空心板梁橋典型病害加固技術分析與工程應用

■黃祖波

（南平市交通運輸綜合執(zhí)法支隊，南平 354200）

隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，交通量不斷增加， 部分建成年份較早的橋梁在長期經受環(huán)境腐蝕、溫度變化、荷載反復作用時易產生老化劣化，導致結構承載力降低并出現(xiàn)不同程度的病害，亟需進行加固以保證運營安全。 目前，傳統(tǒng)被動加固技術有粘貼鋼板、碳纖維布及加大截面法等方法，其加固材料僅在結構發(fā)生新變形時才會發(fā)揮作用，對材料強度的利用率極低，存在嚴重浪費。 而主動加固技術如預應力碳纖維板可通過施加預應力，可有效提高結構剛度、減小撓度及變形、縮小原有裂縫甚至完全閉合。 同時預應力碳纖維板材料自身具備自重輕、抗拉強度高、體積小、耐腐蝕性及耐久性好等特點，可大幅度提升原結構承載力及耐久性。 基于此， 本文以某空心板橋上部結構加固工程為背景，研究新型材料和技術在空心板橋梁工程中的加固應用，以期有效提高上部結構承載能力以滿足現(xiàn)行規(guī)范[1]要求。

1 工程背景

本次以某空心板橋為案例（圖1～4），橋梁所在公路等級：省道二級公路；原橋設計荷載：汽-20、掛-100。該橋于2001 年7 月建成通車。橋梁上部結構為7×20 m 裝配式預應力混凝土空心板簡支梁橋，橋梁全長161.6 m；橋梁全寬16.5 m，橫向由16 塊寬空心板組成，單塊空心板寬1 m，高0.9 m。橋面橫向布置為：0.25 m（護欄）+2.4 m（人行道）+11.2 m（車行道）+2.4 m（人行道）+0.25 m（護欄）。 根據橋梁定期檢查報告，橋面系、上部結構出現(xiàn)較多橫向裂縫，鉸縫不密實并脫空、橋面鋪裝縱橫向裂縫，亟需進行維修加固處置。 主要典型病害如圖5～7 所示。

圖2 橋梁標準斷面圖

圖3 空心板中板構造圖

圖4 空心板鋼筋及鋼束斷面圖

圖5 鉸縫混凝土脫落

圖6 梁底縱橫向裂縫

圖7 橋面鋪裝網狀裂縫

2 原橋結構檢算

為分析橋梁缺陷成因， 考慮交通量的增大，本次原橋結構檢算依據現(xiàn)行的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG3362-2018）[2]中公路-Ⅰ級荷載對原橋結構進行檢算。 計算采用橋梁博士4.2 建立單梁模型進行計算，按下述2 種工況進行計算：工況一為原設計工況；工況二為缺陷工況，主要考慮梁體橫向裂縫缺陷和鉸縫缺陷；計算模型如圖8 所示。

2.1 空心板荷載橫向分布系數(shù)計算

本研究上部結構為預制空心板，利用鉸縫連接為整體，橫向分布系數(shù)采用鉸接板法進行計算[3]，針對工況二空心板鉸縫損傷和梁體橫向裂縫造成的剛度損傷，采用引入鉸縫和梁體剛度折減系數(shù)μ 的修正鉸接板法進行計算[4]。 采用文獻計算公式[3-4]計算得工況一最不利橫向分布系數(shù)為0.259，工況二最不利橫向分布系數(shù)為0.272。

2.2 驗算結果

經檢算，工況一正常使用狀態(tài)下上緣最大正應力為12.84 MPa，下緣最大正應力為4.91 MPa 均小于規(guī)范限值13.40 MPa，滿足要求。承載能力極限狀態(tài)下最大彎矩2239.5 kN·m，小于抗力值2631.6 kN·m，安全系數(shù)為1.18，滿足規(guī)范要求；工況二，正常使用狀態(tài)下上緣最大正應力為12.92 MPa，大于規(guī)范限值為11.70 MPa，不滿足要求；承載能力極限狀態(tài)下最大彎矩為2276.1 kN·m，小于抗力值2558.6 kN·m，安全系數(shù)為1.12，滿足規(guī)范要求。 根據計算，工況二在正常使用狀態(tài)下上緣最大正應力不滿足規(guī)范要求，且承載能力極限狀態(tài)下安全系數(shù)較工況一低，安全儲備小，計算結果如圖9～12 與表1 所示。

