公路橋梁檢測與加固技術(shù)研究

張浩男

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

改革開放以來，伴隨著我國經(jīng)濟的高速、高質(zhì)量發(fā)展，交通基礎(chǔ)建設(shè)也在快速發(fā)展中，尤其是近30年，以橋梁工程為重要組成部分的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展得最快。而橋梁工程作為我國公路交通的重要組成部分，現(xiàn)已遍及大江南北，成為交通運輸業(yè)的樞紐，在持續(xù)穩(wěn)定地推動著我國經(jīng)濟發(fā)展的同時，也影響著當?shù)嘏c周邊地域的經(jīng)濟發(fā)展。但是隨著時代的發(fā)展，我國早期建設(shè)的橋梁，因為當時經(jīng)濟條件較差與施工技術(shù)還不成熟，大量既有橋梁的承載力等設(shè)計標準均已不滿足如今的使用要求；同時在自然環(huán)境的侵蝕、車輛荷載的不斷增大以及車流量增大等外部因素的影響下，導(dǎo)致了橋梁自身材料和結(jié)構(gòu)的疲勞，使得橋梁壽命在不斷縮短。如今很多仍在使用的橋梁已經(jīng)發(fā)生了老化、損傷等一系列情況，承載力明顯降低，已在超負荷運行，無法達到現(xiàn)行的規(guī)范要求，具有很大的安全隱患。

如果對這些已損傷橋梁均采用拆除重建的方法，不僅會造成很大的經(jīng)濟損失，也不符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，而且橋梁的拆除重建所需時間長、工程量大、耗費的人力物力較多，對社會、交通等造成的影響非常巨大，其背后的間接損失也是不可估量的［1］。因此，對既有已損傷橋梁的加固就顯得尤為重要，利用現(xiàn)有可行手段，盡量恢復(fù)、提升既有橋梁的承載能力，使其能夠繼續(xù)為社會服務(wù)，既對橋梁的安全運營有著重要的意義，又有巨大的社會利益和經(jīng)濟效益。

1 工程概況

本研究所加固的橋梁為左右分離式橋，左幅橋梁全長2 329 m，橋?qū)?2.25 m，凈寬11.25 m?？鐝浇M合為：（24×40+3×30+24×40+5×30+4×40）m，右幅橋梁全長2 319 m，橋?qū)?2.25 m，凈寬11.25 m?？鐝?組 合 為：（24×40+3×30+24×40+3×30+3×40+3×30）m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)型式為柱式墩、薄壁式墩和U型臺，橋墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，橋臺基礎(chǔ)采用擴大基礎(chǔ)。伸縮縫為D160伸縮縫。支座為板式支座、盆式支座。設(shè)計荷載為公路Ⅰ級。

通過檢測得出該橋主要有以下病害。一是上部結(jié)構(gòu)主要病害為上部承重構(gòu)件T型梁斜向裂縫、豎向裂縫、縱向開裂滲堿、縱向裂縫、鋼筋銹脹、破損露筋、滲水堿化、有水侵害痕跡、T梁縱向偏位；橫隔板豎向裂縫、斜向裂縫、蜂窩露筋、破損露筋、銹脹露筋、模板未拆除，濕接縫破損露筋、蜂窩露筋、孔洞露筋、滲水堿化，濕接頭蜂窩露筋、模板未拆除；支座局部脫空、老化開裂、縱向偏位、剪切變形、局部外鼓、墊石破損。二是下部結(jié)構(gòu)主要病害為蓋梁豎向裂縫、斜向裂縫、橫向裂縫、鋼筋銹脹、破損露筋、蜂窩麻面、垃圾堆積，立柱破損露筋。三是橋面系主要病害為伸縮縫裝置錨固區(qū)混凝土縱向開裂；防排水系統(tǒng)泄水孔堵塞。

根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）對上述檢測結(jié)果進行評定，該橋評定結(jié)果為：左幅上部結(jié)構(gòu)3類，下部結(jié)構(gòu)2類，橋面系2類?？傮w3類。右幅上部結(jié)構(gòu)3類，下部結(jié)構(gòu)2類，橋面系2類。總體2類。

根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）中對運營階段公路橋梁技術(shù)狀況等級評定的有關(guān)規(guī)定，該橋左幅橋梁技術(shù)狀況評分為60≤Dr＜80，技術(shù)狀況評定為3類。

綜上所述，該橋梁左幅處于較差狀態(tài)，需進行中修；右幅處于較好狀態(tài)，需進行小修。因此本研究主要針對大橋左幅進行加固。

2 加固方案

2.1 加固建議

結(jié)合橋梁病害檢測結(jié)果及橋梁評定等級，對病害原因進行了分析，根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11—2004）提出以下養(yǎng)護及維修建議。

