碳纖維網格復合層在橋梁加固中的應用

■黃志龍

（福建陸海工程勘察設計有限公司，福州 350008）

1 引言

碳纖維網格復合層是由碳纖維網格及其配套高強砂漿組合而成的結構，具有結構層薄、自重輕、施工簡便無需設置模板、施工周期短、耐久性好等特點。 目前國內對于采用碳纖維用于橋梁結構加固的研究已經相對完善，但是針對碳纖維網格結合高強砂漿對橋梁結構加固的應用研究較少。 本文以福建省某國道橋梁加固工程為依托，通過碳纖維網格復合層加固后的橋梁結構承載力提升效果計算分析結果， 提出了采用碳纖維網格復合層加固的方法，為后期類似橋梁加固工程提供參考。

2 工程概況

2.1 工程簡介

該橋位于福建省某國道上，設計荷載為汽車-20，掛車-100，上部結構采用1 m×13 m 鋼筋混凝土現澆空心板，橋梁全長28.4 m，橋臺采用U 型橋臺配擴大基礎。 橋梁全寬9.4 m，橋面橫向布置為：0.2 m（護欄）+9.0 m（行車道）+0.2 m（護欄）。 橋梁上部結構為：空心板梁，簡易支座。 橋梁下部結構為：重力式橋臺，擴大基礎。 橋面系為：水泥混凝土鋪裝，暗埋縫。 橋型總體立面如圖1 所示。

圖1 橋型總體立面圖

2.2 橋梁專項檢測情況

根據橋梁專項檢測顯示： 空心板板底共出現179 多條裂縫，裂縫寬度分布區間為0.03～0.13 mm；其中，縱向裂縫18.1 m（共2 條），斜向裂縫1.6 m（共2 條），橫向裂縫100.8 m（共175 條）；經動靜載試驗表明該橋承載能力滿足原設計要求。 板底裂縫病害展開情況如圖2～3 所示。

圖2 板底裂縫展開情況

圖3 空心板底面橫向裂縫情況

3 橋梁結構有限元分析

3.1 模型計算分析

本次有限元計算采用橋梁博士軟件建模，以一聯1 m×13 m 為對象，建立上部結構計算模型（圖4）。橋梁上部結構斷面如圖5 所示。

圖4 上部結構計算模型

圖5 橋梁上部結構斷面

本次計算按兩種工況進行，即考慮原設計荷載的工況與現狀交通量下的荷載提高之后的工況，具體驗算方式如下： 工況一為按原設計荷載進行驗算，工況二為按公路-I 級荷載進行驗算[1]。工況一與工況二計算結果如表1～3 所示，原設計承載能力驗算內力圖如圖6 所示，考慮超載承載能力驗算內力圖如圖7 所示。

表1 工況一、工況二下緣裂縫計算結果

表2 工況一承載能力正截面強度驗算

表3 工況二承載能力正截面強度驗算

圖6 原設計承載能力驗算內力圖

圖7 考慮超載承載能力驗算內力圖

根據表1～3 計算結果，得出結論如下：（1）通過工況一與工況二的裂縫計算顯示， 由于荷載的增加，主梁下緣的裂縫計算值明顯增大；（2）通過工況一與工況二的承載能力計算分析得出原設計主梁的承載能力安全儲備偏低。

3.2 成因分析

由于該橋梁位于進入城區的主要通道，交通量大，特別近年來重載車輛的增加，該橋原設計荷載汽車-20，掛車-100 已難以滿足通行需求。 從上述計算結果可以看出， 按現行公路-I 級荷載計算后，該橋現澆空心板下緣裂縫寬度明顯增大。 這說明導致現澆空心板下緣出現大量橫向裂縫的原因主要是近年來交通量的增大及超重車輛在橋面的通行。

4 橋梁加固實證分析

4.1 加固方案

早期施工建設的橋梁因受到當時荷載標準、施工技術水平及施工工藝等因素的限制，在現有重載車輛通行情況下， 上部結構極易出現了裂縫等病害。 隨著橋梁加固技術行業的發展，目前針對此類病害所采取的加固措施也呈現了多元化的發展態勢，如傳統置換梁板法、粘貼鋼板、加大截面法、預應力鋼絞線加固、預應力碳纖維板加固等。 其中，預應力鋼絞線加固和預應力碳纖維板加固為主動加固技術，若考慮采用這2 種加固技術來提升橋梁承載力，對施工工藝要求較為嚴格，預應力張拉施工不到位有可能無法起到提升橋梁承載力的效果，甚至對原結構造成損傷導致承載力下降；而采用粘貼鋼板的被動加固措施會增加結構自重，且僅是起到減緩裂縫的發展速度。

