碳纖維筋噴漿法在橋梁加固中的理論研究及工程應(yīng)用

1 前言

隨著近幾年重載超載現(xiàn)象的迅速增加，使得公路交通運(yùn)輸系統(tǒng)需具備一定的安全性、快速性和便捷性。橋梁是公路運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了非常重要的作用，因此，對(duì)橋梁的安全養(yǎng)護(hù)管理一直是建設(shè)管養(yǎng)單位首要解決的問(wèn)題。從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始，一方面新建橋梁建設(shè)蓬勃發(fā)展，另一方面針對(duì)舊有的橋梁加固改造維修工作迫在眉睫。在現(xiàn)有的大部分橋梁中，由于受到當(dāng)時(shí)條件、經(jīng)濟(jì)、養(yǎng)護(hù)及相關(guān)技術(shù)的限制，橋梁出現(xiàn)了諸如材料老化、結(jié)構(gòu)損壞、部件缺失等病害，使得大部分橋梁為三、四類橋梁，存在一定的安全隱患。對(duì)于這種不能適應(yīng)現(xiàn)代公路交通運(yùn)輸要求的舊橋，如果完全拆除重建，不僅所需要的資金巨大，而且還需要中斷交通，影響居民的交通出行，因此當(dāng)?shù)夭块T大部分采用維修改造對(duì)橋梁進(jìn)行加固。在針對(duì)眾多橋梁加固方法中，由于大部分加固方法存在耐久性較差、后期維修成本較高等問(wèn)題。因此，如何能采取有效的加固措施，達(dá)到既加固改造又修舊翻新的效果，恢復(fù)或提高它們的承載能力，延長(zhǎng)橋梁的耐久性能，使其繼續(xù)為當(dāng)代交通運(yùn)輸服務(wù)。

碳纖維筋噴漿補(bǔ)強(qiáng)加固法是一種新型的橋梁加固改造技術(shù)，關(guān)于碳纖維筋的研究，最早開(kāi)始于1967年的南非學(xué)者Fleming和1971年的法國(guó)學(xué)者Bresson，從此以后很多國(guó)家的學(xué)者們就給予了碳纖維筋更多的關(guān)注，80年代的美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的很多學(xué)者研究將碳纖維筋材料用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)加固。與之相比，我國(guó)對(duì)碳纖維筋材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚。2000年6月，我國(guó)土木工程學(xué)會(huì)的混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土分學(xué)會(huì)成立了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及工程應(yīng)用委員會(huì)，接著在2003年針對(duì)炭纖維筋加固的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》孕育而生，在此基礎(chǔ)上，我國(guó)對(duì)碳纖維筋加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究越來(lái)越多，有些研究達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

本文首先從碳纖維筋加固作用機(jī)理及適用范圍出發(fā)，對(duì)碳纖維筋噴漿法加固梁橋的表面安裝及開(kāi)槽植筋加固梁底以及橋面板板底等部位進(jìn)行了研究，并給出了加固補(bǔ)強(qiáng)后原構(gòu)件承載能力計(jì)算方法以及相應(yīng)的施工工藝控制要點(diǎn)，最后結(jié)合北京市提供的實(shí)橋應(yīng)用，對(duì)加固后的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2.1 表面安裝碳纖維筋加固圖

2 碳纖維筋加固作用機(jī)理及適用范圍

碳纖維筋加固混凝土結(jié)構(gòu)其實(shí)質(zhì)是體外配筋，加固方法主要有兩種：一是碳纖維筋表面安裝法，二是碳纖維筋開(kāi)槽植筋法(表層嵌貼)。

