橋梁養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化技術(shù)分析

鄧國(guó)瑞

（天津?yàn)I海旅游區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，天津30000）

1 引言

交通運(yùn)輸支撐著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其安全運(yùn)行意義重大，而橋梁工程是交通體系的重要組成部分，一旦發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。從未來(lái)我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展情況來(lái)看，隨著車輛數(shù)量的不斷增加，橋梁所承受的負(fù)荷也相應(yīng)增加，對(duì)橋梁自身的性能提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)橋梁的平穩(wěn)運(yùn)行，需要做好橋梁的日常維護(hù)，而橋梁養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化技術(shù)的出現(xiàn)充分滿足了這一要求，值得關(guān)注。

2 橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化

2.1 橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)研究

橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)是在現(xiàn)代化信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種科學(xué)管理系統(tǒng)，能夠完成對(duì)橋梁工程狀況的在線評(píng)估，具有可視化管理、養(yǎng)護(hù)管理、移動(dòng)巡查、健康監(jiān)測(cè)管理與安全評(píng)估等諸多功能，性能強(qiáng)大。與傳統(tǒng)的橋梁健康管理模式相比，橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與信息傳輸能力，依托橋梁實(shí)時(shí)傳感裝置間歇性采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)4G、5G等技術(shù)將橋梁數(shù)據(jù)資料傳送至管理部門，可以方便相關(guān)人員掌握橋梁的狀態(tài)并做出調(diào)整。

2.2 橋梁養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固的一體化技術(shù)分析

2.2.1 檢測(cè)內(nèi)容

在橋梁的健康檢測(cè)中，應(yīng)確保工作人員了解橋梁的基本信息，在信息系統(tǒng)的支持下應(yīng)完成以下幾方面的檢測(cè)：

1）表觀損傷檢測(cè)。表觀損傷是指橋梁肉眼可見(jiàn)的損傷情況，需要從橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及支座4個(gè)層面進(jìn)行表觀損傷的評(píng)估。

2）材質(zhì)狀況檢測(cè)。表觀檢測(cè)只是了解橋梁表面問(wèn)題，而針對(duì)其中更深層次的故障缺陷，需要評(píng)估材質(zhì)狀況，如混凝土強(qiáng)度變化、混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)、鋼筋銹蝕情況以及鋼筋保護(hù)層的厚度等。

3）承載力檢測(cè)。目前，橋梁所承擔(dān)的交通荷載問(wèn)題逐漸嚴(yán)重，應(yīng)通過(guò)信息系統(tǒng)時(shí)刻關(guān)注橋梁整體承載力的變化情況，并配合動(dòng)載試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等方法評(píng)估橋梁的整體狀況。

2.2.2 養(yǎng)護(hù)檢測(cè)內(nèi)容

1）混凝土的強(qiáng)度檢測(cè)。即工作人員在現(xiàn)場(chǎng)采用超聲回彈法，分別對(duì)橋墩與梁部等位置的混凝土強(qiáng)度情況進(jìn)行評(píng)估，每個(gè)測(cè)區(qū)分別設(shè)置16個(gè)回彈點(diǎn)，并均勻分布在檢測(cè)范圍內(nèi)，回彈點(diǎn)之間的靜距離控制在20 mm以上，確保同一構(gòu)件測(cè)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量大于10個(gè)。得出混凝土檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)后，可以直接被橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別，系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)比檢測(cè)結(jié)果判斷混凝土的強(qiáng)度情況[1]。

2）鋼筋位置與混凝土保護(hù)層檢測(cè)。對(duì)該內(nèi)容的檢測(cè)主要采用電磁法，當(dāng)探頭形成一個(gè)電磁場(chǎng)后，可以對(duì)某一范圍內(nèi)的鋼筋狀況進(jìn)行評(píng)估，若鋼筋位于磁場(chǎng)內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致磁力線改變而影響磁場(chǎng)強(qiáng)度。在檢測(cè)中，電磁法與橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)連接，工作人員通過(guò)向系統(tǒng)中輸入橋梁的設(shè)計(jì)信息，可以直觀地觀察保護(hù)層的鋼筋位置與保護(hù)層狀況，評(píng)估橋梁狀態(tài)。

