橋梁裂縫碳纖維加固與效果評(píng)定

楊海紅

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 運(yùn)城南高速公路分公司，山西 運(yùn)城 044000）

0 引言

由于交通量不斷增長(zhǎng)，車(chē)輛載重量增加，公路橋梁在運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象。橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂維修不及時(shí)，雨水滲入橋梁內(nèi)部會(huì)進(jìn)一步造成混凝土侵蝕和鋼筋銹蝕破壞，降低橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，甚至影響行車(chē)安全。采取有效的措施對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行修補(bǔ)加固，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命，提高行車(chē)舒適性和安全性[1]。結(jié)合風(fēng)陵渡黃河公路特大橋養(yǎng)護(hù)維修實(shí)踐，根據(jù)橋梁病害調(diào)查結(jié)果，制定養(yǎng)護(hù)措施對(duì)橋梁裂縫、露筋、鋼筋銹蝕、接縫破壞等病害進(jìn)行維修加固。為提高橋梁梁體抗拉強(qiáng)度，在箱梁底部滿(mǎn)貼碳纖維布進(jìn)行加固。通過(guò)分析碳纖維加固原理，在橋梁加固前后開(kāi)展靜載試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析橋梁撓度、靜載應(yīng)變等指標(biāo)的變化情況，作為評(píng)定加固效果的主要依據(jù)。

1 碳纖維加固原理

碳纖維材料是一種新型建筑材料，可用于加固橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋與混凝土材料結(jié)合效果較好，在外力作用下共同受力產(chǎn)生變形，且二者變形具有相同的協(xié)調(diào)性。鋼筋遇到酸性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生腐蝕破壞，而混凝土中沒(méi)有酸性物質(zhì)，還可以對(duì)鋼筋起到保護(hù)作用。鋼筋的彈性模量和抗拉強(qiáng)度較混凝土好，一般為混凝土的5.56～6.67倍。另外，混凝土和鋼筋的溫度線(xiàn)性膨脹系數(shù)相差不大，在外界溫度變化時(shí)不會(huì)再產(chǎn)生附加的溫度應(yīng)力。

在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂抹一層樹(shù)脂，粘貼碳纖維布，隨著樹(shù)脂逐步滲入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部使碳纖維布與混凝土結(jié)合為一個(gè)整體，有效提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)起到加固作用[2]。與鋼筋類(lèi)似，碳纖維具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，可有效彌補(bǔ)由于混凝土內(nèi)部鋼筋抗拉強(qiáng)度不足造成的結(jié)構(gòu)缺陷。

碳纖維材料受熱后變形量較小，比鋼筋和混凝土的變形量小很多，在外界溫度變化較大時(shí)，碳纖維材料所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)影響很小。在橋梁結(jié)構(gòu)受拉部位粘貼碳纖維，樹(shù)脂固化后與橋梁結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，與混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，可有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度[3]。碳纖維片雖然質(zhì)量很輕，但是可以承受較大的荷載，從而降低鋼筋的應(yīng)力，對(duì)橋梁起到加固作用。但是所選用的碳纖維材料強(qiáng)度也不能過(guò)高，也要考慮與橋梁混凝土強(qiáng)度的匹配性，強(qiáng)度過(guò)高不能充分發(fā)揮碳纖維材料張力。另外，碳纖維的組成材料為碳原子，質(zhì)地堅(jiān)硬，耐化學(xué)腐蝕，抗高溫，攤鋪瀝青混合料也不會(huì)影響其性能[4]?？傊?，碳纖維材料可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)起到補(bǔ)強(qiáng)作用，和鋼筋具有較好的相容性，可與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，不僅可以有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，還可提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，有效抑制裂縫，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)起到加固作用。

2 橋梁基本狀況調(diào)查

2.1 依托橋梁簡(jiǎn)介

風(fēng)陵渡黃河公路特大橋全長(zhǎng)1 409.64 m，由主孔橋和邊孔橋組成。主橋長(zhǎng)972 m，跨徑組成為（87+7×114+87）m，邊孔橋長(zhǎng)435 m，跨徑組成為5×87 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用空心薄壁墩，基礎(chǔ)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面凈高8 m，凈寬44 m。特大橋1994年末建成通車(chē)，運(yùn)營(yíng)以來(lái)經(jīng)過(guò)多次維修加固，先后對(duì)梁端的腹板內(nèi)側(cè)梁段施作混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，裂縫處理，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，采用鋼箱拱主提高邊跨剛度。在橋梁運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中，對(duì)橋面、橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)開(kāi)展調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橋面出現(xiàn)多處橫向裂縫、縱向接縫，局部出現(xiàn)車(chē)轍、沉陷等病害，橋梁接縫破損，橋墩露筋等病害。其中橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂較嚴(yán)重，需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2.2 橋梁病害調(diào)查