碳纖維筋表面安裝法是通過(guò)安裝碳纖維筋于被加固構(gòu)件表面受拉側(cè)，使其新增抗力層，然后進(jìn)行噴漿形成碳纖維筋高強(qiáng)聚合物砂漿補(bǔ)強(qiáng)層，在汽車荷載作用下，該抗力層與原構(gòu)件共同抵抗作用效應(yīng)，進(jìn)而減小原構(gòu)件所承擔(dān)的抗力水平。通過(guò)這種新增補(bǔ)強(qiáng)層后，不僅可提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度和承載力，且具備抗腐蝕、耐高溫、與結(jié)構(gòu)共同受力的特點(diǎn)，如圖2.1所示。該方法主要適用于對(duì)承載能力不足的抗彎構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，多用于公路橋梁結(jié)構(gòu)、石拱橋、隧道、蓋梁及高墩墩底的抗彎加固。對(duì)于這種方法，噴漿層與原構(gòu)件表面的粘結(jié)性能要求較高，確保新舊構(gòu)件的共同受力。

碳纖維筋開(kāi)槽植筋補(bǔ)強(qiáng)法是在原有表層粘貼法基礎(chǔ)上的發(fā)展和創(chuàng)新，把高強(qiáng)碳纖維筋作為受力配筋，主要用于橋梁受拉應(yīng)力的部位。其原理是在原鋼筋混凝土構(gòu)件表面淺層開(kāi)槽，再向槽中注入部分粘結(jié)材料，然后將棒狀的碳纖維筋嵌入槽中，利用粘結(jié)劑使其與構(gòu)件結(jié)合緊密形成整體，以此提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度和承載力，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的，如圖2.2所示。在實(shí)際工程中，嵌貼式加固方法施工比較方便，不需要大量的勞動(dòng)力和大型機(jī)械，也不需要占用較大的工作空間，甚至可以在不影響結(jié)構(gòu)正常使用的情況下進(jìn)行施工，因此該方法具有較大優(yōu)勢(shì)。針對(duì)橋梁所在地域環(huán)境，可以適當(dāng)選擇加固表面噴涂高強(qiáng)聚合物砂漿，實(shí)現(xiàn)表面美觀，防腐、防潮的目的。因此，碳纖維筋開(kāi)槽植筋法特別適用于梁體底板抗彎加固、梁體腹板抗剪加固以及橫隔板抗剪加固等部位。

3 碳纖維筋加固設(shè)計(jì)理論計(jì)算

3.1 基本假定

對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行碳纖維筋加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，有以下幾項(xiàng)假定：

（1）在達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前，碳纖維筋和聚合物砂漿變形一致，共同受力，不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。

（2）采用碳纖維棒材加固受彎構(gòu)件時(shí)，其破壞形式應(yīng)為正截面破壞先于斜截面破壞。

（3）在受彎承載能力極限狀態(tài)下，截面受壓邊緣混凝土應(yīng)變達(dá)到界限壓應(yīng)變。截面受壓區(qū)混凝土應(yīng)力按等效矩形應(yīng)力圖形；原結(jié)構(gòu)受拉區(qū)鋼筋認(rèn)為理想彈塑性材料，鋼筋取抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（4）在構(gòu)件達(dá)到受彎承載能力極限狀態(tài)時(shí)，新增的碳纖維筋拉應(yīng)變采用平截面假定。

圖2.2 開(kāi)槽內(nèi)嵌碳纖維筋加固圖

其中碳纖維筋加固受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)步驟為：

(1) 第一階段：新澆筑功能性聚合物砂漿層達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之前，構(gòu)件按原構(gòu)件截面計(jì)算，荷載應(yīng)考慮加固時(shí)包括原構(gòu)件自重在內(nèi)的恒載、現(xiàn)澆聚合物砂漿層自重及施工荷載。

(2) 第二階段：新澆筑功能性聚合物砂漿層達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值后，構(gòu)件按加固后整體截面計(jì)算，作用(或荷載)應(yīng)考慮包括加固后構(gòu)件自重在內(nèi)的恒載及使用階段的可變作用。

