高速公路橋梁項目的檢測與加固技術分析

吳龍

摘要 公路橋梁工程在行車荷載及外部環境長期影響下，不可避免地會產生質量病害，嚴重影響橋梁運營安全和使用年限。為有效提高公路橋梁使用性能，保證交通運輸安全，加強公路橋梁檢測與加固顯得尤為關鍵。鑒于此，文章結合某橋梁工程實際情況，針對高速公路橋梁項目檢測與加固技術展開綜合研究，通過試驗檢測確定了橋梁病害情況及評定等級，提出了針對性的加固技術方案，同時借助Midas Civil系統構建有限元模型，對橋梁加固前后撓度及應力變化實施對比分析，科學驗證了CFRP加固技術的可行性和有效性，具有重要的參考價值。

關鍵詞 公路橋梁項目；T梁橋；損傷檢測；橋梁加固技術

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0105-03

0 引言

近年來，隨著經濟的快速發展，交通運輸行業取得顯著進步，交通量、載重量大幅度提升，部分現役橋梁工程運營能力顯著降低，已無法滿足正常使用要求；同時，在行車荷載及外部環境共同作用下，造成橋梁結構產生一系列疲勞破壞，嚴重影響橋梁使用壽命。若將此部分橋梁拆除重建，會造成嚴重資源浪費，且對社會經濟發展帶來極為不利的影響。因此，采用科學手段對其實施加固處理，全面提升橋梁結構承載性能，使其滿足正常使用要求，對保證橋梁安全穩定運營具有重要意義[1]。

1 工程概況

某高速公路橋梁工程采用分離式設計，左半幅設計長度為2 329 m，設計寬度為12.25 m，凈寬11.25 m。橋跨組合形式為（24×40+3×30+24×40+5×30+4×40）m；右幅橋梁總長度為2 319 m，寬度12.25 m，凈寬度11.25 m。其上部結構采用預應力混凝土T梁，下部結構較為復雜，包括柱式墩、薄壁式墩、U型橋臺。橋梁墩和臺基礎形式分別為樁基礎和擴大基礎。設計荷載為公路-I級。試驗檢測結果顯示該橋梁主要病害如下所述。

（1）上部結構病害：①T梁病害表現為豎向、縱向及斜向開裂、混凝土剝落、鋼筋銹蝕、滲水堿化、縱向位移等；②橫隔板病害表現為豎向、斜向開裂和鋼筋銹脹；③濕接縫病害表現為表面存在大量蜂窩和孔洞，局部存在露筋現象；④濕接頭病害表現為局部鋼筋裸露，木模未拆除；⑤支座系統病害表現為變形、老化、脫空、墊石損壞[2]。

（2）下部結構病害：蓋梁存在豎、橫向及斜向裂縫，鋼筋銹蝕嚴重，墩柱局部鋼筋裸露。

（3）橋面系病害：①伸縮縫位置混凝土產生縱向裂縫；②排水體系失效。

按照最新實施的《道路橋梁工程施工質量評定標準》對橋梁質量狀況實施評價，其評定結果如下：①左幅橋梁上部結構為3類，下部結構及橋面系均為2類；綜合評定為3類；②右幅橋梁上部結構為3類，下部結構及橋面系均為2類；綜合評定為2類；整體評價結果為該橋梁工程左半幅綜合評分為60≤Dr＜80，為3類橋。由此可知，該橋梁左半幅質量狀況相對較差，應實施中修處理；左半幅質量狀況良好，可實施小修。現重點分析左半幅加固處理情況[3]。

2 加固處理方案

根據橋梁質量狀況檢測及評定結果，對質量缺陷成因實施綜合分析，制定了針對性維修加固方案，具體情況如下：

2.1 上部承重構件加固建議

（1）對于T梁混凝土結構質量病害，如蜂窩、麻面、孔洞等，應先對病害部位實施處理，鑿除附近松散混凝土，并對鋼筋實施除銹，除銹完成后采用高標號混凝土進行修復；若鋼筋保護層厚度較小時，應采用水泥基防水結晶材料制備水泥漿液進行涂刷[4]。

（2）對于滲水返堿質量病害，應將堿化區域松散混凝土鑿除，對損壞部位實施修復處理，并選擇適當時機對橋面破損防水混凝土實施修復。

（3）對于T梁結構性豎向開裂，應先采用科學方式閉合裂縫，再實施加固；其他形式裂縫直接實施閉合處理。

（4）對于T梁縱向裂縫，應根據縫寬選擇科學合理的修補方式；當縫寬超過0.15 mm時，通過注漿加固方式實施修補處理；而當縫寬小于0.15 mm時，則采用封閉法實施處理。