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)通車(chē)，在車(chē)輛荷載和自然因素的綜合作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很多病害。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、檢測(cè)，對(duì)橋面、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)破損情況進(jìn)行調(diào)查，橋梁結(jié)構(gòu)病害以裂縫為主，各部位病害統(tǒng)計(jì)如下：

a）橋面系 橋面鋪裝層多處出現(xiàn)橫向裂縫和縱向裂縫，局部分布有塊狀裂縫，個(gè)別位置出現(xiàn)車(chē)轍、凹陷。

b）橋梁上部結(jié)構(gòu)病害主要包括箱梁接縫破損累積5處、箱梁底板露筋累積1.35 m2、接縫滲水泛白累積長(zhǎng)度14 m、箱梁跨中混凝土脫落累積0.55 m2。

c）橋梁下部結(jié)構(gòu)病害包括蓋梁掉塊露筋累積1.05 m2，橋墩擋塊風(fēng)化破損3處。

另外，橋梁主梁和蓋梁部分泄水管破損缺失，局部箱梁梁體由于雨水侵蝕造成破壞，個(gè)別鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕，梁體上部分布有大量裂縫。

2.3 橋梁裂縫成因分析

橋面鋪裝層分布有大量縱向裂縫和橫向裂縫，部分縱向裂縫為貫通縫。結(jié)合對(duì)橋梁日常運(yùn)營(yíng)情況的調(diào)查，分析橋梁裂縫的成因主要包括以下幾個(gè)方面：

a）車(chē)輛荷載作用造成梁體接縫位置破壞，在接縫位置產(chǎn)生開(kāi)裂破壞。由于接縫開(kāi)裂后沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)，雨水滲入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步開(kāi)裂破壞。

b）橋梁固有頻率與部分車(chē)輛振動(dòng)所產(chǎn)生的頻率相近，引起類(lèi)似橋車(chē)共振，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

c）橋梁縱向裂縫產(chǎn)生后，降低了橋梁結(jié)構(gòu)的抗壓能力，在車(chē)輛荷載作用下加速了橫向裂縫的產(chǎn)生。

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂會(huì)加快混凝土中性化速度，降低混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，雨水滲入造成鋼筋銹蝕。另外，橋面淺層裂縫如果沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)，會(huì)造成裂縫進(jìn)一步發(fā)展破壞，甚至產(chǎn)生貫穿裂縫。接縫破壞會(huì)大大降低梁體連接強(qiáng)度，使橋梁出現(xiàn)縱向裂縫，加快梁體結(jié)構(gòu)腐蝕破壞，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和行車(chē)安全。因此，裂縫的出現(xiàn)會(huì)降低強(qiáng)度和耐久性，使橋梁主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形破壞，必須采取措施進(jìn)行維修加固。

3 橋梁維修加固方案

結(jié)合對(duì)風(fēng)陵渡黃河公路特大橋的病害調(diào)查情況，制定加固方案，對(duì)橋面和箱梁上部的裂縫進(jìn)行加固。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分橋梁接縫已經(jīng)出現(xiàn)了破壞，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生縱向貫通裂縫。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，拆除橋面鋪裝，在橋面結(jié)構(gòu)中植筋，并重新布設(shè)鋼筋網(wǎng)，澆筑C40鋼纖維混凝土，最后再攤鋪一層3～4 cm細(xì)粒瀝青混凝土磨耗層。

結(jié)合橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)踐，橋梁各跨箱梁每年都會(huì)出現(xiàn)一些0.15 mm以上的裂縫，且裂縫有不斷發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)新出現(xiàn)的裂縫，通常采用灌縫、封縫等養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行修補(bǔ)，但每年都會(huì)有新出現(xiàn)的裂縫或原裂縫破損，分析是由于梁體抗拉強(qiáng)度和彈性模量不足造成的。為了提高橋梁箱梁的使用壽命，進(jìn)而提高橋梁的整體承載力，在箱梁底部滿(mǎn)貼碳纖維布進(jìn)行加固處理。