2.1.1 上部承重構(gòu)件。

①針對T梁混凝土施工缺陷、蜂窩、麻面、破損、空洞及露筋病害，建議先鑿除病害周邊酥松混凝土并對外露鋼筋進行除銹，然后采用環(huán)氧砂漿或環(huán)氧混凝土進行修補；當鋼筋保護層不足時，用水泥基滲透結(jié)晶型材料配制成的漿液涂刷構(gòu)件混凝土表面。

②針對滲水堿化病害，對滲堿部位酥松混凝土進行清理后，修復(fù)混凝土破損表面，并適時對橋面防水混凝土進行修復(fù)。

③針對梁體結(jié)構(gòu)性豎向裂縫，應(yīng)對豎向裂縫進行封閉，并進行加固；對于非結(jié)構(gòu)性豎向裂縫應(yīng)進行封閉處理。

④針對梁體縱向裂縫，對裂縫寬度≥0.15 mm的裂縫建議采用壓漿法進行修補；對裂縫寬度＜0.15 mm的裂縫建議采用表面封閉法進行修補。

⑤針對T梁縱向偏位處，應(yīng)注意加強觀測，必要時進行處置。

2.1.2 上部一般構(gòu)件。

①針對橫隔板、濕接縫混凝土施工缺陷、蜂窩、麻面、破損、空洞及露筋病害，建議先鑿除病害周邊酥松混凝土并對外露鋼筋進行除銹，然后采用環(huán)氧砂漿或環(huán)氧混凝土進行修補；當鋼筋保護層不足時，用水泥基滲透結(jié)晶型材料配制成的漿液涂刷構(gòu)件混凝土表面。

②對于未拆除的模板進行模板拆除。

③針對滲水堿化病害，對滲堿部位酥松混凝土進行清理后，修復(fù)混凝土破損表面，并適時對橋面防水混凝土進行修復(fù)。

④針對橫隔板裂縫，先對裂縫封閉或灌縫處理，并加強觀察，若裂縫重新開展，采取粘貼鋼板、增設(shè)橫系梁、增加橫向預(yù)應(yīng)力等方法予以加固。

2.1.3 支座。

①墊實局部脫空的支座。

②采用環(huán)氧砂漿修補破損的墊石。

③針對老化開裂、剪切變形、外鼓的支座，建議對其進行頂升更換。

④建議對偏位的的支座進行頂升復(fù)位。

2.1.4 橋墩。

①針對混凝土施工缺陷、蜂窩、麻面、破損、空洞及露筋病害，建議先鑿除病害周邊酥松混凝土并對外露鋼筋進行除銹，然后采用環(huán)氧砂漿或環(huán)氧混凝土進行修補；當鋼筋保護層不足時，用水泥基滲透結(jié)晶型材料配制成的漿液涂刷構(gòu)件混凝土表面。

②針對混凝土構(gòu)件裂縫，對縫寬≥0.15 mm的裂縫采用壓漿法進行修補；對縫寬＜0.15 mm的裂縫采用封閉法進行修補；裂縫處理完畢后，在裂縫區(qū)域混凝土表面涂刷水泥砂漿，避免色澤差異。

③清理蓋梁上垃圾。

2.1.5 伸縮縫。針對伸縮縫錨固區(qū)混凝土縱橋向裂縫，采用瀝青灌縫膠進行封閉處理。在排水設(shè)施方面，疏通堵塞的泄水孔。加強橋梁的日常養(yǎng)護和維修保養(yǎng)，完善橋梁的限載標志、標牌，定期清理伸縮縫和泄水孔垃圾，加強巡視檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處治，確保橋梁耐久性。

2.2 加固方法

粘貼碳纖維纖維復(fù)合材料加固法（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是近些年才興起的加固方法，碳纖維復(fù)合材料主要是由基體與纖維構(gòu)成，是將高強度、高彈性模量的連續(xù)碳纖維單項排列成束，然后浸漬樹脂，放入模型中固化，后連續(xù)拉擠成型［2］。與鋼材料不同的是，其本構(gòu)呈完全彈性，不存在塑性區(qū)，也無屈服點，具有良好的抗拉性能，耐腐蝕性能好，CFRP的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1。當碳纖維材料參與工作時，會和被加固構(gòu)件共同受力，從而限制裂縫的發(fā)展，增強構(gòu)件剛度，優(yōu)化梁體受力情況。同時，CFRP不僅能夠加強橋梁部件的抗剪承載力，對構(gòu)件的變形程度也能大大減小。

圖1 CFRP應(yīng)力應(yīng)變曲線

該方法也是通過使用黏結(jié)劑將纖維增強復(fù)合材料與原橋黏結(jié)，形成一個復(fù)合材料體，使兩者協(xié)同工作從而增強橋梁剛度與整體承載力。CFRP加固法在進行加固作業(yè)時主要應(yīng)用于對承重構(gòu)件的加固，例如主梁等，其次也可對非承重構(gòu)件進行加固。

