碳纖維加固橋梁的施工工藝及荷載試驗研究

吳 壯 張孝千

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070)

近年來，隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展和交通量的迅速增長，通過橋梁的載重量也在不斷增加，同時，已建橋梁在多年的運營使用過程中會受到自然因素和人為因素的影響而損壞，這些都會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。由于歷史原因，如建橋時資金緊缺，設(shè)計荷載及泄洪能力偏低，技術(shù)力量的缺乏，設(shè)計、施工管理的粗放，以致在設(shè)計上或施工中留下不同程度的缺陷[2]。對于危橋、舊橋，如果選擇全部拆除重建，顯然是不現(xiàn)實且不經(jīng)濟(jì)的。依據(jù)檢測結(jié)果對這些橋梁進(jìn)行維修加固以恢復(fù)其工作能力，將節(jié)省大量的人力物力，同時也滿足了橋梁的運營要求。其中，碳纖維是一種具有極高抗拉強(qiáng)度和彈性模量的工程材料，其輕質(zhì)高強(qiáng)特點對提高承載力而不允許增加過多恒載的橋梁加固工程特別適用[3-4]。

現(xiàn)以大冶市君山橋為研究對象，介紹碳纖維加固方法的施工工藝，并利用有限元分析軟件midas Civil對加固后的君山橋進(jìn)行建模，設(shè)計橋梁靜載加載方法進(jìn)行加載試驗，使依據(jù)試驗結(jié)果對君山橋的加固效果進(jìn)行評定。

1 工程概況

君山橋位于大冶市還地橋軍山路，于2006年建成。橋梁為鋼筋混凝土無橋臺斜腿剛架橋，主梁全長25.7 m，孔跨布置為6.65 m+12.4 m+6.65 m。橋梁總寬17.5 m，橋面布置為2.25 m人行道+13 m行車道+2.25 m人行道。該橋經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)存在許多病害，2016年有關(guān)方對全橋進(jìn)行了加固。加固措施包括全橋7片主梁底部及側(cè)面采用粘貼2層碳纖維布加固，以增加主梁正彎矩承載能力；每片主梁中間支點兩側(cè)各增設(shè)1道橫隔梁以加強(qiáng)橋梁橫向整體性；更換橋面鋪裝；重做搭板；橋臺錐坡、護(hù)坡砌體結(jié)構(gòu)破損處理；裂縫處理；表面裂縫封閉處理。改造后的橋梁荷載等級為公路-II級，人群荷載3.0 kN/m2。橋梁加固總體立面布置見圖1。

圖1 君山橋加固總體布置及測試斷面示意圖(單位：cm)

2 碳纖維加固施工工藝

通過粘貼碳纖維進(jìn)行加固的施工工藝流程通常為：裂縫壓漿→基底處理→找平底層→貼纖維布→表面防護(hù)→驗收。

2.1 混凝土裂縫壓漿封閉

在進(jìn)行碳纖維加固前，需要對混凝土表面進(jìn)行外觀檢查，對于可見的裂縫均需要進(jìn)行處理。對于裂縫寬度大于2 mm的，通常進(jìn)行壓漿處理。對于裂縫寬度小于2 mm，但混凝土較為破碎的，也需要進(jìn)行封閉處理。裂縫壓漿分為高壓注漿和低壓注漿2種方法，兩者相比，低壓注漿的方法效果較好且操作方便[5]。對于表面封閉方法，通常先用工具將裂縫表面擴(kuò)大成寬3～5 mm的溝槽，再用膩子將處理后的溝槽刮平即可。

2.2 混凝土基底處理及底層找平

在進(jìn)行粘貼碳纖維布前，應(yīng)首先對混凝土的缺陷部分進(jìn)行處理。對于銹蝕鋼筋應(yīng)進(jìn)行除銹工作，然后利用砂輪、腳磨機(jī)等工具對混凝土表面的浮漿及油污等雜質(zhì)進(jìn)行打磨處理。最后混凝土表面需滿足平整、粗糙的要求[6]。

底層膠對于碳纖維粘貼的牢固程度十分關(guān)鍵，因此涂刷必須嚴(yán)密，涂刷時混凝土表面不能有水分。施工時將膠均勻涂在混凝土表面，待底膠固化后進(jìn)行下一工序。

2.3 粘貼碳纖維布及表面防護(hù)

碳纖維布粘貼時應(yīng)沿其受力方向用橡皮滾筒多次滾壓壓實，將氣泡趕出，保證碳纖維布粘貼密實，與混凝土表面緊密結(jié)合。第一層碳纖維布粘貼完成后，應(yīng)及時進(jìn)行第二層黏結(jié)劑的涂抹，待黏結(jié)劑固化到一定程度后，進(jìn)行第二層碳纖維布的粘貼[7]，重復(fù)上述步驟直到層數(shù)達(dá)到設(shè)計要求的數(shù)量。碳纖維的端部通常較難固定，可以采用鋼板固定等方法進(jìn)行處理。

