楊海紅

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 運城南高速公路分公司，山西 運城 044000）

0 引言

由于交通量不斷增長，車輛載重量增加，公路橋梁在運營使用過程中出現(xiàn)了不同程度的開裂現(xiàn)象。橋梁結(jié)構(gòu)開裂維修不及時，雨水滲入橋梁內(nèi)部會進(jìn)一步造成混凝土侵蝕和鋼筋銹蝕破壞，降低橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，甚至影響行車安全。采取有效的措施對橋梁裂縫進(jìn)行修補(bǔ)加固，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長使用壽命，提高行車舒適性和安全性[1]。結(jié)合風(fēng)陵渡黃河公路特大橋養(yǎng)護(hù)維修實踐，根據(jù)橋梁病害調(diào)查結(jié)果，制定養(yǎng)護(hù)措施對橋梁裂縫、露筋、鋼筋銹蝕、接縫破壞等病害進(jìn)行維修加固。為提高橋梁梁體抗拉強(qiáng)度，在箱梁底部滿貼碳纖維布進(jìn)行加固。通過分析碳纖維加固原理，在橋梁加固前后開展靜載試驗，收集試驗數(shù)據(jù)對比分析橋梁撓度、靜載應(yīng)變等指標(biāo)的變化情況，作為評定加固效果的主要依據(jù)。

1 碳纖維加固原理

碳纖維材料是一種新型建筑材料，可用于加固橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋與混凝土材料結(jié)合效果較好，在外力作用下共同受力產(chǎn)生變形，且二者變形具有相同的協(xié)調(diào)性。鋼筋遇到酸性物質(zhì)會產(chǎn)生腐蝕破壞，而混凝土中沒有酸性物質(zhì)，還可以對鋼筋起到保護(hù)作用。鋼筋的彈性模量和抗拉強(qiáng)度較混凝土好，一般為混凝土的5.56～6.67倍。另外，混凝土和鋼筋的溫度線性膨脹系數(shù)相差不大，在外界溫度變化時不會再產(chǎn)生附加的溫度應(yīng)力。

在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂抹一層樹脂，粘貼碳纖維布，隨著樹脂逐步滲入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部使碳纖維布與混凝土結(jié)合為一個整體，有效提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對橋梁結(jié)構(gòu)起到加固作用[2]。與鋼筋類似，碳纖維具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，可有效彌補(bǔ)由于混凝土內(nèi)部鋼筋抗拉強(qiáng)度不足造成的結(jié)構(gòu)缺陷。

碳纖維材料受熱后變形量較小，比鋼筋和混凝土的變形量小很多，在外界溫度變化較大時，碳纖維材料所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小，對混凝土結(jié)構(gòu)影響很小。在橋梁結(jié)構(gòu)受拉部位粘貼碳纖維，樹脂固化后與橋梁結(jié)構(gòu)成為一個整體，與混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，可有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度[3]。碳纖維片雖然質(zhì)量很輕，但是可以承受較大的荷載，從而降低鋼筋的應(yīng)力，對橋梁起到加固作用。但是所選用的碳纖維材料強(qiáng)度也不能過高，也要考慮與橋梁混凝土強(qiáng)度的匹配性，強(qiáng)度過高不能充分發(fā)揮碳纖維材料張力。另外，碳纖維的組成材料為碳原子，質(zhì)地堅硬，耐化學(xué)腐蝕，抗高溫，攤鋪瀝青混合料也不會影響其性能[4]。總之，碳纖維材料可以對橋梁結(jié)構(gòu)起到補(bǔ)強(qiáng)作用，和鋼筋具有較好的相容性，可與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個整體，不僅可以有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，還可提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，有效抑制裂縫，對橋梁結(jié)構(gòu)起到加固作用。