4 橋梁加固前后靜載試驗(yàn)分析

4.1 靜載試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固效果，分別在橋梁加固前后開(kāi)展靜載試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定加固效果。橋梁主梁跨中截面縱向應(yīng)變采用GBY-125型應(yīng)變式傳感器進(jìn)行檢測(cè)，主橋跨中截面共設(shè)置16個(gè)應(yīng)變傳感器，傳感器布置如圖1所示。主梁撓度檢測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀，在主梁跨中截面底部設(shè)置測(cè)點(diǎn)。

圖1 應(yīng)變傳感器布置圖

橋梁靜力荷載試驗(yàn)選用2輛重量為350 kN的載重汽車(chē)，前軸、中軸和后軸平均軸重分別為70 kN、140 kN、140 kN。加固前后靜載試驗(yàn)分別采用兩個(gè)荷載試驗(yàn)工況進(jìn)行加載，其中工況1和工況6為跨中對(duì)稱(chēng)加載，工況2和工況7為跨中偏載加載。

4.2 橋梁撓度試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載的作用下，對(duì)不同工況下橋梁各試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的撓度和沉降值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并收集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。支點(diǎn)沉降量會(huì)直接影響橋梁跨中截面撓度，在計(jì)算跨中截面撓度時(shí)，應(yīng)扣除支點(diǎn)沉降值，計(jì)算公式如式（1）：

式中：fs為跨中截面實(shí)際撓度值；fz為跨中截面測(cè)點(diǎn)撓度觀(guān)測(cè)值；fa為梁左側(cè)支點(diǎn)沉降觀(guān)測(cè)值；fb為梁右側(cè)支點(diǎn)沉降觀(guān)測(cè)值。

橋梁裂縫箱梁采用碳纖維加固處理后，在不同工況下，跨中截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值和理論值如表1和表2所示，加載工況同上。

表1 各截面加固前后工況1和工況6撓度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

表2 各截面加固前后工況2和工況7撓度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

分析表1和表2數(shù)據(jù)，橋梁加固前后主橋跨中截面撓度觀(guān)測(cè)值明顯變小，且均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明采用碳纖維加固后橋梁豎向撓度變形明顯降低，橋梁承載力明顯提高，且有足夠的安全儲(chǔ)備。

4.3 靜載應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載作用下，收集橋梁各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算試驗(yàn)截面總應(yīng)變St、彈性應(yīng)變Se和殘余應(yīng)變Sp，計(jì)算公式如式（2）～式（4）：

式中：Si為加載前各測(cè)點(diǎn)初始讀數(shù)；SL為加載穩(wěn)定時(shí)測(cè)量值；Su為卸載穩(wěn)定時(shí)測(cè)量值。

在橋梁加固前后，分別對(duì)不同工況下橋梁跨中截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果如表3和表4所示，加載工況同上。

表3 加固前工況1與加固后工況6應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

表4 加固前工況2與加固后工況7應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

分析表4和表5數(shù)據(jù)，對(duì)比分析在試驗(yàn)工況1、工況6和工況2、工況7的試驗(yàn)截面應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果。采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應(yīng)變明顯下降，且實(shí)測(cè)值明顯小于理論值，安全儲(chǔ)備充足，加固后提高了橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，說(shuō)明采用碳纖維加固橋梁箱梁效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析橋梁病害調(diào)查結(jié)果，有針對(duì)性地制定養(yǎng)護(hù)方案，設(shè)計(jì)采用碳纖維加固箱梁，并通過(guò)靜載試驗(yàn)分析加固效果，總結(jié)得出以下結(jié)論：

a）分析橋梁撓度試驗(yàn)結(jié)果，加固后跨中截面撓度觀(guān)測(cè)值明顯變小，說(shuō)明采用碳纖維加固后有效控制了主梁豎向撓度變形，橋梁承載力明顯提高。

b）分析靜載應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果，采用碳纖維加固后橋梁跨中截面應(yīng)變明顯變小，且安全儲(chǔ)備充足，說(shuō)明采用碳纖維加固橋梁效果顯著。