高速公路橋梁項(xiàng)目的檢測與加固技術(shù)分析

吳龍

摘要 公路橋梁工程在行車荷載及外部環(huán)境長期影響下，不可避免地會產(chǎn)生質(zhì)量病害，嚴(yán)重影響橋梁運(yùn)營安全和使用年限。為有效提高公路橋梁使用性能，保證交通運(yùn)輸安全，加強(qiáng)公路橋梁檢測與加固顯得尤為關(guān)鍵。鑒于此，文章結(jié)合某橋梁工程實(shí)際情況，針對高速公路橋梁項(xiàng)目檢測與加固技術(shù)展開綜合研究，通過試驗(yàn)檢測確定了橋梁病害情況及評定等級，提出了針對性的加固技術(shù)方案，同時(shí)借助Midas Civil系統(tǒng)構(gòu)建有限元模型，對橋梁加固前后撓度及應(yīng)力變化實(shí)施對比分析，科學(xué)驗(yàn)證了CFRP加固技術(shù)的可行性和有效性，具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；T梁橋；損傷檢測；橋梁加固技術(shù)

中圖分類號 U445.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0105-03

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)取得顯著進(jìn)步，交通量、載重量大幅度提升，部分現(xiàn)役橋梁工程運(yùn)營能力顯著降低，已無法滿足正常使用要求；同時(shí)，在行車荷載及外部環(huán)境共同作用下，造成橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列疲勞破壞，嚴(yán)重影響橋梁使用壽命。若將此部分橋梁拆除重建，會造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)，且對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來極為不利的影響。因此，采用科學(xué)手段對其實(shí)施加固處理，全面提升橋梁結(jié)構(gòu)承載性能，使其滿足正常使用要求，對保證橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營具有重要意義[1]。

1 工程概況

某高速公路橋梁工程采用分離式設(shè)計(jì)，左半幅設(shè)計(jì)長度為2 329 m，設(shè)計(jì)寬度為12.25 m，凈寬11.25 m。橋跨組合形式為（24×40+3×30+24×40+5×30+4×40）m；右幅橋梁總長度為2 319 m，寬度12.25 m，凈寬度11.25 m。其上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括柱式墩、薄壁式墩、U型橋臺。橋梁墩和臺基礎(chǔ)形式分別為樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為公路-I級。試驗(yàn)檢測結(jié)果顯示該橋梁主要病害如下所述。

（1）上部結(jié)構(gòu)病害：①T梁病害表現(xiàn)為豎向、縱向及斜向開裂、混凝土剝落、鋼筋銹蝕、滲水堿化、縱向位移等；②橫隔板病害表現(xiàn)為豎向、斜向開裂和鋼筋銹脹；③濕接縫病害表現(xiàn)為表面存在大量蜂窩和孔洞，局部存在露筋現(xiàn)象；④濕接頭病害表現(xiàn)為局部鋼筋裸露，木模未拆除；⑤支座系統(tǒng)病害表現(xiàn)為變形、老化、脫空、墊石損壞[2]。

（2）下部結(jié)構(gòu)病害：蓋梁存在豎、橫向及斜向裂縫，鋼筋銹蝕嚴(yán)重，墩柱局部鋼筋裸露。

（3）橋面系病害：①伸縮縫位置混凝土產(chǎn)生縱向裂縫；②排水體系失效。

按照最新實(shí)施的《道路橋梁工程施工質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)》對橋梁質(zhì)量狀況實(shí)施評價(jià)，其評定結(jié)果如下：①左幅橋梁上部結(jié)構(gòu)為3類，下部結(jié)構(gòu)及橋面系均為2類；綜合評定為3類；②右幅橋梁上部結(jié)構(gòu)為3類，下部結(jié)構(gòu)及橋面系均為2類；綜合評定為2類；整體評價(jià)結(jié)果為該橋梁工程左半幅綜合評分為60≤Dr＜80，為3類橋。由此可知，該橋梁左半幅質(zhì)量狀況相對較差，應(yīng)實(shí)施中修處理；左半幅質(zhì)量狀況良好，可實(shí)施小修。現(xiàn)重點(diǎn)分析左半幅加固處理情況[3]。