2 橋梁基本狀況調(diào)查

2.1 依托橋梁簡介

風(fēng)陵渡黃河公路特大橋全長1 409.64 m，由主孔橋和邊孔橋組成。主橋長972 m，跨徑組成為（87+7×114+87）m，邊孔橋長435 m，跨徑組成為5×87 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用空心薄壁墩，基礎(chǔ)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面凈高8 m，凈寬44 m。特大橋1994年末建成通車，運營以來經(jīng)過多次維修加固，先后對梁端的腹板內(nèi)側(cè)梁段施作混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，裂縫處理，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，采用鋼箱拱主提高邊跨剛度。在橋梁運營使用過程中，對橋面、橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)開展調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橋面出現(xiàn)多處橫向裂縫、縱向接縫，局部出現(xiàn)車轍、沉陷等病害，橋梁接縫破損，橋墩露筋等病害。其中橋梁結(jié)構(gòu)開裂較嚴(yán)重，需要對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2.2 橋梁病害調(diào)查

經(jīng)過多年運營通車，在車輛荷載和自然因素的綜合作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很多病害。通過現(xiàn)場調(diào)查、檢測，對橋面、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)破損情況進(jìn)行調(diào)查，橋梁結(jié)構(gòu)病害以裂縫為主，各部位病害統(tǒng)計如下：

a）橋面系 橋面鋪裝層多處出現(xiàn)橫向裂縫和縱向裂縫，局部分布有塊狀裂縫，個別位置出現(xiàn)車轍、凹陷。

b）橋梁上部結(jié)構(gòu)病害主要包括箱梁接縫破損累積5處、箱梁底板露筋累積1.35 m2、接縫滲水泛白累積長度14 m、箱梁跨中混凝土脫落累積0.55 m2。

c）橋梁下部結(jié)構(gòu)病害包括蓋梁掉塊露筋累積1.05 m2，橋墩擋塊風(fēng)化破損3處。

另外，橋梁主梁和蓋梁部分泄水管破損缺失，局部箱梁梁體由于雨水侵蝕造成破壞，個別鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕，梁體上部分布有大量裂縫。

2.3 橋梁裂縫成因分析

橋面鋪裝層分布有大量縱向裂縫和橫向裂縫，部分縱向裂縫為貫通縫。結(jié)合對橋梁日常運營情況的調(diào)查，分析橋梁裂縫的成因主要包括以下幾個方面：

a）車輛荷載作用造成梁體接縫位置破壞，在接縫位置產(chǎn)生開裂破壞。由于接縫開裂后沒有進(jìn)行及時修補(bǔ)，雨水滲入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步開裂破壞。

b）橋梁固有頻率與部分車輛振動所產(chǎn)生的頻率相近，引起類似橋車共振，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

c）橋梁縱向裂縫產(chǎn)生后，降低了橋梁結(jié)構(gòu)的抗壓能力，在車輛荷載作用下加速了橫向裂縫的產(chǎn)生。

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)開裂會加快混凝土中性化速度，降低混凝土對鋼筋的保護(hù)作用，雨水滲入造成鋼筋銹蝕。另外，橋面淺層裂縫如果沒有進(jìn)行及時養(yǎng)護(hù)，會造成裂縫進(jìn)一步發(fā)展破壞，甚至產(chǎn)生貫穿裂縫。接縫破壞會大大降低梁體連接強(qiáng)度，使橋梁出現(xiàn)縱向裂縫，加快梁體結(jié)構(gòu)腐蝕破壞，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和行車安全。因此，裂縫的出現(xiàn)會降低強(qiáng)度和耐久性，使橋梁主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形破壞，必須采取措施進(jìn)行維修加固。

3 橋梁維修加固方案

結(jié)合對風(fēng)陵渡黃河公路特大橋的病害調(diào)查情況，制定加固方案，對橋面和箱梁上部的裂縫進(jìn)行加固。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分橋梁接縫已經(jīng)出現(xiàn)了破壞，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生縱向貫通裂縫。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，拆除橋面鋪裝，在橋面結(jié)構(gòu)中植筋，并重新布設(shè)鋼筋網(wǎng)，澆筑C40鋼纖維混凝土，最后再攤鋪一層3～4 cm細(xì)粒瀝青混凝土磨耗層。

結(jié)合橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實踐，橋梁各跨箱梁每年都會出現(xiàn)一些0.15 mm以上的裂縫，且裂縫有不斷發(fā)展的趨勢。對新出現(xiàn)的裂縫，通常采用灌縫、封縫等養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行修補(bǔ)，但每年都會有新出現(xiàn)的裂縫或原裂縫破損，分析是由于梁體抗拉強(qiáng)度和彈性模量不足造成的。為了提高橋梁箱梁的使用壽命，進(jìn)而提高橋梁的整體承載力，在箱梁底部滿貼碳纖維布進(jìn)行加固處理。

