系數(shù)，計算結(jié)果可以看出，10號梁受力較為不利，故以下恒載及活載內(nèi)力計算時，僅考慮10號梁。

3.1 黏貼碳纖維布前橋梁驗(yàn)算

3.1.1 結(jié)構(gòu)離散與邊界條件

圖1 結(jié)構(gòu)三維模型示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型離散圖

全橋共劃分為27個單元，28個節(jié)點(diǎn)。其中，2號節(jié)點(diǎn)約束沿橋縱向和豎向位移，27號節(jié)點(diǎn)約束豎向位移。

3.1.2 驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》進(jìn)行荷載內(nèi)力組合，橋梁博士可自行考慮。圖3給出的是承載能力組合I彎矩圖，圖4為單元承載能力極限組合最大抗力及對應(yīng)內(nèi)力圖。

圖3 承載能力組合I彎矩圖

圖4 單元承載能力極限組合最大抗力及對應(yīng)內(nèi)力圖

宣杭鐵路橋的內(nèi)力計算結(jié)果見表1。

表1 宣杭鐵路橋內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

基于以上分析可得，在公路I級作用下，主梁正截面抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求。因此，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)以提高其承載能力。

3.2 黏貼碳纖維布加固后驗(yàn)算

3.2.1 加固方案

主梁梁底粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。

3.2.2 驗(yàn)算結(jié)果

（1）承載能力極限狀態(tài)正截面強(qiáng)度驗(yàn)算。圖5中紅、黑分別代表最大彎矩對應(yīng)抗力及最大彎矩。

圖5 最大抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力圖

圖6中紅、黑分別代表最小彎矩對應(yīng)抗力及最小彎矩。

圖6 最小抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力圖

根據(jù)上述原則，宣杭鐵路橋的內(nèi)力計算結(jié)果見表2。

表2 宣杭鐵路橋內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

（2）斜截面抗彎承載力驗(yàn)算。根據(jù)宣杭鐵路跨線橋檢測報告裂縫位置分析，抗剪承載力滿足要求，可不必進(jìn)行斜截面加固。

（3）正常使用極限狀態(tài)撓度驗(yàn)算。預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的長期撓度值，在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，梁式橋主梁的最大撓度處不應(yīng)超過計算跨徑的1/600。

圖7 正常使用極限狀態(tài)撓度值驗(yàn)算圖

表3 正常使用極限狀態(tài)撓度值驗(yàn)算表 /mm

（4）正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算。

表4 正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算表 /mm

4 結(jié)論

通過對加固前后橋梁承載力驗(yàn)算結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）用碳纖維加固結(jié)構(gòu)技術(shù)對橋梁進(jìn)行加固，操作簡便，工程周期較短。施工主要考慮到既有鐵路通行問題，本工程在與鐵路部門溝通協(xié)調(diào)報地區(qū)鐵路局審批后采用每天封鎖2 h的方式進(jìn)行施工，本工程完成后，經(jīng)檢查與驗(yàn)收發(fā)現(xiàn)碳纖維與混凝土黏結(jié)良好，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了重車安全過橋。

（2）宣杭鐵路跨線橋在采取底板粘貼碳纖維布抗彎加固后，結(jié)構(gòu)正截面抗彎強(qiáng)度和斜截面抗剪強(qiáng)度均滿足公路I級荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）針對宣杭鐵路跨線橋的特點(diǎn)，如出現(xiàn)縱向裂縫，并發(fā)現(xiàn)橫向裂縫時，可以認(rèn)為在一定程度上預(yù)應(yīng)力鋼筋作用已經(jīng)喪失，強(qiáng)度也在逐步喪失。貫通性縱向裂縫影響鋼筋的截面面積，因此，粘貼碳纖維布較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度能夠有效地彌補(bǔ)鋼筋受拉作用，并起到封閉裂縫的作用。

（4）碳纖維材料耐腐蝕性強(qiáng)，可以應(yīng)用于特殊環(huán)境下構(gòu)筑物的加固。

[1] 碳纖維布在橋梁加固處理中的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2009（6）.

[2] 公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范，JTG/T J22-2008.人民交通出版社，2008：38-48.

[3] 橋梁病害診斷與改造加固設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2006：193-196.

The Application of Carbon Fiber Sheet in Bridges Overpassing the Railway

Wang ying，Lu ningning，Ma youcheng

Combining with the example of bridges’reinforcement overpassing the railway in xuanguang highway，this article introduces Characteristics and mechanism of carbon fiber sheet reinforcement，contrasts and verifies the two results of using the carbon fiber sheet in bridges or not by the appliaction software of“bridge’docter”，and Confirms that the carbon fiber reinforcement to effectively improve the carrying capacity of the bridge.this application ensures that bridges overpassing the railway on the highway and railway lines on the double security needs

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TV532.61

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1000-8136(2011)08-0001-02