2 加固處理方案

根據(jù)橋梁質(zhì)量狀況檢測及評定結(jié)果，對質(zhì)量缺陷成因?qū)嵤┚C合分析，制定了針對性維修加固方案，具體情況如下：

2.1 上部承重構(gòu)件加固建議

（1）對于T梁混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量病害，如蜂窩、麻面、孔洞等，應(yīng)先對病害部位實(shí)施處理，鑿除附近松散混凝土，并對鋼筋實(shí)施除銹，除銹完成后采用高標(biāo)號混凝土進(jìn)行修復(fù)；若鋼筋保護(hù)層厚度較小時(shí)，應(yīng)采用水泥基防水結(jié)晶材料制備水泥漿液進(jìn)行涂刷[4]。

（2）對于滲水返堿質(zhì)量病害，應(yīng)將堿化區(qū)域松散混凝土鑿除，對損壞部位實(shí)施修復(fù)處理，并選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)對橋面破損防水混凝土實(shí)施修復(fù)。

（3）對于T梁結(jié)構(gòu)性豎向開裂，應(yīng)先采用科學(xué)方式閉合裂縫，再實(shí)施加固；其他形式裂縫直接實(shí)施閉合處理。

（4）對于T梁縱向裂縫，應(yīng)根據(jù)縫寬選擇科學(xué)合理的修補(bǔ)方式；當(dāng)縫寬超過0.15 mm時(shí)，通過注漿加固方式實(shí)施修補(bǔ)處理；而當(dāng)縫寬小于0.15 mm時(shí)，則采用封閉法實(shí)施處理。

（5）對于T梁縱向位移部位，應(yīng)加強(qiáng)位移監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)控位移情況，適時(shí)采取處治措施。

2.2 上部一般構(gòu)件加固建議

（1）對于橫隔板、濕接縫混凝土質(zhì)量病害，如蜂窩、麻面、孔洞等，與T梁混凝土病害處治方式相同，先鑿除附近松散混凝土，并對鋼筋實(shí)施除銹，然后采用高標(biāo)號混凝土進(jìn)行修復(fù)；若鋼筋保護(hù)層厚度較小時(shí)，應(yīng)采用水泥基防水結(jié)晶材料制備水泥漿液進(jìn)行涂刷[5]。

（2）對于模板未拆部位應(yīng)將其拆除；而對于滲水返堿質(zhì)量病害，應(yīng)將堿化區(qū)域松散混凝土鑿除，對損壞部位實(shí)施修復(fù)處理，并選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)對橋面破損防水混凝土實(shí)施修復(fù)。

（3）對于橫隔板開裂，應(yīng)先采用科學(xué)方式封閉裂縫，并監(jiān)測裂縫變化情況，當(dāng)裂縫再次發(fā)展時(shí)，應(yīng)采用黏鋼加固、設(shè)置系梁、增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋等方式實(shí)施處理。

2.3 支座

（1）部分脫空的支座應(yīng)進(jìn)行加墊處理，保證受力均衡。

（2）墊石損壞的情況，應(yīng)采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)處理。

（3）對于老化開裂、變形嚴(yán)重的支座，應(yīng)實(shí)施更換。

（4）部分出現(xiàn)移位的支座，應(yīng)實(shí)施復(fù)位。

2.4 橋墩

（1）對于橋墩混凝土結(jié)構(gòu)缺陷、蜂窩、麻面、孔洞、露筋等質(zhì)量病害，應(yīng)先對病害部位實(shí)施處理，鑿除附近松散混凝土，并對鋼筋實(shí)施除銹后再采用高標(biāo)號混凝土進(jìn)行修復(fù)；若鋼筋保護(hù)層厚度較小時(shí)，應(yīng)采用水泥基防水結(jié)晶材料制備水泥漿液進(jìn)行涂刷[6]。

