公路橋梁裂縫碳纖維加固與處治效果分析

郭 鋼

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

早期修建的橋梁，在長期受到自然因素和車輛荷載的綜合作用下，橋梁結構逐步產生破壞，為保證運營安全，必須及時對其進行加固處理[1]。我國橋梁結構主要以鋼筋混凝土結構為主，隨著車輛大型化和交通荷載的不斷增加，橋梁結構承受的荷載不斷增加。在對橋梁進行日常檢查的過程中，發現部分橋梁出現裂縫、接縫破壞、橋面破壞甚至結構承載力不足等問題，對橋梁安全運營產生不同程度的影響[2]。其中裂縫是橋梁結構最常見的破壞形式之一，發現后如不能及時處治，繼續發展后極有可能造成橋梁結構的嚴重破壞。而通過在橋梁箱梁底部粘貼碳纖維布，使鋼筋混凝土結構良好結合，在外界溫度變化時變形小，可與鋼筋混凝土結構共同受力，進而提高橋梁結構抗拉強度，控制裂縫發展[3]。本文以某大橋裂縫養護為研究背景，采用碳纖維布進行維修加固，并在處治后開展靜載試驗，分析試驗結果確定加固效果。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某大橋于1992年建成通車，橋梁為17跨，分東、西兩幅。橋梁結構采用先簡支后連續施工，橋梁上部結構采用預應力鋼筋混凝土箱梁，下部結構采用樁柱式橋墩、砌石橋臺、鉆孔灌注樁樁基礎。該橋曾進行過大修，更換過部分主梁，橋面也進行過大修。該橋共17跨，單跨寬度為11.4 m，橋面寬度為20 m，采用雙向四車道，公路-Ⅰ級荷載設計。橋跨組合如圖1所示。

圖1 橋跨組合示意圖(cm)

1.2 橋梁裂縫調查分析

該橋梁經過多年運營通車，雖經多次養護維修，但橋梁結構仍存在大量病害，主要破損形式為裂縫。在專項養護維修前，對橋梁裂縫進行了詳細調查。調查結果如下：

(1)橋面系調查結果。橋梁左右兩幅伸縮縫均出現不同程度破損，且內部有積土，其中左幅部分伸縮縫鋼板斷裂，防撞護欄有2處銹脹現象，橋面多處開裂、2處坑槽、1處沉陷。

(2)橋梁上部結構調查結果。經調查，發現全橋翼板、腹板、底板處有多處開裂，其中全橋翼板開裂主要為橫向裂縫，裂縫總長度為198.5 m，最大寬度為0.44 mm；橋梁腹板開裂有豎向裂縫和斜向裂縫兩種，其中豎向裂縫總長度為21.5 m，最大寬度為0.31 mm，斜向裂縫總長度為2.2 m，最大寬度為0.46 mm；橋梁底板有多處破損，其中5處露筋，2處銹脹露筋。

(3)橋梁下部結構裂縫調查結果。橋臺共發現5條裂縫，總長度為1.8 m，最大寬度為0.12 mm。橋墩共發現豎向裂縫15條，總長度為12.5 m，最大寬度為0.09 mm。

根據橋梁裂縫調查結果，結合橋梁結構分析：橋梁翼板、腹板和底板裂縫寬度較大，超過了最大允許寬度0.2 mm，其原因是原設計鋼筋混凝土箱梁中的鋼筋數量較少、梁體正截面抗彎承載力不足造成的。橋臺和橋墩豎向裂縫寬度小、數量少，其原因是混凝土的收縮變形。總之，通過分析該橋梁箱梁結構開裂情況，得出橋梁存在正截面抗彎承載力不足的現象，如不能對裂縫進行及時處理，水分滲入后會造成鋼筋銹蝕，導致橋梁結構的進一步破壞，影響安全運行，縮短橋梁的使用壽命，因此亟須對其進行維修加固。

2 橋梁裂縫碳纖維加固方案

根據橋梁裂縫調查結果，制定方案對裂縫進行修補，并采用碳纖維布進行加固處理。根據裂縫的寬度，選取灌縫材料進行修補：對裂縫寬度≤0.15 mm的淺裂縫選用樹脂封閉膠修補，涂刷封閉裂縫；對寬度在0.15～0.5 mm的裂縫，可選用裂縫灌注膠或專用環氧樹脂漿液填縫，灌入后處治；對寬度>0.5 mm的裂縫修補應采用鑿槽嵌補進行處理。對局部破損嚴重的位置進行植筋處理，布設鋼筋網，澆筑鋼纖維混凝土。根據裂縫的位置和開裂程度，在箱梁底部沿拉應力方向粘貼碳纖維布。碳纖維布布置如圖2所示。通過粘貼碳纖維布，可以約束裂縫的發展，提高橋梁正截面抗彎承載力，保證在荷載的作用下裂縫不會進一步發展破壞[4]。