本文采用的碳纖維網格是一種全新的具備質量輕、高強度等優質特性的復合材料，主要通過抗裂性能好、無收縮的配套高強砂漿來實現碳纖維網格復合層與混凝土構件界面的牢固粘接和共同受力, 起到提升混凝土構件剛度和承載能力及增強混凝土構件整體的限裂能力的效果。 該加固技術同上述幾種加固技術對比具有以下優勢：（1）碳纖維網格是一種縱橫向交錯的雙向碳纖維編織網，網格間距參數約為2 cm×2 cm， 可形成一個強有力的整體狀網格，滿足拉應力均勻傳遞的要求。 （2）因碳纖維網格體積小，在與配套高強砂漿組合而成的復合層加固結構體系中可根據實際需要進行多層布置。（3）碳纖維網格具有高抗拉強度，在該復合層加固結構體系所需配套高強砂漿厚度薄，可忽略對原結構尺寸的影響和原結構自重的增加。 （4）碳纖維網格的耐久性能好、耐腐蝕性強，適用于各種惡劣環境下的加固施工。 （5）配套高強砂漿具有防火性能好、粘結力強等優點，能有效地粘結在原結構表面，更能保證與碳纖維網格握裹力，同時可彌補碳纖維網防火性能不足的問題。 （6）碳纖維網格屬于柔性復合物材料，具備一定的變形能力[2]，可以輕松應對各種復雜的結構表面，使應力傳遞更加均勻，有效避免局部應力過于集中。 （7）該復合層加固結構體系施工工藝簡單，有利于施工質量控制。

方案具體措施如下：（1）施工前先對梁板裂縫進行注膠填充封閉的修復。 （2）裂縫修復完成后對擬布置碳纖維網格復合層的區域進行人工鑿毛處理。 （3）按圖紙植入抗剪鋼筋，增強網格復合層與既有混凝土層的銜接。 （4）清理界面表面雜物及灰塵后充分濕潤并涂抹界面劑。 （5）待界面劑干燥之前（可在施工前， 根據現場具體施工情況進行小面積試驗，確定界面劑干燥時長），將拌好的高強砂漿涂抹至混凝土表面作為基層，厚約5 mm。 （6）敷設碳纖維網格，網格敷設過程應用力壓入基層并用植入的抗剪鋼筋鉤住[3]，應注意碳纖維網格搭接應沿受力方向不小于20 cm。（7）待網格敷設完成后再涂抹一層高強砂漿面層厚約10 mm，并壓光找平。 最后灑水養護至齡期。 加固方案如圖8 所示，碳纖維網格性能和配套高強砂漿性能指標如表4、5 所示。

圖8 粘貼碳纖維網格復合層加固方案示意圖

表4 碳纖維網格性能指標

表5 配套高強砂漿性能指標

4.2 加固效果

目前規范針對采用碳纖維網格復合層加固無明確的加固理論公式和推薦模型，本文參照《混凝土結構加固設計規范》中粘貼纖維復合材加固法中受彎構件的計算方法進行計算[4]（圖9)，具體如下。

圖9 加固計算示意圖

M≤α1fc0bχ(h-χ/2)+fy0′A′s0(h-a′)- fy0As0(h-h0)

α1fc0b=fy0As0+ψfffAfe- fy0′A′s0

式中：M 為構件加固后彎矩設計值 （kN·m）；χ混凝土受壓高度（mm）；b、h 分別為矩形截面寬度和高度 （mm）； fy0、 fy0′分別為原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值（N/mm2）；a′為縱向受拉鋼筋合力點至截面近邊的距離 （mm）；h0為構件加固前的截面有效高度 （mm）； ff為纖維復合材的抗拉強度設計值（N/mm2）；Afe為纖維復合材的有效截面面積 （mm2）；ψf為考慮纖維復合材實際抗拉應變達不到設計值而引入的強度利用系數， 當ψf＞1.0時，取值為1。

文章通過橋梁博士4.0 中的加固模塊中粘貼纖維材料加固進行加固后計算。 加固后模型分兩種工況，工況三為僅考慮纖維材料的加固效果，工況四為考慮纖維材料和增大15 mm 截面高度的加固效果[5]。計算荷載為公路-Ⅰ級。工況三、工況四計算結果如表6～8 所示。

表6 工況三、工況四下緣裂縫計算結果

表7 工況三承載能力正截面強度驗算

表8 工況四承載能力正截面強度驗算

根據表6～8 計算結果，得出結論如下：（1）通過工況三、 工況四與工況二的裂縫計算結果分析，纖維復合層加固后裂縫寬度明顯降低;（2）通過工況二與工況四的承載能力計算結果可知， 荷載為公路-Ⅰ級時原橋加固前承載力正截面最小安全系數為1.031，加固后最小安全系數為1.236，加固后結構承載力有提升。

5 結語

本文以分析碳纖維網格復合層在橋梁加固應用前的效果計算分析為切入點，并結合國內專家及學者等在該領域的研究結論，通過橋梁有限元計算軟件對處于不同工況下橋梁的承載力進行分析對比，可清晰地了解到碳纖維網格復合層的加固體系對原橋梁結構起到的提載效果，但仍存在一定的局限性。 故在實際應用過程中提出如下建議：（1）采用該加固體系進行結構加固施工時，應嚴格確保錨固筋的施工質量，保證碳纖維網格復合層與原基面的粘結力，同時應做好施工后的裂縫發展監測工作并做好數據記錄、收集、整理、分析，為后續的其他項目提供可靠的依據。 （2）該加固體系雖然具備施工工藝簡單、施工周期短、施工質量較易控制等特點，且采用相關的加固理論公式和推薦模型進行效果分析，但在加固施工完成后對原橋梁結構承載力提升效果評價中，還需結合專業檢測技術，如采用動靜載試驗進行驗證， 以便確認該加固體系是否適用，可為今后類似的工程項目提供參考。