■江 鵬

（三明市公路事業(yè)發(fā)展中心， 三明 365000）

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，多數(shù)舊橋的技術(shù)狀況已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有交通的正常通行和行車安全的需要，對(duì)舊橋的加固改造，提高舊橋的荷載等級(jí)及改善舊橋的承載能力，是擺在橋梁管養(yǎng)部門和維修加固部門面前的一道嚴(yán)峻課題。 隨著土工材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，新的土工材料、新的施工工藝、新的施工方法也被廣泛應(yīng)用到公路建設(shè)行業(yè)中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固在危舊橋加固改造領(lǐng)域也得到快速發(fā)展和應(yīng)用，碳纖維材料[1]就是其中典型的一種。 本文以國道G205 線某大橋加固改造項(xiàng)目為背景，主要針對(duì)混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)裂縫這一病害，從加固方案設(shè)計(jì)、有限元理論計(jì)算及成橋荷載試驗(yàn)，對(duì)混凝土箱梁橋粘貼碳纖維板加固方法的成效進(jìn)行分析，試圖量化加固成效，為類似工程提供參考。

1 工程背景

福建某大橋位于國道G205 線上， 上部結(jié)構(gòu)為1×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁+（51+90+51）m連續(xù)箱梁+4×25 m 連續(xù)箱梁， 橋長(zhǎng)320 m， 橋?qū)?2.5 m，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩，灌注樁基礎(chǔ)。 橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 某橋橋型布置圖

2019 年1 月，業(yè)主組織對(duì)該橋進(jìn)行檢測(cè)，主要病害情況有： 東引橋第1 跨底板橫向裂縫212 條，腹板豎向裂縫125 條； 主橋箱內(nèi)頂板多處縱向裂縫，寬度最大為0.1 mm；主橋箱梁底板縱向裂縫7條、寬度最大為0.2 mm；引橋箱梁橫向裂縫、腹板豎向裂縫及主橋箱梁頂板縱向裂縫經(jīng)分析判定均為結(jié)構(gòu)性裂縫。2020 年，該橋的病害有所發(fā)展，部分裂縫超限，經(jīng)業(yè)主復(fù)評(píng)，該橋技術(shù)狀況評(píng)定為4 類橋梁，于2021 年3 月對(duì)該橋進(jìn)行加固改造。

2 加固設(shè)計(jì)

2.1 加固原則及目標(biāo)

本項(xiàng)目經(jīng)綜合考慮，確定以“技術(shù)成熟，施工難度小，對(duì)原結(jié)構(gòu)損失少，處治措施盡量少增加恒載或不增加恒載”為主要原則，以達(dá)到適當(dāng)提升病害構(gòu)件承載能力儲(chǔ)備，提高其安全性和耐久性的目標(biāo)。

2.2 方案比選

目前較常采用的橋梁加固方案為：粘貼碳纖維板、粘貼鋼板、增大截面法、體外預(yù)應(yīng)力加固等方法，結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，推薦選取粘貼碳纖維板和粘貼鋼板進(jìn)行方案比選（表1）。

表1 加固方案比選

由表1 可知，本橋跨越河流，橋梁長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，對(duì)鋼板的腐蝕作用較強(qiáng)，會(huì)增加后期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用， 而粘貼碳纖維板后期基本不需要養(yǎng)護(hù)，更有利于管養(yǎng)單位的管理，同時(shí)綜合考慮加固改造的造價(jià)經(jīng)濟(jì)性、箱梁內(nèi)外的施工便捷性、環(huán)保、安全及保暢通因素，在粘貼鋼板和粘貼碳纖維板加固兩種方案之間，粘貼碳纖維板法具有工程造價(jià)低、施工便捷、安全、基本不增加恒載優(yōu)點(diǎn)，因此優(yōu)先選擇粘貼碳纖維板加固法。