（5）對于T梁縱向位移部位，應加強位移監測，實時監控位移情況，適時采取處治措施。

2.2 上部一般構件加固建議

（1）對于橫隔板、濕接縫混凝土質量病害，如蜂窩、麻面、孔洞等，與T梁混凝土病害處治方式相同，先鑿除附近松散混凝土，并對鋼筋實施除銹，然后采用高標號混凝土進行修復；若鋼筋保護層厚度較小時，應采用水泥基防水結晶材料制備水泥漿液進行涂刷[5]。

（2）對于模板未拆部位應將其拆除；而對于滲水返堿質量病害，應將堿化區域松散混凝土鑿除，對損壞部位實施修復處理，并選擇適當時機對橋面破損防水混凝土實施修復。

（3）對于橫隔板開裂，應先采用科學方式封閉裂縫，并監測裂縫變化情況，當裂縫再次發展時，應采用黏鋼加固、設置系梁、增設預應力筋等方式實施處理。

2.3 支座

（1）部分脫空的支座應進行加墊處理，保證受力均衡。

（2）墊石損壞的情況，應采用環氧砂漿進行修復處理。

（3）對于老化開裂、變形嚴重的支座，應實施更換。

（4）部分出現移位的支座，應實施復位。

2.4 橋墩

（1）對于橋墩混凝土結構缺陷、蜂窩、麻面、孔洞、露筋等質量病害，應先對病害部位實施處理，鑿除附近松散混凝土，并對鋼筋實施除銹后再采用高標號混凝土進行修復；若鋼筋保護層厚度較小時，應采用水泥基防水結晶材料制備水泥漿液進行涂刷[6]。

（2）對于橋墩存在的裂縫病害，應根據縫寬選擇科學合理的修補方式；當縫寬超過0.15 mm時，通過注漿加固方式實施修補處理；而當縫寬小于0.15 mm時，則采用封閉法實施處理；封閉完成后應采用水泥砂漿進行抹面處理，保持與周邊混凝土顏色一致[7]。

2.5 伸縮縫

（1）對于橋梁伸縮裝置錨固位置混凝土開裂，應采用灌縫處理方式實施封閉。

（2）對于泄水孔堵塞問題，應完善排水系統，全面清理泄水孔，保持排水通暢。

（3）強化橋梁維護和保養工作，合理設置限載標識，安排專人負責伸縮裝置及泄水孔清理工作，并定期進行巡查，科學處理存在問題，提高橋梁運營能力[8]。

2.6 碳纖維材料加固法

碳纖維布加固法（Carbon Fi-ber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是一種新型加固方式，加固材料包括基體和纖維兩部分，通過對強度及模量較大的連續碳纖維排布成束，浸潤樹脂材料后，將其置于模具中固化，并經過反復拉擠而成。相較于鋼材，碳纖維復合材料彈性較大，不產生塑性變形，強度高、耐久性強，其應力變化情況如圖1所示。采用黏貼碳纖維復合材料加固時，碳纖維材料與構件形成整體結構，共同參與受力，有效約束裂縫擴展，提高構件強度、剛度和承載性能。同時，碳纖維復合材料能顯著增強構件抗剪性能，有效控制構件變形[9]。

碳纖維復合材料加固法主要是采用黏結劑將復合材料黏結在橋梁表面裂縫處，與橋梁構件形成整體結構，使其與橋梁構件共同工作，從而有效提高橋梁結構承載性能。該方法主要用于對橋梁承重構件的補強加固，如主梁、墩柱等，同時也能用于對一般構件的加固處理。

碳纖維復合材料性能穩定，強度高、密度小、抗老化能力強，加固后無須長時間養護。此加固方法施工簡便、快捷，且當纖維材料密度為200～300 g/mm3時，其厚度僅為0.111～0.167 mm，不影響橋梁構件截面尺寸及自重，且不會改變橋下凈空高度，是目前最為理想的加固方式。相較于普通加固方式，采用該加固方法對橋梁結構實施處理，不改變結構受力狀態，且能與橋梁構件共同承受荷載作用。但由于碳纖維材料價格昂貴，其加固成本較高，同時對施工人員專業技能提出了更加嚴苛的要求，因此必須由綜合能力較強的技術人員完成加固任務。

3 有限元數值模擬分析

Midas的中文名稱為“邁達斯”，是一款與建筑、橋梁、巖土、仿真等相關的有限元分析軟件。其中橋梁工程方面涉及軟件有Midas Civil、Midas SmartBDS、Civil Designer。Midas Civil適用于土木工程領域，尤其適用對于懸索橋、斜拉橋、箱型橋梁等的結構分析，同時能用于非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力及動力彈塑性分析等。為確保科學、高效地完成同類結構的分析與設計，彌補現階段土木結構分析與設計軟件的短板，研制出了一套土木結構專用設計軟件[10]。