圖9 工況一上下緣最大、最小正應力計算結果

圖10 工況一彎矩及其抗力計算結果

圖11 工況二上下緣最大、最小正應力計算結果

圖12 工況二彎矩及其抗力計算結果

3 加固方案分析

3.1 加固原則

綜合定期檢查報告及原橋檢算分析，本橋主要的病害為板間鉸縫混凝土脫落及結構老化劣化。 鉸縫是空心板橫向傳力的重要構造，鉸縫脫落造成空心板橫向連接薄弱，易造成車輛荷載作用下鉸縫混凝土的開裂及破壞，影響空心板梁橋上部結構橫向整體受力性能，甚至造成空心板單板斷裂破壞。 故除裂縫、露筋破損等常規(guī)病害處置外，本次加固重點在于：（1）橋梁橫向聯(lián)系的加強：鉸縫加固，橋面鋪裝病害處置；（2）空心板承載能力提高：通過對空心板承載力的加固補強， 使荷載等級由原設計的汽-20，掛-100 提升至公路-Ⅰ級荷載要求。

3.2 加固方案比選

3.2.1 鉸縫加固

目前常采用的鉸縫加固方案主要有：橫向預應力加固，加強橫向錨固連接，環(huán)氧樹脂加固法，具體如下：（1）方案一：橫向預應力加固法是通過橫向預應力對空心板間企口縫下邊緣施加橫向預應力，抑制、減小企口縫下緣混凝土橫向拉應力，增大兩側板梁間的摩擦力，實現(xiàn)鉸縫剪力的傳遞；（2）方案二：加強橫向錨固連接是按照一定間距在梁板頂板處布置錨固鋼板或錨固鋼筋， 從而實現(xiàn)剪力的傳遞；（3）方案三：環(huán)氧樹脂加固法是從底板設置進出口， 利用高壓灌漿設備將環(huán)氧樹脂膠注入鉸縫內，使其迅速擴散、膠凝并固化，恢復兩側混凝土之間的粘結，進而有效恢復橋梁結構的整體性。 各方案對比具體如表2 所示。

如表2 所述，3 種鉸縫加固方案均能起到加強梁板橫向聯(lián)系，改善空心板受力的作用。 但是方案一和方案二均需要鑿除既有橋面鋪裝，且方案二的加固效果一般，綜合考慮工期、可實施性、加固效果和造價，本研究選用方案三即采用環(huán)氧樹脂加固的方案。

3.2.2 空心板承載能力加固

考慮該橋出現(xiàn)大量梁底橫向裂縫病害，且如上計算所述承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范需求，需進行承載力提升加固處置。 常用的提高梁體承載能力的加固方案有：置換上部結構，增大截面，粘貼鋼板，體外預應力等。 考慮該橋的實際情況，本次研究經對比論證，根據實際需求篩選，選取以下3 個加固方案進行對比論證，具體如下：（1）方案一：增大截面加固。 該方案通過梁底布置鋼筋增大截面的方式提高梁體的整體剛度和承載能力，為被動加固的方式之一。 （2）方案二：粘貼鋼板加固。 該方案通過在梁底布置鋼板的方式提高梁體的承載能力，為被動加固的方式之一。 （3）方案三：預應力碳板加固方案，該方案為體外預應力加固體系，是主動加固的一種有效方案。 該方案通過增加體外預應力方式提高橋梁承載能力，新增的預應力系統(tǒng)具有自重輕，施工簡便等優(yōu)勢。 3 個方案對比論證結果如表3 所示。

表3 梁體提升承載力加固方案比選結果

由比選結果可知，從方案造價、實時性、工期、對周邊的影響進行綜合比選后，確定采用預應力碳板加固方案。 預應力碳板不僅能夠利用產生的預應力提高梁體的剛度，減小結構撓度，且新增自重小，加固效果好，能充分發(fā)揮材料的特性，節(jié)約加固成本，縮短加固工期。

4 加固方案實施

4.1 加固方案設計

本次方案設計采用18000 m×100 m×2 mm（長×寬×厚）預應力碳板進行加固處理，每片梁底布置2 條，布置位置避開既有預應力鋼束與鋼筋，碳板錨固位置錯開布置，避免在同一截面，對梁體造成較大的削弱，碳板布置及設計尺寸具體如圖13、14所示。

圖13 梁體預應力碳板布置方案

4.2 加固控制要點

4.2.1 鉸縫環(huán)氧樹脂加固施工要點

鉸縫環(huán)氧樹脂加固施工即通過高壓灌漿設備將環(huán)氧樹脂壓入鉸縫密閉空腔，流程主要包括鉸縫表面處理、設置注膠嘴、封縫、壓力灌膠、灌漿效果檢驗等工藝。 具體施工要點如下：（1）鉸縫用鋼絲刷等工具清除表面的灰塵，浮渣及松散層等雜物，刷去浮灰，用乙醇沿著鉸縫兩側擦拭干凈；（2）在每條鉸縫上設置灌漿嘴，埋設間距為50～60 cm，深不宜超過6 cm，直徑約3 cm，灌漿嘴上設置閥門，可自由開關，以便控制注漿量；（3）封縫的好壞直接影響灌漿的效果與質量，應特別重視，可采用封縫膠，用油灰刀沿著鉸縫反復涂刮后均勻涂一層膠泥，注意防止小氣泡或封密不嚴；（4）灌膠操作應使用專用的注膠器具，按比例配制灌漿樹脂，倒入軟管中，把裝有樹脂的灌漿器旋緊于底座上，松開灌漿嘴上閥門開關進行注膠，灌漿順序自中部向兩端對稱進行，灌漿樹脂不足可反復補充；灌漿壓力常采用自動壓力灌漿器注漿，在保證灌漿順暢的情況下，采用較低的灌漿壓力和較長的灌漿時間，可獲得更好的灌漿效果，待縫內漿液達到初凝而不外流時，可拆下灌漿嘴，再用環(huán)氧樹脂的漿液把灌漿嘴處抹平封口；（5）灌漿結束后應檢驗灌漿效果及質量，凡有不密實等不合格情況，應進行補注。

