袁月芳

（廣州市市政集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 516000）

0 引言

我國現(xiàn)存大量20世紀(jì)五六十年代前建造的橋梁，已經(jīng)到了使用壽命的中老時(shí)期。許多舊橋由于年久失修，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，已不能滿足現(xiàn)行交通量與車載重量等要求，正逐漸成為病橋、危橋，因此需要加固維修，以滿足新時(shí)期交通運(yùn)輸?shù)囊蟆６以诖罅啃陆ǖ臉蛄褐?，部分橋梁由于設(shè)計(jì)、施工或是材料的問題，不能滿足正常使用的要求，須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。因此，對各種結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）加固方法的可靠性、受力性能及施工工藝的研究，具有重要的理論和實(shí)際意義。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是近幾年才展開研究的一項(xiàng)新型加固技術(shù)。它是將碳纖維片材進(jìn)行張拉，再通過專用的粘結(jié)材料使張拉后的碳纖維與構(gòu)件形成整體，從而使加固構(gòu)件擁有良好的性能的加固方法。為了完善預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固技術(shù)的現(xiàn)場施工工藝，評估預(yù)應(yīng)力碳纖維加固的技術(shù)效果，推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化領(lǐng)域，現(xiàn)以某背景橋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)的工程應(yīng)用。

1 工程背景

背景橋梁位于連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140處，跨越當(dāng)?shù)睾訙?，橋梁分左、右幅。橋梁總長376 m，橋面總寬25 m（12 m×2+1 m），橋面橫縱坡結(jié)合排水。橋梁位于半徑R=760 m的平曲線上。該橋?yàn)樾陆芬?guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，云南路橋股份有限公司施工。

橋面采用瀝青混凝土鋪裝層，混凝土防撞護(hù)欄。上部結(jié)構(gòu)為9跨（4×40 m+5×40 m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，分兩聯(lián)，前4跨為第1聯(lián)，后5跨為第2聯(lián)。單幅橫向4片小箱梁，梁高2.0 m，采用先簡支后連續(xù)施工方法。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁采用板式橡膠支座。

設(shè)計(jì)汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。設(shè)計(jì)地震加速度：0.3 g。設(shè)計(jì)洪水流量183 m3/s，設(shè)計(jì)流速5.89 m/s。

混凝土標(biāo)號(hào)：主梁采用C50混凝土；橋墩墩身、蓋梁、系梁、擋塊采用C30混凝土；橋臺(tái)、承臺(tái)、臺(tái)帽、耳背墻采用C30混凝土；樁基礎(chǔ)采用C25混凝土。

2 橋梁病害狀況

2.1 橋面系病害及附屬設(shè)施情況（見表1）

表1 橋面系及附屬設(shè)施外觀檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

該橋?yàn)r青混凝土橋面未見明顯病害；伸縮縫積土且混凝土保護(hù)帶開裂；防撞護(hù)欄蜂窩麻面、外露鋼筋銹蝕，固定螺栓缺失。附屬設(shè)施錐坡及防護(hù)工程多處局部塌陷。

2.2 上部結(jié)構(gòu)病害情況

橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，存在多處修補(bǔ)痕跡。底板鋼筋外露；腹板存在豎向裂縫；翼緣板根部產(chǎn)生縱向裂紋，且伴有滲水泛堿；翼緣板后澆段混凝土澆筑不密實(shí)，內(nèi)有雜物填塞，空洞最深6.5 cm，鋼筋外露銹蝕，滲水泛堿；橫隔板澆筑不密實(shí)，骨料外露，上下錯(cuò)位，施工縫處滲水泛堿；墩頂箱梁現(xiàn)澆段滲水泛堿、骨料外露；吊裝預(yù)留孔未封閉、滲水泛堿。詳見表2所列。

表2 上部結(jié)構(gòu)外觀缺陷統(tǒng)計(jì)表

2.3 下部結(jié)構(gòu)病害情況

橋梁采用板式橡膠支座，外觀未見明顯缺陷。橋墩蓋梁頂雜物堆積，蓋梁前側(cè)面水平裂縫1條，長 3.4 m，寬 0.26 mm，從蓋梁頂觀測裂縫開裂深度較小。詳見表3所列。

3 病害原因分析

根據(jù)《連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140橋試驗(yàn)檢測報(bào)告》中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,導(dǎo)致該橋病害的主要原因如下：

表3 下部結(jié)構(gòu)外觀缺陷統(tǒng)計(jì)表

（1）預(yù)應(yīng)力鋼束大部分布置于腹板，鋼束布置較密集，豎向間距為11 cm，如施工振搗不到位，粗骨料難以分布均勻，降低了混凝土的密實(shí)程度，是導(dǎo)致強(qiáng)度下降的原因之一。