3.1 利用Midas有限元軟件實施模擬分析

Midas Civil軟件為Midas中的一種，操作簡單、高效便捷，功能較為齊全，可滿足各種目標需求。該軟件是由多國工程師在C++和Windows環境研發而成。該軟件的成功應用給工程施工帶來諸多方便，能夠較為直觀、準確地從多角度反映結構模型的驗證與分析，顯著提升模擬結果的精確性和有效性。尤其在橋梁結構方面，Midas Civil充分考慮了國內相關標準和習慣，在建模、分析、處理、設計等不同環節提供了一系列較為方便的功能，得到了眾多設計師的認可。通過該系統構建全橋整體模型，對荷載作用下橋梁結構病害狀況實施模擬分析，具體如圖2所示。

3.2 CFRP的模擬

在對CFRP加固狀況實施模擬時，通過平面應力模塊對T梁結構底部黏貼碳纖維復合材料實施模擬。利用自定義及界面功能設定CFRP加固材料性能參數，并通過設定界面間的邊界條件，對復合材料與鋼筋混凝土T梁間的黏接狀態實施仿真模擬，選擇彈性鏈接界面中的剛性連接方式，完成對應部位的復合材料單元節點與鋼筋混凝土T梁節點的有效連接，從而實現對其變形和位移的調節，增強黏結效果，避免產生滑動破壞。

3.3 加固效應結果對比

對加固效應結果實施對比時，應選擇橋梁中央位置的T量實施比較；對撓度比較時，應選取中梁及邊跨的中跨跨中部位；對應力比較時，應選擇中梁中央部位的T量實施對比。

（1）撓度：CFRP加固處理前后橋梁撓度變化情況，如圖3所示。

（2）應力：CFRP加固處理前后橋梁應力變化情況，如圖4所示。

通過圖3、圖4能夠看出：①彎矩相同的條件下，橋梁加固處理后，中梁和邊梁的撓度均顯著低于加固前撓度，降幅達60%，表明CFRP加固技術能有效提升鋼筋混凝土T梁剛度；②采用CFRP加固技術對橋梁實施加固處理后，T梁底部應力顯著降低，中跨、邊跨位置的應力依次降低30%和50%，橋梁承載性能顯著增強。由此可見，采用CFRP加固技術對存在結構缺陷的橋梁工程實施加固處理，能有效地提升橋梁剛度及承載性能，增強抗變形能力，并且能夠有效地控制橋梁后期裂縫病害，這充分表明采用CFRP加固技術對橋梁實施補強加固是完全可行的。

4 結論

綜上所述，該文結合某橋梁工程實際情況，針對高速公路橋梁項目檢測與加固技術展開綜合研究，通過試驗檢測及加固模擬分析，得出如下結論：

（1）常規試驗檢測能及時發現橋梁質量病害，為橋梁加固處理提供理論依據。

（2）針對橋梁結構裂縫加固處理，應先將裂縫封閉后，再采用CFRP實施加固，能顯著增強橋梁剛度和承載性能。

（3）橋梁經加固處理后，其強度、剛度、穩定性得到大幅度提升，運營能力顯著增強，但在運營過程中極易產生質量病害，造成結構性能嚴重衰退。因此，橋梁加固處理后應加強橋梁檢測與養護，以有效確保橋梁安全穩定運營。

參考文獻

[1]祁朝相. 公路橋梁魚腹式T梁檢測與加固方案[J]. 黑龍江交通科技， 2023（3）： 60-62.

[2]陳輝. 基于橋梁特殊檢測的鋼筋混凝土T型梁橋加固改造[J]. 福建交通科技， 2020（1）： 67-70.

[3]譚寶麟.? T梁橋維修加固技術改造[C]//中國公路學會養護與管理分會. 中國公路學會養護與管理分會第十二屆學術年會論文集， 2022： 504-510.

[4]尉曉寧. 公路橋梁常見問題及維修加固技術研究[J]. 城市建筑， 2021（20）： 173-176.

[5]方圣恩， 賴蒼林， 武棒棒. 鋼筋混凝土T梁橋損傷檢測、加固與承載力評定[J]. 工程抗震與加固改造， 2017（S1）： 52-57.

[6]司風光. 預應力混凝土橋梁的加固技術研究[J]. 建設科技， 2022（6）： 98-100+104.

[7]王猛， 譚劍鋒. 連續鋼桁梁橋涂裝試板損傷紅外檢測[J]. 廣東公路交通， 2022（6）： 82-86+92.

[8]錢建利. 高速公路橋梁加固關鍵技術分析與研究[J]. 交通世界， 2021（19）： 134-135.

[9]吳越. 公路橋梁體外預應力加固與施工方法研究[J]. 交通世界， 2019（13）： 124-125.

[10]孔令宗. 下承式簡支鋼桁梁橋加固及檢測試驗研究[J]. 鐵道建筑， 2019（8）： 54-56+60.