（2）對于橋墩存在的裂縫病害，應(yīng)根據(jù)縫寬選擇科學(xué)合理的修補(bǔ)方式；當(dāng)縫寬超過0.15 mm時(shí)，通過注漿加固方式實(shí)施修補(bǔ)處理；而當(dāng)縫寬小于0.15 mm時(shí)，則采用封閉法實(shí)施處理；封閉完成后應(yīng)采用水泥砂漿進(jìn)行抹面處理，保持與周邊混凝土顏色一致[7]。

2.5 伸縮縫

（1）對于橋梁伸縮裝置錨固位置混凝土開裂，應(yīng)采用灌縫處理方式實(shí)施封閉。

（2）對于泄水孔堵塞問題，應(yīng)完善排水系統(tǒng)，全面清理泄水孔，保持排水通暢。

（3）強(qiáng)化橋梁維護(hù)和保養(yǎng)工作，合理設(shè)置限載標(biāo)識，安排專人負(fù)責(zé)伸縮裝置及泄水孔清理工作，并定期進(jìn)行巡查，科學(xué)處理存在問題，提高橋梁運(yùn)營能力[8]。

2.6 碳纖維材料加固法

碳纖維布加固法（Carbon Fi-ber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是一種新型加固方式，加固材料包括基體和纖維兩部分，通過對強(qiáng)度及模量較大的連續(xù)碳纖維排布成束，浸潤樹脂材料后，將其置于模具中固化，并經(jīng)過反復(fù)拉擠而成。相較于鋼材，碳纖維復(fù)合材料彈性較大，不產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)，其應(yīng)力變化情況如圖1所示。采用黏貼碳纖維復(fù)合材料加固時(shí)，碳纖維材料與構(gòu)件形成整體結(jié)構(gòu)，共同參與受力，有效約束裂縫擴(kuò)展，提高構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和承載性能。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料能顯著增強(qiáng)構(gòu)件抗剪性能，有效控制構(gòu)件變形[9]。

碳纖維復(fù)合材料加固法主要是采用黏結(jié)劑將復(fù)合材料黏結(jié)在橋梁表面裂縫處，與橋梁構(gòu)件形成整體結(jié)構(gòu)，使其與橋梁構(gòu)件共同工作，從而有效提高橋梁結(jié)構(gòu)承載性能。該方法主要用于對橋梁承重構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固，如主梁、墩柱等，同時(shí)也能用于對一般構(gòu)件的加固處理。

碳纖維復(fù)合材料性能穩(wěn)定，強(qiáng)度高、密度小、抗老化能力強(qiáng)，加固后無須長時(shí)間養(yǎng)護(hù)。此加固方法施工簡便、快捷，且當(dāng)纖維材料密度為200～300 g/mm3時(shí)，其厚度僅為0.111～0.167 mm，不影響橋梁構(gòu)件截面尺寸及自重，且不會改變橋下凈空高度，是目前最為理想的加固方式。相較于普通加固方式，采用該加固方法對橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施處理，不改變結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，且能與橋梁構(gòu)件共同承受荷載作用。但由于碳纖維材料價(jià)格昂貴，其加固成本較高，同時(shí)對施工人員專業(yè)技能提出了更加嚴(yán)苛的要求，因此必須由綜合能力較強(qiáng)的技術(shù)人員完成加固任務(wù)。

3 有限元數(shù)值模擬分析

Midas的中文名稱為“邁達(dá)斯”，是一款與建筑、橋梁、巖土、仿真等相關(guān)的有限元分析軟件。其中橋梁工程方面涉及軟件有Midas Civil、Midas SmartBDS、Civil Designer。Midas Civil適用于土木工程領(lǐng)域，尤其適用對于懸索橋、斜拉橋、箱型橋梁等的結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)能用于非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力及動力彈塑性分析等。為確?？茖W(xué)、高效地完成同類結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)現(xiàn)階段土木結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件的短板，研制出了一套土木結(jié)構(gòu)專用設(shè)計(jì)軟件[10]。