碳纖維布粘貼完成后，需要在最外層的外面涂抹1層膠料，形成表面防護(hù)層。防護(hù)層可以采用在黏結(jié)膠料中加入少量的滑石粉的方法配制，在膠料固化后，利用無機(jī)材料進(jìn)行1道表面涂裝。

3 靜載試驗

首先利用midas Civil對加固后橋梁建模，并進(jìn)行各荷載工況作用下位移、應(yīng)力計算。通過橋梁靜載試驗對橋梁加固效果進(jìn)行評定，分別測試加固后橋梁在荷載作用下的應(yīng)變及撓度，以評定橋梁的承載能力。

3.1 測試斷面及測點布置

根據(jù)測試橋梁的受力特點，選取5個測試斷面，見圖1。

B-B，C-C2處斷面為斜腿與主梁處截面；A-A測試斷面為主跨的跨中，測試該控制截面在試驗荷載作用下的撓度和應(yīng)變；D-D、E-E斷面為斜腿處應(yīng)變測試斷面。

在A-A斷面處各梁底部布置1個撓度測點，為消除支座沉降的影響，同時在B-B，C-C截面附近布置撓度測點。在A-A斷面處每片梁布置3個應(yīng)變測點。斷面撓度測點布置見圖2，斷面應(yīng)變測點布置見圖3。

圖2 A-A斷面撓度測點布置示意圖

圖3 A-A斷面應(yīng)變測點布置示意圖

3.2 試驗荷載選用

靜力試驗荷載通過汽車進(jìn)行加載，將控制截面最不利荷載位置的設(shè)計荷載用試驗車輛按靜力等效的原則模擬進(jìn)行[8]。根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇后6輪載重車作為加載方式。靜載試驗共選取4輛6輪載重車，單車總重420 kN，前軸重60 kN，中后軸均重180 kN，前中軸距為3.65 m，中后軸距1.35 m。根據(jù)剛構(gòu)橋梁的受力特點，選擇如下4個荷載工況。

工況1：跨中截面最大正彎矩及撓度工況(偏載2號梁)。

工況2：跨中截面最大正彎矩及撓度工況(中載3號梁)。

工況3：支座B-B截面處最大負(fù)彎矩及撓度工況(偏載2號梁)。

工況4：支座B-B截面處最大負(fù)彎矩及撓度工況(中載3號梁)。

3.3 靜載試驗結(jié)果

3.3.1撓度測試結(jié)果及分析

A-A斷面各主梁在4種工況下的撓度實測值及理論值見圖4，測點撓度均已消除支座沉降影響。試驗荷載作用下，主要測點撓度實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)ζ值在0.18～0.97之間，均小于1。結(jié)構(gòu)殘余變形較小，最大為6.04%，小于控制值20%，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)[9-10]。

圖4 撓度沿橫向變化曲線(A-A)

3.3.2應(yīng)變測試結(jié)果及分析

A-A斷面各主梁在4種工況下的撓度實測值及理論值見圖5，試驗荷載作用下，主要測點應(yīng)變實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)ζ值在0～0.98，均小于1。這表明橋梁的實際狀況優(yōu)于理論狀況，承載能力滿足要求。

圖5 應(yīng)變沿橫向變化曲線(A-A)

4 結(jié)論

1) 加固后橋梁在試驗荷載作用下，各測點應(yīng)變及撓度實測值均小于理論計算值，校驗系數(shù)滿足規(guī)范要求。加固后橋梁在短期靜力試驗荷載作用下，各測試項目數(shù)據(jù)正常，結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下承載能力滿足設(shè)計要求，達(dá)到設(shè)計加固效果。

2) 利用碳纖維布進(jìn)行加固效果良好，能夠有效提高橋梁的承載能力，但需嚴(yán)格控制施工工藝。

[1] 史迎青.橋梁加固的研究與應(yīng)用[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[2] 侯林平.現(xiàn)行橋梁檢測與加固的反思[J].交通科技,2007(1):4-6.

[3] 何輝,劉永紅,許建軍,等.碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用研究[J].交通科技,2007(3):104-106.

[4] 王靜.連續(xù)鋼構(gòu)橋成橋荷載試驗實施方案研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011(8):93-97.

[5] 沙權(quán)賢.碳纖維材料加固橋梁混凝土施工技術(shù)[J].混凝土,2013(8):154-157.

[6] 李明哲.現(xiàn)役超限橋梁碳纖維加固技術(shù)[J].施工技術(shù),2012,41(17):28-30.

[7] 滕秀元,李厚海,楊晉,等.某鋼筋混凝土空心板橋的檢測及加固建議[J].工程抗震與加固改造,2011,33(1):89-93.

[8] 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程：JTG/T J21-2011[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9] 張璇.納米碳纖維改性瀝青混凝土試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2016,40(2):335-338.

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