王濤

（中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050001）

1 工程概況

某橋梁工程為石拱橋，該橋上部結(jié)構為24m單孔，主拱圈的寬度和厚度分別為8.0m和0.7m，腹拱的跨徑為2.0m。該石拱橋興建的年代比較久遠，在長時間的使用中，橋面出現(xiàn)多處破損，主拱圈嚴重風化。此前相關部門對該橋檢測評估，并根據(jù)評估結(jié)果對石拱橋維修加固。隨著交通流量的不斷增多，加之受到重載車輛的影響，加固后的石拱橋又出現(xiàn)新的問題，包括橋臺裂縫、主拱圈砌塊脫落、側(cè)墻開裂、腹拱滲水、護欄破損、橋面排水不暢。由于該石拱橋所在路段為交通要道，無法長時間中斷交通，經(jīng)過研究后，決定采用碳纖維棒對主拱圈的拱腳區(qū)域全面加固，以最短的時間修復石拱橋，保證車輛通行。本文重點對石拱橋加固中碳纖維棒的應用展開分析。

2 石拱橋加固中碳纖維棒的應用

2.1 主要材料的特性

2.1.1 碳纖維棒

碳纖維棒是一種新型材料，是將碳纖維復合材料用乙烯基樹脂浸漬后，經(jīng)高溫固化后，用石榴石灌注于表面制成。該材料的特性體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）碳纖維棒比較輕，是鋼筋比重的1/5左右，但卻具備非常高的強度，試驗結(jié)果表明，其抗拉強度為普通鋼筋的7～10倍，直徑6.0mm的碳纖維棒最大抗拉強度能夠達到2 000MPa[1]。因此，將碳纖維棒作為加固材料使用，可以減少材料的用量，經(jīng)濟效益比較高。

（2）碳纖維棒具有良好的耐腐蝕性，與金屬相比，它的使用壽命更長。不僅如此，其耐水性和抗老化性能也比較好，不會受到潮濕環(huán)境的影響，與砂漿之間有極強的黏附力。

2.1.2 聚合物砂漿

聚合物砂漿是一種與混凝土具有較高相似性的材料，黏度和強度高是聚合物砂漿的突出特點。其由以下原材料混合而成：水泥、聚合物、碎石、添加劑、水等。在橋梁結(jié)構加固中，聚合物砂漿與混凝土可以黏結(jié)到一起，從而使碳纖維棒能夠與原結(jié)構一并受力，達到加固效果。

2.2 加固方案

在石拱橋加固中，為達到預期中的加固效果，通過反復比較，最終擬定以下加固方案：

2.2.1 主拱圈加固

采用高強聚合物砂漿，以噴射的方法，對石拱橋主拱圈的拱腹部位進行加固，砂漿的噴射厚度控制在20mm左右。同時，用高強聚合物砂漿，噴射主拱圈上對稱的四個腹拱拱背，沿著橋梁的縱向加裝直徑6.0mm的碳纖維棒，間距為60mm。根據(jù)計算，每個腹拱處需要布設的碳纖維棒為133根。

2.2.2 腹拱圈加固

采用噴射厚度為20mm高強度聚合物砂漿的方法，對腹拱圈及立墻加固，提高腹拱圈的結(jié)構穩(wěn)定性。

2.2.3 基礎加固

基礎沖坑用強度等級為C50的混凝土水下澆筑，以片石填塞，通過環(huán)氧砂漿修補，在基礎表面上，噴射厚度為20mm的高強度聚合物砂漿，達到加固基礎表面的目的。同時，將舊的填料全部挖除，新填料選用強度等級為C20的石子混凝土。

2.3 確定加固前后的承載力

2.3.1 加固前的承載力

在承載力的確定中，要選取適宜的計算模型，按照石拱橋的受力特點分節(jié)段計算承載力，具體如下：

（1）主拱圈采用梁單元，原結(jié)構作為第一施工階段，第二施工階段為新增加的加固層。分析結(jié)構內(nèi)力時，要充分考慮加固時，石拱橋本身的應力水平及加固后的結(jié)構二次受力特性。新增的加固層可以作為石拱橋后續(xù)施工階段，加固前和加固后的石拱橋結(jié)構模型基本相同，發(fā)生變化的部位是主拱圈截面。

（2）采用梁單元模擬腹拱圈、填料、橋面鋪裝層。依據(jù)相關規(guī)定，在對橋梁結(jié)構的承載力計算時，可將車道荷載作為汽車荷載。因加固施工需要考慮的結(jié)構承載力為極限狀態(tài)，所以可按現(xiàn)行規(guī)范確定荷載組合，即恒荷載、車道荷載及人群荷載的總和。通過對主拱圈的承載力極限強度驗算后得出如下結(jié)果：在上述荷載組合下，只有拱腳的截面強度不足。

