公路橋梁裂縫碳纖維加固與處治效果分析

郭 鋼

(廣西長(zhǎng)長(zhǎng)路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

早期修建的橋梁，在長(zhǎng)期受到自然因素和車輛荷載的綜合作用下，橋梁結(jié)構(gòu)逐步產(chǎn)生破壞，為保證運(yùn)營(yíng)安全，必須及時(shí)對(duì)其進(jìn)行加固處理[1]。我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，隨著車輛大型化和交通荷載的不斷增加，橋梁結(jié)構(gòu)承受的荷載不斷增加。在對(duì)橋梁進(jìn)行日常檢查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分橋梁出現(xiàn)裂縫、接縫破壞、橋面破壞甚至結(jié)構(gòu)承載力不足等問(wèn)題，對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不同程度的影響[2]。其中裂縫是橋梁結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的破壞形式之一，發(fā)現(xiàn)后如不能及時(shí)處治，繼續(xù)發(fā)展后極有可能造成橋梁結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。而通過(guò)在橋梁箱梁底部粘貼碳纖維布，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)良好結(jié)合，在外界溫度變化時(shí)變形小，可與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，進(jìn)而提高橋梁結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度，控制裂縫發(fā)展[3]。本文以某大橋裂縫養(yǎng)護(hù)為研究背景，采用碳纖維布進(jìn)行維修加固，并在處治后開(kāi)展靜載試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果確定加固效果。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某大橋于1992年建成通車，橋梁為17跨，分東、西兩幅。橋梁結(jié)構(gòu)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩、砌石橋臺(tái)、鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)。該橋曾進(jìn)行過(guò)大修，更換過(guò)部分主梁，橋面也進(jìn)行過(guò)大修。該橋共17跨，單跨寬度為11.4 m，橋面寬度為20 m，采用雙向四車道，公路-Ⅰ級(jí)荷載設(shè)計(jì)。橋跨組合如圖1所示。

圖1 橋跨組合示意圖(cm)

1.2 橋梁裂縫調(diào)查分析

該橋梁經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)通車，雖經(jīng)多次養(yǎng)護(hù)維修，但橋梁結(jié)構(gòu)仍存在大量病害，主要破損形式為裂縫。在專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)維修前，對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如下：

(1)橋面系調(diào)查結(jié)果。橋梁左右兩幅伸縮縫均出現(xiàn)不同程度破損，且內(nèi)部有積土，其中左幅部分伸縮縫鋼板斷裂，防撞護(hù)欄有2處銹脹現(xiàn)象，橋面多處開(kāi)裂、2處坑槽、1處沉陷。

(2)橋梁上部結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果。經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)全橋翼板、腹板、底板處有多處開(kāi)裂，其中全橋翼板開(kāi)裂主要為橫向裂縫，裂縫總長(zhǎng)度為198.5 m，最大寬度為0.44 mm；橋梁腹板開(kāi)裂有豎向裂縫和斜向裂縫兩種，其中豎向裂縫總長(zhǎng)度為21.5 m，最大寬度為0.31 mm，斜向裂縫總長(zhǎng)度為2.2 m，最大寬度為0.46 mm；橋梁底板有多處破損，其中5處露筋，2處銹脹露筋。

(3)橋梁下部結(jié)構(gòu)裂縫調(diào)查結(jié)果。橋臺(tái)共發(fā)現(xiàn)5條裂縫，總長(zhǎng)度為1.8 m，最大寬度為0.12 mm。橋墩共發(fā)現(xiàn)豎向裂縫15條，總長(zhǎng)度為12.5 m，最大寬度為0.09 mm。

根據(jù)橋梁裂縫調(diào)查結(jié)果，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)分析：橋梁翼板、腹板和底板裂縫寬度較大，超過(guò)了最大允許寬度0.2 mm，其原因是原設(shè)計(jì)鋼筋混凝土箱梁中的鋼筋數(shù)量較少、梁體正截面抗彎承載力不足造成的。橋臺(tái)和橋墩豎向裂縫寬度小、數(shù)量少，其原因是混凝土的收縮變形。總之，通過(guò)分析該橋梁箱梁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂情況，得出橋梁存在正截面抗彎承載力不足的現(xiàn)象，如不能對(duì)裂縫進(jìn)行及時(shí)處理，水分滲入后會(huì)造成鋼筋銹蝕，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞，影響安全運(yùn)行，縮短橋梁的使用壽命，因此亟須對(duì)其進(jìn)行維修加固。

2 橋梁裂縫碳纖維加固方案

根據(jù)橋梁裂縫調(diào)查結(jié)果，制定方案對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，并采用碳纖維布進(jìn)行加固處理。根據(jù)裂縫的寬度，選取灌縫材料進(jìn)行修補(bǔ)：對(duì)裂縫寬度≤0.15 mm的淺裂縫選用樹(shù)脂封閉膠修補(bǔ)，涂刷封閉裂縫；對(duì)寬度在0.15～0.5 mm的裂縫，可選用裂縫灌注膠或?qū)Ｓ铆h(huán)氧樹(shù)脂漿液填縫，灌入后處治；對(duì)寬度>0.5 mm的裂縫修補(bǔ)應(yīng)采用鑿槽嵌補(bǔ)進(jìn)行處理。對(duì)局部破損嚴(yán)重的位置進(jìn)行植筋處理，布設(shè)鋼筋網(wǎng)，澆筑鋼纖維混凝土。根據(jù)裂縫的位置和開(kāi)裂程度，在箱梁底部沿拉應(yīng)力方向粘貼碳纖維布。碳纖維布布置如圖2所示。通過(guò)粘貼碳纖維布，可以約束裂縫的發(fā)展，提高橋梁正截面抗彎承載力，保證在荷載的作用下裂縫不會(huì)進(jìn)一步發(fā)展破壞[4]。