（2）施工過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)，混凝土澆筑過快，水質(zhì)較差、水灰比不合適、施工時(shí)拆模過早等因素，也是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低并出現(xiàn)露筋、蜂窩麻面及空洞現(xiàn)象的重要原因。

（3）通過對比計(jì)算結(jié)果，可以得出腹板豎向開裂原因是由于部分位置保護(hù)層過小，混凝土收縮及施工質(zhì)量等引起腹板裂縫的重要原因。

（4）濕接縫和橫隔板連接施工質(zhì)量較差是橫向剛度偏弱的主要原因，混凝土強(qiáng)度偏低與會(huì)對橫向剛度有一定的影響。

綜上所述，主梁產(chǎn)生病害的主要原因是混凝土施工質(zhì)量差、主梁混凝土強(qiáng)度不足等。

4 主要加固維修方法

4.1 方案一：主梁粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固（推薦方案）

4.1.1 主梁梁底采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固

根據(jù)《連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140某某橋試驗(yàn)檢測報(bào)告》及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果,主梁混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法對主梁進(jìn)行加固，來提高主梁強(qiáng)度，進(jìn)而提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工采用：“鉸式錨及纖維復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力張拉方法”;碳纖維板用一級板，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度在2 400 MPa以上，單端張拉，錨下張拉控制應(yīng)力為1 400 MPa，張拉力為98 kN，伸長量按0.85%計(jì)算，張拉時(shí)力和伸長量雙控誤差控制在6%以內(nèi)。碳纖維板在張拉前應(yīng)提前在粘貼面涂抹專用的碳纖維板粘結(jié)膠，待張拉完成后，利用卡板將其緊貼在梁底；若碳纖維板與梁底仍有脫空的區(qū)域，應(yīng)及時(shí)用粘結(jié)膠填滿。除錨具兩端的卡板必須設(shè)置并采用配套高強(qiáng)螺栓錨固外，其余卡板可設(shè)置在碳纖維板距混凝土表面間隙大于3 cm處，采用配套普通螺栓錨固，且卡板間距不應(yīng)大于10 m，宜沿碳纖維板均布。預(yù)應(yīng)力錨具（包括卡板、錨栓等）宜采用經(jīng)表面防腐處理的產(chǎn)品，錨具安裝好后應(yīng)采用環(huán)氧基防護(hù)材料對防腐層磨損處進(jìn)行涂抹封護(hù)，并可根據(jù)現(xiàn)場條件確定是否加裝專用配套防護(hù)罩；否則應(yīng)采取專門的防腐及防護(hù)措施。每片主梁下加固三束，每跨加固24束，全橋總共加固216束。所采用的錨具為：波形齒夾具錨張拉錨固體系。在該項(xiàng)加固中，使用的施工錨具型號(hào)為BXM-20，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《碳纖維板用波形齒夾具錨》（Q/NJKJ1-2010）的要求。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工應(yīng)在該橋跨混凝土缺陷修補(bǔ)、養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行。施工預(yù)應(yīng)力碳纖維板可采取先中跨后邊跨的施工原則：第一聯(lián)施工順序：第2跨→第3跨→第1跨→第4跨；第二聯(lián)施工順序：第7跨→第8跨→第6跨→第5跨→第9跨。各跨箱梁預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工順序?yàn)椋?#梁→4#梁→2#梁→1#梁。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固施工工藝流程為：鉆孔、植筋→碳纖維板現(xiàn)場下料、兩端涂覆快速粘結(jié)膠并放入波形齒夾具錨，擰緊螺栓→安裝已有波形齒夾具錨的碳纖維板→安裝千斤頂、反力塊，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉→進(jìn)行其余附屬工藝（如碳纖維板粘結(jié)、錨固區(qū)防護(hù)）。

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固，需要封閉交通8 d左右，其中包括：碳纖維板安裝1 d，粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)間要求7 d。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固之主梁如圖1所示。預(yù)應(yīng)力碳纖維板設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固之主梁圖

4.1.2 橫隔板聯(lián)系補(bǔ)強(qiáng)

橋梁每跨內(nèi)有5道橫隔梁，包括兩道端橫隔梁和3道中橫隔梁，由于端橫隔梁剛度較大且無破損，該項(xiàng)工程僅對中間3道橫隔梁進(jìn)行粘鋼補(bǔ)強(qiáng)，在每道中橫隔梁兩側(cè)和橫隔梁的底面粘貼6 mm鋼板。橫隔梁加固如圖3所示。

4.1.3 翼緣板橫向聯(lián)系補(bǔ)強(qiáng)

在箱梁翼緣板下緣粘貼碳纖維布，碳纖維布寬為1.11 m，長為9.8 m。

4.1.4 主梁腹板粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)

