碳纖維棒在橋梁加固中的應(yīng)用★

劉 恒 孫 強(qiáng) 曹曉斌

(1.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002； 2.中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)物在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到多種因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生某些損傷，這就會(huì)影響到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能，甚至?xí)鸢踩鹿驶蚩s短結(jié)構(gòu)壽命。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通流量不斷增加，交通荷載不斷增大，橋梁損傷越來(lái)越嚴(yán)重。因此，對(duì)損害嚴(yán)重的橋梁進(jìn)行加固，使其處于良好的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)其使用年限顯得尤為重要。

針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行加固的常用方法有增大截面法、粘貼鋼板法、施工體外預(yù)應(yīng)力法、改變結(jié)構(gòu)體系法、粘貼碳纖維材料法等。相對(duì)于其他傳統(tǒng)材料，碳纖維材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、體積小、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。因此，碳纖維材料在舊橋加固當(dāng)中的研究和應(yīng)用越來(lái)越多。目前，對(duì)使用碳纖維布加固的研究比較多，而對(duì)于應(yīng)用碳纖維棒加固比較少。

1 工程概況及橋梁病害

某大橋地處湖南省境內(nèi)某省道上，于1992年建成通車，橋梁全長(zhǎng)578 m。主橋?yàn)?5 m+6×46 m+62 m+45 m單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)箱梁，采用頂推法施工，南岸與北岸引橋分別為6×16 m和3×16 m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)基礎(chǔ)。車道布置為雙向兩車道，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—Ⅱ級(jí)。橋梁現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖1。

該橋建設(shè)期由于缺少資金、質(zhì)量監(jiān)管不到位，工藝粗糙，混凝土表面蜂窩麻面、剝落、露筋較多。同時(shí)該橋也是當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，?jīng)過(guò)二十幾年的運(yùn)營(yíng)后，混凝土表面裂縫、鋼筋銹脹嚴(yán)重，橋面及橋面人行道、欄桿破損嚴(yán)重。經(jīng)橋梁承載能力和安全性檢查評(píng)估檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該橋引橋簡(jiǎn)支空心板存在較多的病害，需進(jìn)行維修處治，主要病害如下：

1)上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件混凝土存在多處裂縫、表面麻面、剝落、露筋和鋼筋銹蝕；

2)采用有限元軟件Midas/Civil對(duì)橋梁主梁的承載能力進(jìn)行檢算，檢算結(jié)論為：空心板結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備已不足。

2 碳纖維棒加固設(shè)計(jì)

本橋位于省道上跨越湘江，交通量較大，最近的過(guò)江通道距該橋約25 km，大型車輛需繞行將近100 km。主橋跨越湘江，引橋下方為當(dāng)?shù)匦〕擎?zhèn)道路和農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。經(jīng)方案比選，對(duì)引橋空心板采用粘貼碳纖維棒加固法提高其承載能力。

2.1 加固材料

本次加固所用碳纖維棒的直徑為6 mm，經(jīng)取樣檢測(cè)，碳纖維棒實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 碳纖維棒實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)

聚合物砂漿實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 聚合物砂漿實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)

2.2 加固原理

利用空間有限元計(jì)算軟件Midas Civil中的梁格法建立結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。計(jì)算模型中主梁采用梁?jiǎn)卧＃ё眠吔鐥l件模擬。全橋共離散為128個(gè)單元，136個(gè)節(jié)點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算分析，加固設(shè)計(jì)方案采用在空心板梁底跨中15 m范圍沿縱向布置直徑6 mm的碳纖維棒，間距60 mm。采用20 mm寬、1 mm厚不銹鋼壓條錨固碳纖維棒，鋼板用螺栓固定。壓條方向沿空心板橫向布置，間距1 m，螺栓間距12 cm。碳纖維棒安裝示意圖見(jiàn)圖2。

3 碳纖維棒加固施工

3.1 碳纖維棒加固工藝流程

1)原構(gòu)件混凝土表面處理：混凝土表面采用混凝土角磨機(jī)、鑿子等工具，清除表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，并對(duì)混凝土構(gòu)件加固部位表面進(jìn)行鑿毛處理；

2)孔洞缺損部位修補(bǔ)：加固部位表面如有較多孔洞或掉角，先處理干凈缺損面，涂抹表面強(qiáng)化劑，再采用高強(qiáng)聚合物砂漿修補(bǔ)找平，保持混凝土表面的平整度；

3)涂抹界面劑：混凝土表面干燥后，用刷子或噴涂機(jī)對(duì)混凝土表面噴涂1遍～2遍界面劑，以增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)混凝土表面的密實(shí)性，提高與聚合物砂漿的粘結(jié)力；