3.2 承載力計(jì)算

采用碳纖維筋進(jìn)行加固時(shí)，如圖3.1所示，在受拉區(qū)矩形截面受彎構(gòu)件的受拉邊其正截面承載力計(jì)算公式如下：

x—等效矩形應(yīng)力圖的混凝土受壓高度；

針對(duì)開(kāi)槽植筋的表層內(nèi)嵌加固設(shè)計(jì)，其抗彎加固計(jì)算采取如下步驟：

（1）碳纖維筋設(shè)計(jì)材料的計(jì)算

（2）計(jì)算在恒載作用下碳纖維筋安裝位置的初始混凝土彈性應(yīng)變

（4）估計(jì)中性軸高度c（為梁頂距離中性軸的高度），在試算開(kāi)始時(shí)，取

（5）確定碳纖維筋的有效應(yīng)變：

如果破壞模式是碳纖維筋剝離破壞控制，則混凝土的應(yīng)變將小于0.0033，混凝土的應(yīng)變可由下式計(jì)算：

（6）計(jì)算現(xiàn)有受拉鋼筋的應(yīng)變：

（7）計(jì)算鋼筋和碳纖維筋的應(yīng)力：

（8）計(jì)算是否滿足平衡條件：

（9）計(jì)算抗彎強(qiáng)度：

4 加固施工工藝及質(zhì)量控制

碳纖維噴漿加固法的關(guān)鍵技術(shù)一是高強(qiáng)輕質(zhì)的碳筋材料，二是與原構(gòu)件的粘結(jié)工藝。采用碳纖維筋加固主梁、板底、橫隔板，先在側(cè)面或板底混凝土保護(hù)層中開(kāi)槽，再將碳筋嵌入槽內(nèi)，用環(huán)氧樹脂填封固定。其中采用軌道式液壓升降雙鋸片切縫設(shè)備，進(jìn)行仰面切割開(kāi)槽。這種加固方法開(kāi)拓了高強(qiáng)輕質(zhì)材料和粘貼牢固兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，使嵌入的碳纖維筋與原構(gòu)件共同受力，承載能力明顯提高。其施工工藝流程為：原構(gòu)件表面處理→局部破損修補(bǔ)→安裝開(kāi)槽機(jī)→碳纖維筋植筋→射水鑿毛、清洗表面雜物→涂表面強(qiáng)化劑→噴涂高強(qiáng)聚合物砂漿→表面提漿收尾、養(yǎng)生→涂刷表面防腐劑。

施工質(zhì)量控制要點(diǎn)如下：

（1）原構(gòu)件混凝土表面處理

清除混凝土表面出現(xiàn)的剝落、空洞、腐蝕等劣化部位，并采用射水鑿毛機(jī)進(jìn)行清理，對(duì)面積較大的損傷部位，采用功能性聚合物砂漿進(jìn)行修復(fù)，對(duì)斷裂的鋼筋采用幫條焊進(jìn)行恢復(fù)，如發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕，還應(yīng)進(jìn)行除銹，另外在斷裂鋼筋上部，植入兩層與主筋同等規(guī)格的鋼筋與主筋共同受力。

（2）開(kāi)槽

按照設(shè)計(jì)圖紙開(kāi)槽尺寸，在即將開(kāi)槽的橫隔板上標(biāo)記開(kāi)槽線，以保證開(kāi)槽的平整、順直，然后固定開(kāi)槽機(jī)軌道，安裝調(diào)試開(kāi)槽機(jī)，準(zhǔn)備開(kāi)槽。開(kāi)槽機(jī)開(kāi)槽完畢后，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的部分，人工用角磨機(jī)進(jìn)行局部修補(bǔ)，保證開(kāi)槽深度、寬度和長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。

（3）植碳纖維筋

圖3.1 矩形截面的正截面受彎承載力圖

圖3.2 內(nèi)嵌碳纖維筋矩形截面構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算

植筋前，用吹風(fēng)機(jī)及毛刷清除梁底混凝土槽內(nèi)灰塵和雜物等，防止植筋膠與混凝土之間不能充分連接。按照設(shè)計(jì)圖紙要求裁剪碳纖維筋。把植筋膠固定在膠槍上，向槽內(nèi)擠植筋膠，使植筋膠充分填滿槽2/3空間，把碳纖維筋嵌入槽內(nèi)，然后人工修補(bǔ)碳纖維筋表面，使植筋膠充分包裹碳纖維筋，直到達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求。