本項(xiàng)目碳纖維布布置在跨中截面，共兩條，編號(hào)分別為N1和N2，沿縱橋向布置，尺寸為1 020 cm×28 cm，總計(jì)32片，單片面積為2.828 m2，總處治面積為90.496 m2。分別在每跨布置4個(gè)碳纖維布?jí)簵l，編號(hào)分別為N3和N4，尺寸分別為900 cm×15 cm和900 cm×10 cm，其中碳纖維布?jí)簵lN3總計(jì)4片，單片面積為1.35 m2；碳纖維布?jí)簵lN4總計(jì)9片，單片面積為0.90 m2?？偺幹蚊娣e為13.5 m2。

圖2 梁底碳纖維布布置示意圖(cm)

3 橋梁裂縫碳纖維處治效果分析

3.1 試驗(yàn)方案

本項(xiàng)目采用靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)碳纖維加固效果，分別在主梁跨中截面布置應(yīng)變傳感器和撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變監(jiān)測(cè)選用J2078型應(yīng)變式傳感器，全橋共布置傳感器數(shù)量總計(jì)16個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。主梁撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在主梁跨中截面底部，監(jiān)測(cè)方法采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法，測(cè)量?jī)x器選用精密水準(zhǔn)儀。

圖3 傳感器布置示意圖

靜載試驗(yàn)選用兩輛解放牌載重汽車作為加載車輛，汽車載重均為350 kN。車輛參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)加載車輛參數(shù)表

加固前后分別采用兩種工況進(jìn)行加載，其中工況1和工況2為加固前加載工況，工況3和工況4為加固后加載工況。工況1和工況3均采用跨中對(duì)稱加載，兩輛加載車相對(duì)跨中對(duì)稱布置，兩車距離為1.3 m，加載情況如圖4所示；工況2和工況4為跨中偏載加載，加載情況如圖5所示。各工況加載過(guò)程中采用逐級(jí)加載，單級(jí)加載時(shí)間為15 min，然后讀取傳感器讀數(shù)。加載車輛退出橋面10 min后，分別讀取卸載后的變形量和應(yīng)變值。每個(gè)工況加載兩次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比確定加固前后橋梁的安全狀況[5]。

圖4 工況1和工況3加載示意圖

圖5 工況2和工況4加載示意圖

3.2 橋梁撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在各工況試驗(yàn)加載過(guò)程中，對(duì)各跨中截面測(cè)點(diǎn)橋梁撓度開(kāi)展監(jiān)測(cè)，收集整理各工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和下頁(yè)表3所示。

表2 加固前后各工況下?lián)隙缺O(jiān)測(cè)結(jié)果表(工況1和工況3)

表3 加固前后各工況下?lián)隙缺O(jiān)測(cè)結(jié)果表(工況2和工況4)

對(duì)比分析橋梁加固前后在各工況加載下主橋跨中截面撓度的變化情況，加固后主梁撓度明顯下降，且加固后各截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均在0.60～0.90，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG T J21-2011)中的相關(guān)要求。各跨中截面撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明加固后橋梁的抗彎承載力得到了一定幅度的提高，滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。

3.3 靜載應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果分析

在各試驗(yàn)加載工況下，通過(guò)傳感器收集各測(cè)點(diǎn)主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，收集整理應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4和表5所示。

對(duì)比分析表4和表5的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，加固后各截面應(yīng)變均有一定幅度下降，且均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)均在0.60～0.90，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG T J21-2011)中的相關(guān)要求。說(shuō)明采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應(yīng)變明顯下降，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力得到了一定幅度的提升，且安全儲(chǔ)備充足。

表4 加固前后各工況下應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表(工況1和工況3)

表5 加固前后各工況下應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表(工況2和工況4)

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某高速公路大橋維修加固案例，通過(guò)調(diào)查確定橋梁的開(kāi)裂情況，并分析了裂縫產(chǎn)生的原因。為檢驗(yàn)碳纖維加固效果，在主梁跨中截面底部布置應(yīng)變傳感器和測(cè)點(diǎn)，在各工況加載下對(duì)跨中截面撓度和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)加固后的主梁撓度較加固前有明顯下降，加固后各截面撓度校驗(yàn)系數(shù)均在0.60～0.90，且各跨中截面撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明采用碳纖維加固后提高了橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎承載力，且具有一定的安全儲(chǔ)備。

(2)加固后各主梁截面應(yīng)變較加固前均有一定幅度下降，且各截面實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)均在0.60～0.90，說(shuō)明采用碳纖維加固后，橋梁跨中截面應(yīng)變明顯下降，橋梁結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)要求，且安全儲(chǔ)備充足。