4)安裝錨具及纖維棒：利用錨具固定纖維棒，纖維棒應(yīng)緊貼加固面；壓條及螺栓均應(yīng)采用不銹鋼材料；

5)涂抹高強(qiáng)聚合物砂漿：纖維棒安裝完成后，在表面涂抹聚合物砂漿，砂漿厚度應(yīng)不小于20 mm，然后抹平表面，確保表面的平整與美觀，施工溫度保持在常溫；

我們沿著街道漫無(wú)目的地走，晚風(fēng)拂來(lái)，已經(jīng)不會(huì)再挾裹著榕樹(shù)的味道，頭頂上繁多的節(jié)能路燈將人影子照成十字形，以前，昏暗無(wú)力的燈泡總會(huì)把影子拖拽得很長(zhǎng)很長(zhǎng)。

6)養(yǎng)護(hù)及保養(yǎng)：涂抹聚合物砂漿后，蓋上養(yǎng)護(hù)布進(jìn)行濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)；若條件不允許，可使用液體噴涂機(jī)、刷子或滾筒在表面涂抹液體成膜養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)，常溫下養(yǎng)護(hù)，時(shí)間為3 d，根據(jù)天氣及氣溫情況，可增減養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

3.2 施工質(zhì)量控制

1)被加固構(gòu)件處理。

根據(jù)原構(gòu)件混凝土表面情況，在加固前采取以下措施進(jìn)行預(yù)處理：

a.針對(duì)混凝土表面病害現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)修復(fù)處理；b.清除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，保證構(gòu)件表面平整和干燥。

2)斷裂鋼筋焊接恢復(fù)與薄弱部分處理。

對(duì)鋼筋斷裂或表面缺損的部分采用焊接加固處理，單面搭接焊縫長(zhǎng)度應(yīng)不小于10d，焊縫寬度應(yīng)不小于0.8d，焊縫飽滿密實(shí)，不得燒傷主筋，如鋼筋表面生銹應(yīng)做除銹處理。

碳纖維棒安裝采用開(kāi)槽植筋的方法進(jìn)行，具體施工步驟如下：

a.在原橫隔板上采用絞錨機(jī)混凝土按圖紙要求進(jìn)行切縫，切縫的深度寬度1 cm×1 cm，切縫必須平順，深度必須滿足；b.高壓水清洗裂縫，并采用氣泵進(jìn)行吹干后，用植筋膠填滿，將碳纖維棒按入預(yù)留縫內(nèi)，并將多余的植筋膠進(jìn)行刮除抹平；植筋膠質(zhì)量必須滿足圖紙要求。

4)混凝土孔洞、掉角修補(bǔ)。

混凝土出現(xiàn)孔洞、掉角等現(xiàn)象，應(yīng)采用先清理好混凝土表面，再用高強(qiáng)聚合物砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，并保證加固后混凝土表面的平整度。

其他施工注意內(nèi)容遵照產(chǎn)品特殊說(shuō)明規(guī)定。

4 加固效果分析

本橋加固完成以后，進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。按公路—Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)，荷載試驗(yàn)效率系數(shù)在0.95～1.05之間。引橋空心板荷載試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)各荷載工況下的撓度和應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值變化規(guī)律基本一致，實(shí)際狀況較好。

2)在各試驗(yàn)工況試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)在0.4～0.8之間，說(shuō)明加固后的引橋工作狀況良好，具有足夠的安全儲(chǔ)備。

3)撤除試驗(yàn)荷載后，各測(cè)點(diǎn)殘余變形和殘余應(yīng)變均小于20%，說(shuō)明引橋基本處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力合理。

4)動(dòng)載試驗(yàn)中實(shí)測(cè)自振頻率10.0 Hz，大于理論計(jì)算值7.26 Hz，說(shuō)明引橋的剛度大，汽車在行駛時(shí)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。跳車實(shí)測(cè)阻尼比1.654%，說(shuō)明其具備一定的能量耗散性。

5)在試驗(yàn)荷載作用下，引橋結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫，結(jié)合面未出現(xiàn)開(kāi)裂滑移現(xiàn)象，表明橋梁抗裂性能較好，結(jié)構(gòu)承載能力滿足正常使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)簡(jiǎn)支空心板承載能力不足的情況采用碳纖維棒進(jìn)行加固。經(jīng)理論分析提出了具體設(shè)計(jì)方案，并參照相關(guān)規(guī)范和以往工程經(jīng)驗(yàn)提出了施工方案。加固完成以后進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證了該方法的可行性，為以后相關(guān)的橋梁加固研究提供借鑒和參考。