3）混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)。采用超聲波檢測(cè)的方法。利用超聲波在物體中傳播的速度變化來(lái)判斷有無(wú)缺陷，例如，通過(guò)該方法能夠?qū)蚨盏炔糠肿鰴z測(cè)探查有無(wú)混凝土裂縫等。

4）橋梁的靜載試驗(yàn)。該方法主要是利用載重車搭配沙袋等進(jìn)行加載，然后根據(jù)加載的檢測(cè)結(jié)果繪制荷載-形變曲線圖，根據(jù)曲線圖的數(shù)據(jù)變化判斷橋梁的擾度以及索力等數(shù)據(jù)[2]。

5）橋梁動(dòng)載試驗(yàn)。選擇高靈敏度的動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)地脈動(dòng)、風(fēng)荷載與水流等偶然荷載所造成的微小變形進(jìn)行檢測(cè)，獲得振型、自振頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2.2.3 橋梁加固

橋梁加固是強(qiáng)化橋梁整體結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵，結(jié)合橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)探查的結(jié)果，可以根據(jù)橋梁實(shí)際情況選擇加固工藝。

1）粘貼鋼板加固法

該方法的關(guān)鍵是在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱位置或者受拉區(qū)域邊緣等，采用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼鋼板進(jìn)行加固，使鋼板與橋梁結(jié)構(gòu)之間形成一個(gè)受體力，可以強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)的抗剪力與剛度，解決傳統(tǒng)工藝下存在的混凝土應(yīng)力不均勻的問(wèn)題，是提高橋梁承載力與耐久性的有效措施[3]。該工藝示意圖如圖1所示，其中，帶狀鋼板的設(shè)置方向與主拉應(yīng)力方向平行（與剪切縫方向垂直），跨縫位置布設(shè)上下平行的水平錨固板，達(dá)到了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。

圖1 粘貼鋼板加固法的基本工藝

在技術(shù)應(yīng)用中，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)鋼板錨固長(zhǎng)度計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，本研究以為鋼板加固點(diǎn)外錨固黏結(jié)長(zhǎng)度，其計(jì)算公式為：

式中，ta為粘貼鋼板的厚度；fay為被粘貼混凝土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fav為加固鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2）粘貼碳纖維加固法

該方法主要是通過(guò)黏結(jié)劑在混凝土構(gòu)件表面上粘貼黏結(jié)增強(qiáng)復(fù)合材料，隨著負(fù)載的增加，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能夠與混凝土形成共同受力體，最終達(dá)到強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度的目的。在加固過(guò)程中，該方法的施工工藝流程為：施工前的準(zhǔn)備工作→混凝土表面處理→清洗基面→配置底層樹(shù)脂并涂刷→找平材料并整平→配置浸漬樹(shù)脂并涂刷→粘貼碳纖維→罩面防護(hù)處理。

根據(jù)現(xiàn)有工程項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，在采用粘貼碳纖維加固法期間，需要根據(jù)碳纖維布的標(biāo)準(zhǔn)再結(jié)合特定的算法確定鋼筋數(shù)量，其中的關(guān)系式如公式（2）所示。

式中，Acf為碳纖維布的使用量；f為鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；As為抵抗彎矩不足時(shí)需要增加的鋼筋面積；fcf為碳纖維布的抗拉設(shè)計(jì)值。

3 工程實(shí)例分析

本文以某橋梁巡查項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過(guò)在線監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)記錄橋梁的表觀狀態(tài)、材質(zhì)狀況等完成對(duì)橋梁的綜合評(píng)價(jià)。

3.1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某橋梁共31跨，其中，東引橋4跨，結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力通知空心板，孔跨布置為4×16 m；主橋13跨，為變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，孔跨布置為53.2 m＋6×90 m＋53.2 m＋5×50 m；包括西引橋14跨，為預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)，孔跨布置為14×16 m。

通過(guò)對(duì)橋梁的進(jìn)行檢測(cè)，得到檢測(cè)結(jié)果為：（1）從橋面系及其附屬結(jié)構(gòu)來(lái)看，相鄰兩橋墩的伸縮縫的齒板松動(dòng)，橋梁的瀝青鋪裝層局部不平整。（2）對(duì)上部結(jié)構(gòu)的檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主橋箱梁邊跨發(fā)現(xiàn)明顯的滲水析白、露筋與空洞情況；主橋箱梁部分通風(fēng)孔附近的混凝土剝落；箱梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束的部分保護(hù)套破損；箱梁內(nèi)橫隔板處發(fā)現(xiàn)麻面、蜂窩以及露筋情況。