2.3.2 加固后的承載力

（1）在建立加固模型時，采用原結(jié)構模型，在拱腹與立墻上增設一層高強聚合物砂漿，與原結(jié)構通過剛性的方式連接。用施工階段截面法，對主拱圈建模，將加固前后定義為兩個不同的施工階段。

（2）經(jīng)組合計算后得出如下結(jié)果：石拱橋加固后，總體荷載比加固前顯著增加，而加固層與原結(jié)構層為共同作用，使加固層分擔部分內(nèi)力，結(jié)構層的應力水平隨之降低。加固后，原拱圈的變形減少，說明加固有效。

2.4 碳纖維棒施工要點

2.4.1 表面處理

（1）剔除混凝土表面出現(xiàn)剝落、空洞、蜂窩等病害部位的混合料，對露出混凝土層的鋼筋除銹處理；在原混凝土表面剔除面積較大的情況下，于原位置填補高強聚合物砂漿修復缺損部位[2]。

（2）按照技術規(guī)范要求修補混凝土表面裂縫，結(jié)合裂縫性能、所處環(huán)境采取相應的修補技術；用工具去除混凝土表面上的浮漿等雜質(zhì)，打磨平整混凝土表面，在表面涂上1%的酚酞溶液，檢驗表面碳化程度，在保證混凝土表面無碳化現(xiàn)象后對加固部位鑿毛。

（3）用高壓水沖洗混凝土表面，去除塵土，水壓為15MPa，沖洗后待混凝土自然干燥；用電錘鉆對加固部位鉆孔施工，將其作為碳纖維棒的錨固孔[3]。

2.4.2 坑洼修補

為使石拱橋加固表面保持平整，在碳纖維棒施工前，采用高強聚合物砂漿，對表面缺損的坑洼部位加以修補。具體做法如下：將缺損部位一定范圍內(nèi)的表面用清水沖洗干凈，晾干后，涂抹表面強化劑，使用預先拌制好的聚合物砂漿將缺損處填平。表面強化劑最為突出的作用是能夠提高石拱橋原結(jié)構與高強聚合物砂漿之間的黏結(jié)力，原結(jié)構表面的密實性也會隨之顯著提升，所以在聚合物砂漿修補填平前，要先涂抹表面強化劑。

2.4.3 錨具與碳纖維棒安裝

（1）采用錨栓固定的方法，對碳纖維棒錨固，錨栓孔的孔徑和孔深分別為6.0mm和40mm[4]。為延長錨具的使用年限，要選用不易生銹的材料，如不銹鋼等制作加工。

（2）碳纖維棒要與加固面緊貼，可先用錨板對其位置加以固定，控制好錨固間距，避免碳纖維棒出現(xiàn)下垂的現(xiàn)象，影響加固效果。需要注意的是，以碳纖維棒作為植筋構件時，必須依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標準的規(guī)定要求，確保預留錨固孔達到15d以上。

2.4.4 噴涂砂漿

（1）安裝碳纖維棒后噴涂高強聚合物砂漿，采用專用設備噴涂，高強聚合物砂漿噴涂厚度不小于2cm；在噴涂過程中制備砂漿試塊，用于檢測砂漿強度；噴涂砂漿后用工具抹平構件表面，保證噴涂的美觀性和平整性[9]

（2）在高強聚合物砂漿噴涂前，將打底聚合物砂漿涂抹在原結(jié)構表面，涂抹厚度為5mm，提高砂漿與混凝土表面的黏結(jié)力，之后再用噴涂機噴涂砂漿。

（3）高強聚合物砂漿的初凝時間不超過30min，盡量保證一次噴涂完工；當氣溫高達30℃以上時，要在混凝土表面噴水，避免砂漿過快初凝；當氣溫未超過25℃時，采用分層噴涂施工工藝，保證第一次噴涂的聚合物砂漿硬化后涂抹第二次；當氣溫低于10℃時，停止聚合物砂漿施工，以免降低砂漿黏結(jié)性能[5]。

2.4.5 養(yǎng)護

（1）在聚合物砂漿涂抹后進入養(yǎng)護階段，用養(yǎng)護布覆蓋到新結(jié)構層表面，實施濕潤養(yǎng)護；也可以用刷子、滾筒在新結(jié)構層板表面涂刷養(yǎng)護劑，達到養(yǎng)護目的[10]。