本項目碳纖維布布置在跨中截面，共兩條，編號分別為N1和N2，沿縱橋向布置，尺寸為1 020 cm×28 cm，總計32片，單片面積為2.828 m2，總處治面積為90.496 m2。分別在每跨布置4個碳纖維布壓條，編號分別為N3和N4，尺寸分別為900 cm×15 cm和900 cm×10 cm，其中碳纖維布壓條N3總計4片，單片面積為1.35 m2；碳纖維布壓條N4總計9片，單片面積為0.90 m2。總處治面積為13.5 m2。

圖2 梁底碳纖維布布置示意圖(cm)

3 橋梁裂縫碳纖維處治效果分析

3.1 試驗方案

本項目采用靜載試驗檢驗碳纖維加固效果，分別在主梁跨中截面布置應變傳感器和撓度監測點。應變監測選用J2078型應變式傳感器，全橋共布置傳感器數量總計16個，測點布置如圖3所示。主梁撓度監測點布置在主梁跨中截面底部，監測方法采用二等水準測量方法，測量儀器選用精密水準儀。

圖3 傳感器布置示意圖

靜載試驗選用兩輛解放牌載重汽車作為加載車輛，汽車載重均為350 kN。車輛參數如表1所示。

表1 試驗加載車輛參數表

加固前后分別采用兩種工況進行加載，其中工況1和工況2為加固前加載工況，工況3和工況4為加固后加載工況。工況1和工況3均采用跨中對稱加載，兩輛加載車相對跨中對稱布置，兩車距離為1.3 m，加載情況如圖4所示；工況2和工況4為跨中偏載加載，加載情況如圖5所示。各工況加載過程中采用逐級加載，單級加載時間為15 min，然后讀取傳感器讀數。加載車輛退出橋面10 min后，分別讀取卸載后的變形量和應變值。每個工況加載兩次，取平均值作為試驗結果，通過與理論計算值進行對比確定加固前后橋梁的安全狀況[5]。

圖4 工況1和工況3加載示意圖

圖5 工況2和工況4加載示意圖

3.2 橋梁撓度監測結果分析

在各工況試驗加載過程中，對各跨中截面測點橋梁撓度開展監測，收集整理各工況試驗數據如表2和下頁表3所示。

表2 加固前后各工況下撓度監測結果表(工況1和工況3)

表3 加固前后各工況下撓度監測結果表(工況2和工況4)

對比分析橋梁加固前后在各工況加載下主橋跨中截面撓度的變化情況，加固后主梁撓度明顯下降，且加固后各截面撓度校驗系數均在0.60～0.90，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG T J21-2011)中的相關要求。各跨中截面撓度實測值均小于理論計算值，說明加固后橋梁的抗彎承載力得到了一定幅度的提高，滿足設計要求，且具有一定的安全儲備。

3.3 靜載應變檢測結果分析

在各試驗加載工況下，通過傳感器收集各測點主梁應變監測數據，收集整理應變監測結果如表4和表5所示。

對比分析表4和表5的應變監測結果可知，加固后各截面應變均有一定幅度下降，且均小于理論計算值，校驗系數均在0.60～0.90，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG T J21-2011)中的相關要求。說明采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應變明顯下降，結構穩定性和承載力得到了一定幅度的提升，且安全儲備充足。

表4 加固前后各工況下應變監測結果表(工況1和工況3)

表5 加固前后各工況下應變監測結果表(工況2和工況4)

4 結語

本文結合某高速公路大橋維修加固案例，通過調查確定橋梁的開裂情況，并分析了裂縫產生的原因。為檢驗碳纖維加固效果，在主梁跨中截面底部布置應變傳感器和測點，在各工況加載下對跨中截面撓度和應變進行監測，分析監測結果得出以下結論：

(1)加固后的主梁撓度較加固前有明顯下降，加固后各截面撓度校驗系數均在0.60～0.90，且各跨中截面撓度實測值均小于理論計算值，說明采用碳纖維加固后提高了橋梁結構的抗彎承載力，且具有一定的安全儲備。

(2)加固后各主梁截面應變較加固前均有一定幅度下降，且各截面實測值均小于理論計算值，校驗系數均在0.60～0.90，說明采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應變明顯下降，橋梁結構承載力滿足設計要求，且安全儲備充足。