橋梁裂縫碳纖維加固與效果評定

楊海紅

（山西交通控股集團有限公司 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了不同程度的開裂現象。橋梁結構開裂維修不及時，雨水滲入橋梁內部會進一步造成混凝土侵蝕和鋼筋銹蝕破壞，降低橋梁結構的強度和剛度，甚至影響行車安全。采取有效的措施對橋梁裂縫進行修補加固，提高橋梁結構的穩定性，延長使用壽命，提高行車舒適性和安全性[1]。結合風陵渡黃河公路特大橋養護維修實踐，根據橋梁病害調查結果，制定養護措施對橋梁裂縫、露筋、鋼筋銹蝕、接縫破壞等病害進行維修加固。為提高橋梁梁體抗拉強度，在箱梁底部滿貼碳纖維布進行加固。通過分析碳纖維加固原理，在橋梁加固前后開展靜載試驗，收集試驗數據對比分析橋梁撓度、靜載應變等指標的變化情況，作為評定加固效果的主要依據。

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構。鋼筋與混凝土材料結合效果較好，在外力作用下共同受力產生變形，且二者變形具有相同的協調性。鋼筋遇到酸性物質會產生腐蝕破壞，而混凝土中沒有酸性物質，還可以對鋼筋起到保護作用。鋼筋的彈性模量和抗拉強度較混凝土好，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相差不大，在外界溫度變化時不會再產生附加的溫度應力。

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

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，碳纖維材料所產生的溫度應力較小，對混凝土結構影響很小。在橋梁結構受拉部位粘貼碳纖維，樹脂固化后與橋梁結構成為一個整體，與混凝土結構共同受力，可有效提高橋梁結構的抗拉強度[3]。碳纖維片雖然質量很輕，但是可以承受較大的荷載，從而降低鋼筋的應力，對橋梁起到加固作用。但是所選用的碳纖維材料強度也不能過高，也要考慮與橋梁混凝土強度的匹配性，強度過高不能充分發揮碳纖維材料張力。另外，碳纖維的組成材料為碳原子，質地堅硬，耐化學腐蝕，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構起到補強作用，和鋼筋具有較好的相容性，可與鋼筋混凝土結構形成一個整體，不僅可以有效提高橋梁結構的承載力和耐久性，還可提高混凝土結構的抗拉強度，有效抑制裂縫，對橋梁結構起到加固作用。

2 橋梁基本狀況調查

2.1 依托橋梁簡介

風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，主橋上部結構采用三向預應力混凝土變截面連續箱梁，下部結構采用空心薄壁墩，基礎鉆孔灌注樁基礎。橋面凈高8 m，凈寬44 m。特大橋1994年末建成通車，運營以來經過多次維修加固，先后對梁端的腹板內側梁段施作混凝土進行補強，裂縫處理，體內預應力，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、橋梁上部結構和下部結構開展調查，發現橋面出現多處橫向裂縫、縱向接縫，局部出現車轍、沉陷等病害，橋梁接縫破損，橋墩露筋等病害。其中橋梁結構開裂較嚴重，需要對橋梁結構進行補強加固。

2.2 橋梁病害調查

經過多年運營通車，在車輛荷載和自然因素的綜合作用下，橋梁結構產生了很多病害。通過現場調查、檢測，對橋面、上部結構、下部結構破損情況進行調查，橋梁結構病害以裂縫為主，各部位病害統計如下：

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

b）橋梁上部結構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）橋梁下部結構病害包括蓋梁掉塊露筋累積1.05 m2，橋墩擋塊風化破損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。結合對橋梁日常運營情況的調查，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，在接縫位置產生開裂破壞。由于接縫開裂后沒有進行及時修補，雨水滲入橋梁結構內部，造成橋梁結構的進一步開裂破壞。

b）橋梁固有頻率與部分車輛振動所產生的頻率相近，引起類似橋車共振，對橋梁結構產生破壞。

c）橋梁縱向裂縫產生后，降低了橋梁結構的抗壓能力，在車輛荷載作用下加速了橫向裂縫的產生。

橋梁混凝土結構開裂會加快混凝土中性化速度，降低混凝土對鋼筋的保護作用，雨水滲入造成鋼筋銹蝕。另外，橋面淺層裂縫如果沒有進行及時養護，會造成裂縫進一步發展破壞，甚至產生貫穿裂縫。接縫破壞會大大降低梁體連接強度，使橋梁出現縱向裂縫，加快梁體結構腐蝕破壞，直接影響橋梁結構的穩定性和行車安全。因此，裂縫的出現會降低強度和耐久性，使橋梁主體結構產生變形破壞，必須采取措施進行維修加固。

3 橋梁維修加固方案

結合對風陵渡黃河公路特大橋的病害調查情況，制定加固方案，對橋面和箱梁上部的裂縫進行加固。調查中發現部分橋梁接縫已經出現了破壞，進而導致產生縱向貫通裂縫。為了保證橋梁結構安全，拆除橋面鋪裝，在橋面結構中植筋，并重新布設鋼筋網，澆筑C40鋼纖維混凝土，最后再攤鋪一層3～4 cm細粒瀝青混凝土磨耗層。

結合橋梁預防性養護實踐，橋梁各跨箱梁每年都會出現一些0.15 mm以上的裂縫，且裂縫有不斷發展的趨勢。對新出現的裂縫，通常采用灌縫、封縫等養護方式進行修補，但每年都會有新出現的裂縫或原裂縫破損，分析是由于梁體抗拉強度和彈性模量不足造成的。為了提高橋梁箱梁的使用壽命，進而提高橋梁的整體承載力，在箱梁底部滿貼碳纖維布進行加固處理。

4 橋梁加固前后靜載試驗分析

4.1 靜載試驗方案

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

圖1 應變傳感器布置圖

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行監測，并收集數據進行對比分析。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為梁左側支點沉降觀測值；fb為梁右側支點沉降觀測值。

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撓度檢測試驗結果

表2 各截面加固前后工況2和工況7撓度檢測試驗結果

分析表1和表2數據，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 靜載應變檢測結果分析

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

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

在橋梁加固前后，分別對不同工況下橋梁跨中截面測點應變進行檢測，統計檢測結果如表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應變試驗結果

表4 加固前工況2與加固后工況7應變試驗結果

分析表4和表5數據，對比分析在試驗工況1、工況6和工況2、工況7的試驗截面應變檢測結果。采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應變明顯下降，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構的承載力，說明采用碳纖維加固橋梁箱梁效果顯著。

5 結語

通過分析橋梁病害調查結果，有針對性地制定養護方案，設計采用碳纖維加固箱梁，并通過靜載試驗分析加固效果，總結得出以下結論：

a）分析橋梁撓度試驗結果，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）分析靜載應變檢測結果，采用碳纖維加固后橋梁跨中截面應變明顯變小，且安全儲備充足，說明采用碳纖維加固橋梁效果顯著。