根據(jù)《連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140某某橋試驗(yàn)檢測報(bào)告》主梁腹板開裂嚴(yán)重，導(dǎo)致抗剪不足，該方案均采用粘貼碳纖維布加固法對主梁腹板進(jìn)行加固，以提高主梁抗剪能力。所采用的Ⅰ型碳纖維布的尺寸為：160 m×30 cm，Ⅱ型碳纖維布的尺寸為：960 m×30 cm，規(guī)格均為：300 g/m，主梁兩端每測各粘貼18道此規(guī)格的碳纖維布，每兩片之間的相距 30 cm，兩側(cè)距梁端 50 cm。

碳纖維布套箍加固施工工藝流程為：被粘貼混凝土表面及鋼板表面處理→涂刷底層樹脂→找平修補(bǔ)→粘貼碳纖維布→質(zhì)量檢查→表面保護(hù)。

圖2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板設(shè)計(jì)圖

圖3 橫隔梁粘鋼加固設(shè)計(jì)圖

4.1.5 裂縫修補(bǔ)

包括主梁裂縫及其他部位的裂縫修補(bǔ)，全橋裂縫總長度約為1 440 m。對裂縫寬度大于0.15 mm的裂縫注膠修補(bǔ)，對裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫，采用涂刷水泥漿封閉的方法修補(bǔ)。

4.1.6 蜂窩、麻面及混凝土破損修補(bǔ)

該方案中均需對主梁及其他部位的蜂窩、麻面及混凝土破損進(jìn)行修補(bǔ)。對蜂窩、麻面等通過涂抹水泥漿抹平表面，以保持結(jié)構(gòu)耐久性。對混凝土破損較嚴(yán)重的部位，用環(huán)氧樹脂混凝土修補(bǔ)，對混凝土破損較小的部位，用環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)。

4.2 方案二：主梁粘鋼加固

4.2.1 主梁梁底采用粘鋼加固

該方案采用梁底粘鋼加固。加固所采用的鋼板尺寸為：2 200 cm×90 cm，沿橋跨中心線每側(cè)按11 cm對稱布置，鋼板采用M12錨固螺栓錨固，沿橋縱向每隔1.0 m設(shè)置一排螺栓，每排設(shè)置兩個(gè)螺栓，沿橋橫向兩個(gè)螺栓相距60 cm對稱布置，所采用的鋼板規(guī)格為：Q235A型鋼板，厚6 mm。

4.2.2 橫向聯(lián)系加固和方案一相同

4.3 方案三：體外預(yù)應(yīng)力法加固

增大箱梁腹板厚度（兩側(cè)各12 cm），在箱梁腹板外側(cè)面采用順橋向張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的方法進(jìn)行處治。該方案中針對箱梁處治的同時(shí)，對梁間橫隔板采用粘貼鋼板法進(jìn)行處治。

其他常規(guī)維修處治同方案一。

5 方案比選

該項(xiàng)工程設(shè)計(jì)綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度、施工周期、對外界影響等因素，推薦方案一：預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法進(jìn)行處治，方案比選情況如表4所列。

表4 方案比選表

從處治效果來看，各方案和相應(yīng)的處治辦法在處治后，在設(shè)計(jì)荷載等級通行下橋梁的安全性都能得到保證。

從改善應(yīng)力狀態(tài)方面來看，方案二和方案三都能有效地增加結(jié)構(gòu)的應(yīng)力儲(chǔ)備，并適當(dāng)減小墩頂附近截面上緣的壓應(yīng)力，同時(shí)耐久性方面效果都很好，對原結(jié)構(gòu)也都能起到保護(hù)層的作用。但由于原橋預(yù)應(yīng)力束大部分布置于腹板，且分布較密集，方案三需在腹板上大量植筋，需避開原橋鋼束布置，不僅施工難度較大，造價(jià)高，工期長，而且大量的植筋對原結(jié)構(gòu)有一定的損傷。方案二，對結(jié)構(gòu)自重的影響較大，同時(shí)對應(yīng)力的儲(chǔ)備影響較小。采用方案一處治施工簡單，工期短，對原結(jié)構(gòu)無損傷，此次推薦方案一：對主梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的非預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固相比，預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固技術(shù)有效地解決了碳纖維與鋼筋共同工作性能差的缺陷，較充分地利用了碳纖維的材料強(qiáng)度，克服了加固中存在的應(yīng)變滯后問題。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)，可顯著提高加固結(jié)構(gòu)的抗裂性能及承載能力，減小結(jié)構(gòu)變形，增加結(jié)構(gòu)抗彎剛度，改善結(jié)構(gòu)在使用階段內(nèi)的工作性能。

該病害橋梁的成功加固表明：預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)具有傳統(tǒng)的碳纖維板材加固技術(shù)及體外預(yù)應(yīng)力無法比擬的優(yōu)勢。可以有效地改善橋梁構(gòu)件的受力性能。

在該課題的研究過程中研發(fā)出的預(yù)應(yīng)力碳纖維板材的張拉機(jī)具和錨具、摸索出的施工工藝，非常適用于實(shí)際工程，也可大大提高施工的效率。