纖維增強復(fù)合材料自身性能優(yōu)秀，具有強度高、密度小、耐高溫等優(yōu)點，不會像鋼板一樣在加固后仍需進行長期的養(yǎng)護工作。該方法在加固過程中施工方便，并且如果碳纖維材料的密度大小范圍只有200～300 g/mm2時，它的設(shè)計厚度的大小范圍只有0.111～0.167 mm，對截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重不會產(chǎn)生影響，橋下區(qū)域的凈空高度不會改變，因此能在眾多加固方法中脫穎而出。與傳統(tǒng)方法相比，通過碳纖維布對橋梁進行加固不會使結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變，并且還可以確保在設(shè)計載荷的區(qū)間中和原來的結(jié)構(gòu)一起受力。但是，碳纖維材料的價格較高，因此加固成本也會隨之水漲船高，并且該技術(shù)要求工人的工藝水平較高，所以需要專業(yè)人員來進行加固施工工作。

3 有限元建模分析

Midas中文名是邁達斯，是一種有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析軟件，分為建筑領(lǐng)域、橋梁領(lǐng)域、巖土領(lǐng)域、仿真領(lǐng)域四個大類，橋梁領(lǐng)域包含軟件：Midas Civil、Midas SmartBDS、Civil Designer。

其中Midas Civil針對土木結(jié)構(gòu)，特別是分析預(yù)應(yīng)力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，同時可以作非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析［3］。為能夠迅速、準確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計，填補目前土木結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計軟件市場的空白，開發(fā)了“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計軟件”。

3.1 采用Midas有限元軟件進行建模

Midas Civil軟件是Midas系列軟件中的一種，它不僅能滿足工程師的需要，而且功能強大，簡單易學(xué)。它是由國內(nèi)外專家經(jīng)過不懈的努力，并用C++在Windows環(huán)境下開發(fā)的。Midas的開發(fā)帶來了很多便利，可以更為直觀地從不同的角度展示結(jié)構(gòu)模型的驗證與分析，大大提高了工程的準確性和高效性［4］。特別是針對橋梁結(jié)構(gòu)，Midas Civil結(jié)合國內(nèi)的規(guī)范與習(xí)慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計等方面提供了很多便利的功能，目前已為各大公路、鐵路部門的設(shè)計院所采用。

利用Midas Civil軟件建立有限元模型，對橋梁受力狀態(tài)下病害特征進行驗算分析。如圖2所示。

圖2 全橋整體模型

3.2 CFRP的模擬

在進行橋梁加固模擬時，采用平面應(yīng)力單元來模擬T梁底粘貼的碳纖維布。通過自定義材料及界面功能輸入加固設(shè)計所采用的碳纖維布的材料性能參數(shù)，同時設(shè)置界面間的邊界條件來模擬碳纖維布與鋼筋混凝土主梁之間的粘接，選用彈性鏈接選項中的剛性連接方式，將相應(yīng)位置的碳纖維布單元節(jié)點與T梁節(jié)點向連接，來達到協(xié)調(diào)變形與位移，防止粘接失效與滑移破壞［5］。

3.3 加固效應(yīng)結(jié)果對比

本次結(jié)果主要選取中梁最中間T梁進行比較，對撓度變化選擇中梁與邊跨的中跨跨中位置，對T梁應(yīng)力比較選擇中梁最中間T梁進行比較。

3.3.1 撓度。橋梁加固前后撓度對比如圖3所示。

圖3 橋梁加固前后撓度對比

3.3.2 應(yīng)力。橋梁加固前后應(yīng)力對比如圖4所示。

圖4 橋梁加固前后應(yīng)力對比（單位：N/mm2）

通過對上述結(jié)果進行分析可以得到以下結(jié)論。

①構(gòu)件在承受相同彎矩時，加固后的T梁撓度，無論是在中梁或是在邊梁，都明顯小于原構(gòu)件，減小了約60%，即該加固法對T梁的剛度有明顯的改善。

②在對于橋梁進行加固后，T梁的梁底應(yīng)力得到了明顯改善，中跨和邊跨的應(yīng)力值分別減小了30%甚至50%，對橋梁承載能力有了很大的改觀。

綜上，對于損傷橋梁采用碳纖維加固措施不僅可以增加橋梁的剛度與承載能力，對于橋梁后期的開裂也能得到很好的抑制，因此CFRP針對橋梁的加固是有效的。

4 結(jié)論

通過對T梁橋進行檢測，并進行加固模擬分析得到以下結(jié)論。

①常規(guī)檢測是發(fā)現(xiàn)橋梁的病害的有效手段，檢測結(jié)果也是加固的依據(jù)。

②對主梁裂縫封閉處理后采用碳纖維復(fù)合材料進行加固，可以有效提高橋梁承載力。

雖然加固后橋梁的承載能力良好，但是處于自然環(huán)境和運營狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)容易發(fā)生各種病害，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化。因此，橋梁在加固后的管養(yǎng)工作應(yīng)正常進行，對橋梁的檢測也應(yīng)跟上，以保證橋梁后續(xù)的安全運行。