3.1 利用Midas有限元軟件實(shí)施模擬分析

Midas Civil軟件為Midas中的一種，操作簡單、高效便捷，功能較為齊全，可滿足各種目標(biāo)需求。該軟件是由多國工程師在C++和Windows環(huán)境研發(fā)而成。該軟件的成功應(yīng)用給工程施工帶來諸多方便，能夠較為直觀、準(zhǔn)確地從多角度反映結(jié)構(gòu)模型的驗(yàn)證與分析，顯著提升模擬結(jié)果的精確性和有效性。尤其在橋梁結(jié)構(gòu)方面，Midas Civil充分考慮了國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣，在建模、分析、處理、設(shè)計(jì)等不同環(huán)節(jié)提供了一系列較為方便的功能，得到了眾多設(shè)計(jì)師的認(rèn)可。通過該系統(tǒng)構(gòu)建全橋整體模型，對荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)病害狀況實(shí)施模擬分析，具體如圖2所示。

3.2 CFRP的模擬

在對CFRP加固狀況實(shí)施模擬時(shí)，通過平面應(yīng)力模塊對T梁結(jié)構(gòu)底部黏貼碳纖維復(fù)合材料實(shí)施模擬。利用自定義及界面功能設(shè)定CFRP加固材料性能參數(shù)，并通過設(shè)定界面間的邊界條件，對復(fù)合材料與鋼筋混凝土T梁間的黏接狀態(tài)實(shí)施仿真模擬，選擇彈性鏈接界面中的剛性連接方式，完成對應(yīng)部位的復(fù)合材料單元節(jié)點(diǎn)與鋼筋混凝土T梁節(jié)點(diǎn)的有效連接，從而實(shí)現(xiàn)對其變形和位移的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)黏結(jié)效果，避免產(chǎn)生滑動破壞。

3.3 加固效應(yīng)結(jié)果對比

對加固效應(yīng)結(jié)果實(shí)施對比時(shí)，應(yīng)選擇橋梁中央位置的T量實(shí)施比較；對撓度比較時(shí)，應(yīng)選取中梁及邊跨的中跨跨中部位；對應(yīng)力比較時(shí)，應(yīng)選擇中梁中央部位的T量實(shí)施對比。

（1）撓度：CFRP加固處理前后橋梁撓度變化情況，如圖3所示。

（2）應(yīng)力：CFRP加固處理前后橋梁應(yīng)力變化情況，如圖4所示。

通過圖3、圖4能夠看出：①彎矩相同的條件下，橋梁加固處理后，中梁和邊梁的撓度均顯著低于加固前撓度，降幅達(dá)60%，表明CFRP加固技術(shù)能有效提升鋼筋混凝土T梁剛度；②采用CFRP加固技術(shù)對橋梁實(shí)施加固處理后，T梁底部應(yīng)力顯著降低，中跨、邊跨位置的應(yīng)力依次降低30%和50%，橋梁承載性能顯著增強(qiáng)。由此可見，采用CFRP加固技術(shù)對存在結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁工程實(shí)施加固處理，能有效地提升橋梁剛度及承載性能，增強(qiáng)抗變形能力，并且能夠有效地控制橋梁后期裂縫病害，這充分表明采用CFRP加固技術(shù)對橋梁實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固是完全可行的。

4 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合某橋梁工程實(shí)際情況，針對高速公路橋梁項(xiàng)目檢測與加固技術(shù)展開綜合研究，通過試驗(yàn)檢測及加固模擬分析，得出如下結(jié)論：

（1）常規(guī)試驗(yàn)檢測能及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁質(zhì)量病害，為橋梁加固處理提供理論依據(jù)。

（2）針對橋梁結(jié)構(gòu)裂縫加固處理，應(yīng)先將裂縫封閉后，再采用CFRP實(shí)施加固，能顯著增強(qiáng)橋梁剛度和承載性能。

（3）橋梁經(jīng)加固處理后，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性得到大幅度提升，運(yùn)營能力顯著增強(qiáng)，但在運(yùn)營過程中極易產(chǎn)生質(zhì)量病害，造成結(jié)構(gòu)性能嚴(yán)重衰退。因此，橋梁加固處理后應(yīng)加強(qiáng)橋梁檢測與養(yǎng)護(hù)，以有效確保橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營。

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