4.2.2 預應力碳纖維板加固

預應力碳纖維板加固要點如下：（1）施工準備，在加固梁上放樣確定碳纖維板和兩端錨具位置，對混凝土表面需打鑿掉脆化疏松層露出石粒層新面，并用鋼絲刷清除疏松浮層，采用環(huán)氧修補膠整平，使得平整度要求小于5 mm/2 m；（2）鉆錨栓孔，以支座墊板的孔位為參照進行鉆孔保證鉆錨栓孔與墊板孔相匹配，鉆孔中心距離誤差不超過10 mm；M16 錨栓植入深度為8 cm，壓條用M10 錨栓植入深度為8 cm；（3）對錨栓孔進行清孔處理，先將噴嘴深入成孔底部吹入壓縮空氣并向外拉出噴嘴反復進行3 次以上；（4）張拉碳纖維板，在開始張拉前需對預應力碳纖維板預緊， 使碳纖維板整體繃直，檢查板兩端是否受力均勻，同一片空心板梁兩側碳纖維板張拉采用單端同時對稱分級張拉進行，過程中采用張拉力和伸長量雙控原則，當張拉應力值和碳纖維板的伸長量都滿足要求之后，將張拉桿上面的鎖固螺栓扭緊到位，待停留5 min后檢查設備無異樣，即可拆除張拉工具；（5）張拉就位后對碳纖維板、錨具涂抹環(huán)氧樹脂砂漿，用橡皮滾筒順碳纖維板方向均勻平穩(wěn)壓實，保證密實無空洞。

4.2.3 加固后橋梁結構檢算

采用橋梁博士4.2 建立單梁加固模型，模型中利用軟件內置加固模塊，增加1 個張拉預應力碳纖維板的施工階段，預應力碳纖維板位置及數(shù)量按前述加固方案增加，張拉控制力為690×200×2=276000 N，一端錨具回縮值按照《混凝土結構加固設計規(guī)范》（GB 50367-2013）[5]選取為1 mm。 預應力碳纖維板安全技術指標如表4 所示。

表4 碳纖維復合材料安全技術指標

本次加固后橋梁結構依據現(xiàn)行的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG3362-2018）公路-Ⅰ級荷載進行驗算，加固后橋梁橫向分布系數(shù)采用鉸接板法進行計算[7]，最不利橫向分布系數(shù)為0.259。經檢算，工況三正常使用狀態(tài)下上緣最大正應力為9.75 MPa，下緣最大正應力為6.43 MPa 均小于規(guī)范限11.70 MPa，滿足要求。承載能力極限狀態(tài)下最大彎矩2276.1 kN·m，小于抗力值3183.9 kN·m，安全系數(shù)為1.40，滿足規(guī)范要求；計算結果如圖15～16、表5 所示。

表5 加固前后計算結果對比

圖15 工況三上下緣最大、最小正應力計算結果

圖16 工況三彎矩及其抗力計算結果

從計算結果可以看出，橋梁經過鉸縫處置及預應力碳纖維板維修處置后，橋梁正常使用狀態(tài)下應力在規(guī)定限值范圍內，承載能力極限狀態(tài)下空心板正截面抗彎承載較工況二提高了25.0%。 本研究工程實例橋梁經過鉸縫處置及預應力碳纖維板維修處置后，運營至今已3 年，根據最新的橋梁定期檢測報告顯示，未見新增裂縫和既有裂縫重新開裂的病害。 梁體加固后實況如圖17 所示。

圖17 加固后梁體實拍

5 結語

預應力碳纖維板加固技術已大規(guī)模在橋梁工程中應用，以其獨特的加固技術原理配合高強度碳纖維材料，起到提高結構承載力和增加結構安全儲備的作用。 本文依托某20 m 跨預應力簡支空心板橋的加固實例，通過鉸縫環(huán)氧樹脂加固提升橋面橫向剛度、空心板底黏貼張拉預應力；碳纖維板提升承載力兩項加固措施對橋梁進行加固，有效提高上部結構承載能力至滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。