2.3 加固措施

加固措施如下：（1）針對(duì)主橋箱梁頂板裂縫，采用封閉裂縫，橫橋向粘貼碳纖維板，增加其安全儲(chǔ)備， 抑制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。 碳纖維板厚度均為1.4 mm，主橋沿橋縱向每隔50 cm 設(shè)1 道橫向碳纖維板。箱梁頂板下緣加固設(shè)計(jì)如圖2 所示。（2）針對(duì)東引橋箱梁底板橫向裂縫，采用封閉裂縫，縱橋向粘貼碳纖維板增加其安全儲(chǔ)備，抑制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。 碳纖維板厚度均為1.4 mm 的尺寸規(guī)格，箱梁底部沿橫斷面每隔30 cm 設(shè)1 道縱向碳纖維板。 引橋箱梁底板加固設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖2 箱梁頂板下緣加固設(shè)計(jì)

圖3 引橋箱梁底板加固設(shè)計(jì)

3 加固前后橋梁承載能力分析

3.1 理論分析

圖5 主橋抗彎承載力包絡(luò)圖

圖6 引橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型

圖7 引橋抗彎承載力包絡(luò)圖

為了解粘貼碳纖維板的理論加固效果，在加固實(shí)施前對(duì)主橋及引橋箱梁承載能力進(jìn)行有限元計(jì)算分析，按照橋梁結(jié)構(gòu)的三維空間形態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模（圖4～7），應(yīng)用橋梁博士V4.1 程序來對(duì)箱梁橫向理論計(jì)算分析。 結(jié)合該橋箱梁加固改造的施工流程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 將主橋框架劃分54 個(gè)單元以進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散分析。 主梁采用C50 混凝土，按照鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算。 引橋共劃分24 個(gè)單元，主梁采用C40混凝土。 計(jì)算模型不考慮箱梁截面、鋼筋截面折減及承載能力惡化等因素，相應(yīng)系數(shù)未計(jì)入。

圖4 主橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型

經(jīng)計(jì)算后的主橋箱梁及東引橋粘貼碳纖維板前后承載力對(duì)比結(jié)果顯示：主橋箱梁頂板下緣粘貼碳纖維板前主梁跨中截面承載力為145.4 kN·m，粘貼后為150.4 kN·m；東引箱梁底板粘貼碳纖維板前第1 跨跨中截面承載力為35808.2 kN·m，粘貼碳板后為38189.6 kN·m。 可見，粘貼碳纖維板能一定程度上提高結(jié)構(gòu)承載能力，箱梁頂板承載力理論提高了2%，箱梁底板承載力理論提高了7%。

3.2 靜載試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)對(duì)象及加載工況

該橋于2019 年1 月進(jìn)行加固前的荷載試驗(yàn)，于2021 年6 月加固改造完成，于2021 年7 月進(jìn)行加固后的荷載試驗(yàn)。 為了更好地將該橋加固前與加固后的效果進(jìn)行對(duì)比分析，在加固前和加固后均采用相同的等效荷載對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。 靜載試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脤I(yè)有限元軟件Midas Civil 建立，該橋上部結(jié)構(gòu)混凝土采用C50 混凝土， 相應(yīng)的彈性模量E=3.45×104MPa，容重γ=25 kN/m3，設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)+人群荷載。按照建立模型后的理論計(jì)算情況，本次加載車輛引橋選擇用3 輛載重35 t 的三軸后八輪，主橋選擇用8 輛載重35 t 的三軸后八輪，同時(shí)結(jié)合該橋具體的病害范圍和程度等情況，選擇第1 跨、 第2 跨及第3 跨作為靜載試驗(yàn)的代表試驗(yàn)跨，加載位置為引橋跨中截面（1-1）、主橋跨中截面（2-2）、（4-4）和2# 墩支點(diǎn)（3-3）4 個(gè)內(nèi)力控制截面共8 個(gè)荷載工況（包含偏載工況），具體如表2、圖8 所示。

表2 加載工況及測(cè)試截面

圖8 靜載試驗(yàn)截面

3.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置如下：（1）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：在每個(gè)測(cè)試截面處，在箱梁外底板、腹板、翼緣板和箱梁底板、腹板、頂板相應(yīng)位置布置測(cè)點(diǎn)，布置如圖9、10 所示。（2）撓度測(cè)點(diǎn)：在2-2、4-4 截面布置撓度觀測(cè)點(diǎn)，如圖11 所示。