在對(duì)鋼筋保護(hù)層做無(wú)損檢測(cè)后，結(jié)合JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)案例橋梁進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)對(duì)案例橋梁的檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，1#跨箱梁底板的鋼筋保護(hù)層的實(shí)測(cè)值變化相對(duì)平穩(wěn)，而2#跨箱梁底板的保護(hù)層實(shí)測(cè)值卻發(fā)現(xiàn)數(shù)值波動(dòng)較為明顯，提示此處鋼筋保護(hù)層存在質(zhì)量缺陷。

而對(duì)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)后，詳細(xì)的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

3.2 橋梁加固的實(shí)現(xiàn)方法

3.2.1 最不利位置的選擇

按照一體化的技術(shù)要求，結(jié)合對(duì)橋梁的勘察結(jié)果，根據(jù)有限元模型選擇最不利荷載，對(duì)橋梁的荷載變化做局部分析，其中，車輛荷載選擇規(guī)范重車后軸，每個(gè)輪重70 kN，與地面接觸面積為0.12 m2（0.6 m×0.2 m），經(jīng)橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)比最不利加載工況，車輛荷載作用下識(shí)別橋梁頂板應(yīng)力變化。這樣在最不利工況下，加固前梁端底板位置的最大拉應(yīng)力達(dá)到了2.63 MPa。

3.2.2 加固機(jī)理

采用粘貼碳纖維加固法的方法，按照最不利位置的選擇方法控制碳纖維板控制分布間距情況，再分別比較不同張拉力下底板應(yīng)力的變化情況。結(jié)合案例橋梁的勘察結(jié)果，在最不利荷載工況下，將碳纖維板按照60 cm的間距進(jìn)行布置，當(dāng)張拉力達(dá)到60 kN時(shí)，加固后底板混凝土的橫向正應(yīng)力達(dá)到了1.3 MPa；而當(dāng)張拉力達(dá)到90 kN時(shí)，底板混凝土最大橫向正應(yīng)力達(dá)到了0.64 MPa；而張拉力達(dá)到140 kN，加固混凝土板的橫向正應(yīng)力為-0.29 MPa。

3.2.3 效果評(píng)估

根據(jù)橋梁局部模型仿真結(jié)果，在考慮底板預(yù)應(yīng)力張拉情況，通過(guò)最不利荷載條件下的應(yīng)力云變化，根據(jù)連續(xù)梁底板橫向拉應(yīng)力與縱向預(yù)應(yīng)力張拉所產(chǎn)生的劈裂應(yīng)力之間存在相關(guān)性，在橋梁管理中，預(yù)應(yīng)力荷載作用在梁體上，導(dǎo)致梁體底板出現(xiàn)少量擾度，所以，在加固中施加橫向預(yù)應(yīng)力加固的方法是科學(xué)的。

從案例橋梁的實(shí)際情況來(lái)看，通過(guò)橋梁養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化技術(shù)能夠正確識(shí)別橋梁的狀態(tài)，并通過(guò)粘貼碳纖維加固法的方法，顯著改善橋梁底部混凝土應(yīng)力狀態(tài)，消除橋梁底部裂縫，維持整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是一種科學(xué)的技術(shù)手段。同時(shí)，從養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，該技術(shù)的出現(xiàn)減少了橋梁施工過(guò)程中的管理鏈條，能夠從橋梁工程項(xiàng)目的全局入手，保證了工程質(zhì)量，并發(fā)揮組合資源的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果直接指導(dǎo)橋梁加固過(guò)程，提高管理能力。

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化技術(shù)的出現(xiàn)可以顯著提升橋梁性能，在信息技術(shù)的支持下可以評(píng)估橋梁狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)資源整合，具有良好的社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文所選擇的案例橋梁在橋梁養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)、加固一體化技術(shù)下可以消除潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，具有技術(shù)先進(jìn)性，值得推廣。