4 橋梁加固前后靜載試驗分析

4.1 靜載試驗方案

為了驗證橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固效果，分別在橋梁加固前后開展靜載試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定加固效果。橋梁主梁跨中截面縱向應(yīng)變采用GBY-125型應(yīng)變式傳感器進(jìn)行檢測，主橋跨中截面共設(shè)置16個應(yīng)變傳感器，傳感器布置如圖1所示。主梁撓度檢測采用精密水準(zhǔn)儀，在主梁跨中截面底部設(shè)置測點。

圖1 應(yīng)變傳感器布置圖

橋梁靜力荷載試驗選用2輛重量為350 kN的載重汽車，前軸、中軸和后軸平均軸重分別為70 kN、140 kN、140 kN。加固前后靜載試驗分別采用兩個荷載試驗工況進(jìn)行加載，其中工況1和工況6為跨中對稱加載，工況2和工況7為跨中偏載加載。

4.2 橋梁撓度試驗結(jié)果分析

在試驗荷載的作用下，對不同工況下橋梁各試驗測點的撓度和沉降值進(jìn)行監(jiān)測，并收集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。支點沉降量會直接影響橋梁跨中截面撓度，在計算跨中截面撓度時，應(yīng)扣除支點沉降值，計算公式如式（1）：

式中：fs為跨中截面實際撓度值；fz為跨中截面測點撓度觀測值；fa為梁左側(cè)支點沉降觀測值；fb為梁右側(cè)支點沉降觀測值。

橋梁裂縫箱梁采用碳纖維加固處理后，在不同工況下，跨中截面各測點撓度實測值和理論值如表1和表2所示，加載工況同上。

表1 各截面加固前后工況1和工況6撓度檢測試驗結(jié)果

表2 各截面加固前后工況2和工況7撓度檢測試驗結(jié)果

分析表1和表2數(shù)據(jù)，橋梁加固前后主橋跨中截面撓度觀測值明顯變小，且均小于理論計算值，說明采用碳纖維加固后橋梁豎向撓度變形明顯降低，橋梁承載力明顯提高，且有足夠的安全儲備。

4.3 靜載應(yīng)變檢測結(jié)果分析

在試驗荷載作用下，收集橋梁各測點應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，計算試驗截面總應(yīng)變St、彈性應(yīng)變Se和殘余應(yīng)變Sp，計算公式如式（2）～式（4）：

式中：Si為加載前各測點初始讀數(shù)；SL為加載穩(wěn)定時測量值；Su為卸載穩(wěn)定時測量值。

在橋梁加固前后，分別對不同工況下橋梁跨中截面測點應(yīng)變進(jìn)行檢測，統(tǒng)計檢測結(jié)果如表3和表4所示，加載工況同上。

表3 加固前工況1與加固后工況6應(yīng)變試驗結(jié)果

表4 加固前工況2與加固后工況7應(yīng)變試驗結(jié)果

分析表4和表5數(shù)據(jù)，對比分析在試驗工況1、工況6和工況2、工況7的試驗截面應(yīng)變檢測結(jié)果。采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應(yīng)變明顯下降，且實測值明顯小于理論值，安全儲備充足，加固后提高了橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，說明采用碳纖維加固橋梁箱梁效果顯著。

5 結(jié)語

通過分析橋梁病害調(diào)查結(jié)果，有針對性地制定養(yǎng)護(hù)方案，設(shè)計采用碳纖維加固箱梁，并通過靜載試驗分析加固效果，總結(jié)得出以下結(jié)論：

a）分析橋梁撓度試驗結(jié)果，加固后跨中截面撓度觀測值明顯變小，說明采用碳纖維加固后有效控制了主梁豎向撓度變形，橋梁承載力明顯提高。

b）分析靜載應(yīng)變檢測結(jié)果，采用碳纖維加固后橋梁跨中截面應(yīng)變明顯變小，且安全儲備充足，說明采用碳纖維加固橋梁效果顯著。