圖9 引橋跨中截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

圖11 測(cè)試截面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 主橋跨中及支點(diǎn)截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

加固前后采用相同的試驗(yàn)荷載，在相同位置測(cè)試各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，本文僅對(duì)引橋及主橋跨中中載工況下各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)應(yīng)變值進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

由表3 數(shù)據(jù)分析可以看出：（1）引橋在加固前跨中截面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)值為0.26～0.63；加固后， 跨中截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.24～0.58，均滿足規(guī)范[2]要求；加固后實(shí)測(cè)應(yīng)變值下降0.7～10.0 με，校驗(yàn)系數(shù)降低7.7%～15.6%，平均降低約11%， 說明引橋箱梁底板粘貼碳纖維板加固后，結(jié)構(gòu)承載能力有所提高。 （2）主橋在加固前跨中截面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)值為0.58～0.90；加固后， 跨中截面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.54～0.95，均滿足規(guī)范要求；加固后實(shí)測(cè)應(yīng)變值下降0.2～3.8 με， 校驗(yàn)系數(shù)降低1.1%～6.1%， 平均降低約2.5%， 說明引橋箱梁頂板粘貼碳纖維板加固后，結(jié)構(gòu)承載能力改善不明顯。

表3 加固前后試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

3.4 撓度測(cè)試結(jié)果

加固前后各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)撓度與理論值對(duì)比見表4。

由表4 數(shù)據(jù)分析可以看出：（1）引橋在加固前跨中截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)所得校驗(yàn)系數(shù)為0.77～0.82； 加固后， 跨中各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.66～0.73，符合規(guī)范要求；加固后實(shí)測(cè)撓度值下降為0.7～1.0 mm， 各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)降低為10.1%～14.3%，平均降低約11.8%左右，表明箱梁底板粘貼碳纖維板加固后的結(jié)構(gòu)剛度有所提高。 （2）主橋在加固前跨中截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)所得校驗(yàn)系數(shù)為0.66～0.81；加固后，跨中各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.64～0.78，符合規(guī)范要求；加固后實(shí)測(cè)撓度值下降為0.9～1.7 mm， 各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)降低為2.5%～5.5%，平均降低約3.5%左右，表明箱梁頂板在粘貼碳纖維板加固后的結(jié)構(gòu)剛度改善不明顯。

表4 加固前后試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果

3.5 裂縫觀測(cè)結(jié)果

在荷載試驗(yàn)過程中，使用裂縫傳感器對(duì)引橋及主橋箱梁裂縫封閉部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)得引橋跨中最大裂縫開展為中載滿載作用下，跨中裂縫寬度擴(kuò)展0.06 mm，卸載后完全恢復(fù)；主橋箱梁在荷載作用前后未發(fā)現(xiàn)裂縫新增及擴(kuò)展現(xiàn)象。

4 結(jié)論

文章以某大橋加固改造工程實(shí)例為背景，針對(duì)橋梁檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的箱梁頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)性裂縫等病害，綜合比較采用粘貼碳纖維法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，通過橋梁荷載試驗(yàn)方法對(duì)橋梁實(shí)際加固改造效果進(jìn)行綜合分析，可知：（1）綜合加固前后箱梁跨中截面撓度、應(yīng)力的改善情況及裂縫發(fā)展情況，可知粘貼碳纖維板加固方法對(duì)于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋承載能力提高效果不明顯，主要原因?yàn)樵擃惣庸谭椒楸粍?dòng)加固法，即結(jié)構(gòu)發(fā)生變形之后，加固的材料才能發(fā)揮其加固效果，但對(duì)裂縫的抑制能夠起到較好的作用；（2）對(duì)于鋼筋混凝土中橋加固，該方法具有明顯效果，橋梁的剛度、強(qiáng)度及抗彎能力有較大幅度提高。 同時(shí)粘貼碳纖維板具有經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、效果可靠等優(yōu)勢(shì)，可采用此方法對(duì)同類橋梁進(jìn)行維修加固處治。