（4）射水鑿毛

調(diào)試高壓射水鑿毛機(jī)械，使高壓鑿毛機(jī)壓力達(dá)到500bar。一次噴射混凝土表面，達(dá)到混凝土鑿毛效果。射水鑿毛完成后人工進(jìn)行檢查，未達(dá)到鑿毛要求的混凝土表面，采用人工鑿毛。然后再次調(diào)試射水鑿毛機(jī)，使高壓鑿毛機(jī)壓力達(dá)到150bar，洗滌已鑿毛混凝土表面后干燥。

（5）涂抹表面強(qiáng)化劑

混凝土表面干燥后，采用刷子或噴涂機(jī)在混凝土表面涂抹強(qiáng)化劑，一次涂抹量的標(biāo)準(zhǔn)以無(wú)流墜為依據(jù)，直至強(qiáng)化劑滲透到混凝土表面。

（6）噴涂高強(qiáng)聚合物砂漿

分層噴射高強(qiáng)聚合物砂漿，每層噴射厚度控制在1.5cm～2.0cm，待上一層初凝后方可進(jìn)行下層施工。

5 工程實(shí)例加固效果

八達(dá)嶺大橋位于北京市延慶縣八達(dá)嶺長(zhǎng)城旅游風(fēng)景區(qū)，京藏高速公路出京方向K55+251.0處。大橋總長(zhǎng)為995.0米，橋面寬13.0米，車行道寬11.5米，橋下平均凈高17.0米。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土工字梁，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土板墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。八達(dá)嶺大橋在長(zhǎng)期重載作用以及冬季大量使用以“氯鹽”為主的無(wú)機(jī)融雪劑，使得邊梁以及防撞護(hù)欄表面混凝土腐蝕開(kāi)裂嚴(yán)重。根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)要求，要對(duì)全橋邊梁進(jìn)行碳纖維筋噴漿加固，對(duì)全橋中梁、墩臺(tái)進(jìn)行局部修補(bǔ)，并做防腐處理。

本次加固工程在不斷交通的情況下正常施工，對(duì)破損的邊梁進(jìn)行了植筋補(bǔ)強(qiáng)，施工前對(duì)該橋進(jìn)行了加固改造受力驗(yàn)算如圖5.1～圖5.2所示，加固后效果如圖5.3～圖5.4所示。

此外，參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，本文首先對(duì)八達(dá)嶺大橋進(jìn)行了維修加固前的荷載試驗(yàn)，在采用碳纖維筋加固橫隔板及梁底后，進(jìn)行了維修加固后的荷載試驗(yàn)。根據(jù)該橋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比了加固前與加固后的撓度值和動(dòng)應(yīng)變值，其中撓度幅值減少了23.4%，動(dòng)應(yīng)變幅值減少了26.5%，說(shuō)明該橋經(jīng)過(guò)碳纖維筋噴漿加固后，結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度均大大提高。

6 結(jié)論

圖5.1 加固后橋梁撓度圖

圖5.2 加固后橋梁應(yīng)力圖

圖5.3 安裝軌道及開(kāi)槽植筋

圖5.4 收尾養(yǎng)生

（1）在不中斷交通條件下，碳纖維筋噴漿加固法由于施工組織方便、周期短、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以較快的完成橋梁的加固，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益十分顯著，屬于一種經(jīng)濟(jì)合理的改造方案。

（2）表層內(nèi)嵌碳纖維筋噴漿加固應(yīng)用于橋梁橫隔板及梁底維修，對(duì)鋼筋混凝土梁式橋抗彎能力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，結(jié)果表明全橋的整體剛度和承載能力有較大提高，達(dá)到了加固效果。

（3）采用高粘性聚合物砂漿薄層噴漿施工工藝，與內(nèi)植碳筋形成有效組合體，加固后的補(bǔ)強(qiáng)材料與原結(jié)構(gòu)模量基本一致，達(dá)到提高加固結(jié)構(gòu)的耐久性和修舊如新的表觀效果。