（2）選用耐久性能夠維持30d的液體成膜養(yǎng)護劑，在養(yǎng)護劑涂刷后，保證2h內(nèi)形成一層薄膜；在養(yǎng)護環(huán)境較差的情況下，應涂抹2次養(yǎng)護劑，保證養(yǎng)護效果；對需要后續(xù)施工的部位，需要延長24h的養(yǎng)護時間，后續(xù)施工前檢查混凝土表面養(yǎng)護情況，養(yǎng)護合格后再進入下一階段施工[6]。

（3）根據(jù)天氣情況確定養(yǎng)護時間，在常溫狀態(tài)下養(yǎng)護周期為3d，如果養(yǎng)護期間試塊強度達到設計值要求，可以適當減少養(yǎng)護時間[11]。

2.5 技術措施

（1）選用質(zhì)量合格的碳纖維棒，確保數(shù)量、類型及布設間距等，與設計要求相符。當對碳纖維棒的質(zhì)量存在質(zhì)疑時，可以采取抽樣的方法檢查，結(jié)果合格方可在施工中使用。使用碳纖維棒加固石拱橋的過程中，要控制好施工溫度，最低不得低于10℃，最高不宜超過35℃，否則會影響碳纖維棒的性能。為進一步增加碳纖維棒與混凝土面層之間的黏結(jié)性，可在碳纖維棒表面灌注石榴石，并在正式施工前，檢查表面的石榴石情況，看有無脫落，若是脫落，則可以該部位作為起點，剪切30cm后使用[7]。

（2）碳纖維棒運輸時，要避免折斷，由于碳纖維棒必須在連續(xù)的前提下，才能發(fā)揮出補強的作用，所以用碳纖維棒加固石拱橋時，不得在任意截面上采用搭接的方法，對碳纖維棒連接。當碳纖維棒固定好以后，要檢驗粘貼密實程度[12]。

（3）聚合物砂漿的標號應符合設計要求，本工程中按C60的強度等級配制，其性能要與同等級的混凝土力學性能相符。在對聚合物砂漿噴涂時，要做到表面平整、無裂縫、脫空等質(zhì)量缺陷，修補后的平整度應達到現(xiàn)行規(guī)范標準的規(guī)定要求[8]。當聚合物砂漿施工完畢后，可以通過鉆芯取樣的方法，檢測其黏結(jié)情況，加固時，聚合物砂漿分三次澆筑，每次施工完畢后，都要檢測外觀質(zhì)量，確認達標后，方可進入下一道工序。

2.6 加固效果

為驗證碳纖維棒在石拱橋加固中的效果，與加大截面法進行比較，據(jù)此評價加固方法的優(yōu)劣。

2.6.1 方案比較

（1）采用加大截面法對本工程中的石拱橋加固時，具體的加固方案如下：主拱圈的拱腹和拱背，錨噴厚度為15cm的鋼筋混凝土層，腹拱圈與立墻，錨噴厚度6.0cm的鋼筋混凝土層。

（2）采用碳纖維棒對本工程中的石拱橋加固時，加固方案如下：主拱圈的拱背噴射厚度為40mm的高強聚合物砂漿，沿著橋梁的縱向加裝碳纖維棒，拱腹、腹拱圈與立墻，全部噴射厚度為20mm的高強聚合物砂漿[13]。

2.6.2 加固模型

加大截面法的加固模型建立過程與碳纖維棒加固建模類似，通過定義施工階段，模擬加固的實現(xiàn)，加固的截面位置采用剛性連接，由此獲得的應力水平與結(jié)構加固后的受力特點相吻合。碳纖維棒加固后，拱頂?shù)膿隙茸兓蕿?0.2%，豎向撓曲頻率提高14.85%，加大截面法加固后，拱頂?shù)膿隙茸兓蕿?0.33%，豎向撓曲頻率提高29.09%。

2.6.3 效果分析

兩種加固方法都使橋梁結(jié)構的剛度得到提升，說明加固方法有效，碳纖維棒加固在剛度的提升方面要高于增大截面法。同時，碳纖維棒加固對原橋結(jié)構的損傷程度比較小，因碳纖維棒本身的質(zhì)量比較輕，所以并不會增加過大的自重。綜合來看，碳纖維棒施工工藝簡單、質(zhì)量易于控制，加固效果明顯。因此，可將該方法作為石拱橋加固的首選。

3 結(jié)語

石拱橋的病害問題以結(jié)構破損為主，此類病害導致橋梁的結(jié)構穩(wěn)定性大幅度下降。為此，在對石拱橋加固時，可以采用碳纖維棒補強。同時，為使碳纖維棒的作用得以充分發(fā)揮，應掌握相關的施工技術及要點，并在實際工程中合理運用，達到預期中的加固效果。