矩形橋墩墩身修復(fù)及提升防撞性能的方式

摘" 要：現(xiàn)階段對于橋墩修復(fù)多數(shù)為圓形樁基加固修復(fù)，對于水中矩形墩身修復(fù)相關(guān)應(yīng)用較少。樁基相對于橋墩墩身尺寸較小且為圓形，修復(fù)方式較多;矩形墩身尺寸較大，修復(fù)方式復(fù)雜且困難。該文提出2種墩身修復(fù)方式，對橋墩周圍設(shè)置有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)模具，固定于橋墩表面，內(nèi)部澆筑高強(qiáng)混凝土對矩形橋墩進(jìn)行修復(fù)，同時提升橋墩抗撞性能。

關(guān)鍵詞：橋墩;修復(fù);高強(qiáng)混凝土;抗撞;防護(hù)方式

中圖分類號：U445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0139-05

Abstract： At this stage， most of the bridge pier repairs are reinforced and repaired by circular pile foundations， and there are few related applications for the repair of rectangular pier bodies in water. The size of the pile foundation relative to the pier body is small and circular， and there are many repair methods; the size of the rectangular pier body is large， and the repair methods are complex and difficult. This paper proposes two methods for repairing the pier body. A structure with certain strength is set around the pier， a structural mold is formed， and it is fixed on the surface of the pier. High-strength concrete is poured inside to repair the rectangular pier， and at the same time improve the anti-collision performance of the pier.

Keywords： bridge pier; repair; high-strength concrete; crashworthiness; protection methods

為解決矩形橋墩墩身混凝土病害修復(fù)及小船舶碰撞橋墩破壞表面的風(fēng)險，提出2種結(jié)構(gòu)：鋁合金結(jié)構(gòu)與蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)都具有一定強(qiáng)度，該結(jié)構(gòu)能夠拼接成矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連接處可采用插銷和卡扣形式，在橋墩四周形成結(jié)構(gòu)模板，內(nèi)部空隙澆筑高強(qiáng)混凝土對橋墩進(jìn)行修復(fù)，與結(jié)構(gòu)形成整體保護(hù)橋墩，同時此種結(jié)構(gòu)具有一定緩沖消能作用，能夠防止小噸位船舶碰撞。

1" 現(xiàn)有橋墩修復(fù)研究

1.1" PTC包覆防護(hù)措施

PTC包覆防護(hù)措施[1-2]（圖1）是在面層包覆礦脂層進(jìn)行防腐，由4層結(jié)構(gòu)組成（礦脂防蝕膏+礦脂防蝕帶+密封緩沖層+防蝕保護(hù)罩）通過不銹鋼帶進(jìn)行抱箍。第一步，該措施對施工區(qū)域表面附著的海洋生物和浮銹進(jìn)行處理，使表面無明顯鼓泡和浮銹，鋼結(jié)構(gòu)表面光潔度達(dá)到要求。第二步，將防蝕膏填滿鋼樁表面的坑凹和縫隙處，使防蝕膏均勻平整地在鋼結(jié)構(gòu)表面形成完整的一層保護(hù)膜。第三步，在涂抹防蝕膏后的鋼結(jié)構(gòu)立即纏繞防蝕帶，避免防蝕膏被浪濺區(qū)海水沖刷掉。第四步，在包裹防蝕帶后的鋼結(jié)構(gòu)表面安裝防護(hù)罩，防護(hù)罩由底向上安裝。第五步，防護(hù)罩兩端及縫隙采用水中固化環(huán)氧樹脂密封，完成安裝。此技術(shù)主要用于海洋浪濺區(qū)圓形鋼結(jié)構(gòu)面層防腐。

1.2" 碳纖維布浸膠貼覆措施

碳纖維布浸膠貼覆措施[3]（圖2）是通過碳纖維布浸泡濕固化樹脂，貼覆于破損混凝土表面，可以進(jìn)行多層粘貼。第一步，該措施對混凝土表面風(fēng)化疏松層、浮漿層、碳化銹裂及重油污層進(jìn)行打磨處理，使混凝土表面露出堅(jiān)實(shí)平整的基層表面。第二步，將混凝土表面凹陷部位用修補(bǔ)膠找平處理。第三步，將配置好并攪拌均勻的碳纖維浸漬膠均勻涂刷在結(jié)構(gòu)接觸層表面并貼碳纖維布，同時用滾筒沿纖維方向來回滾壓擠除氣泡使其平整，使浸漬膠充分浸透碳纖維布;若多層粘貼，待手指觸感干燥后進(jìn)行下層粘貼。第四步，在碳纖維布表面做好保護(hù)層，使碳纖維材料完全固化。該保護(hù)措施主要用于浪濺區(qū)，施工時需在低水位時進(jìn)行施工。

1.3" 水下環(huán)氧樹脂灌漿料措施

水下環(huán)氧樹脂灌漿料措施[4]（圖3）是通過玻纖套筒在樁基周圍形成模具，再澆筑水下環(huán)氧樹脂灌漿料，主要用于修復(fù)樁基腐蝕和沖刷病害。第一步，將接觸的環(huán)氧灌漿料澆筑混凝土表面，需鑿除其表層浮漿并露出堅(jiān)實(shí)基層，保證灌漿面清潔、干燥、無油脂。第二步，根據(jù)橋墩尺寸大小制備圓形玻纖套筒。第三步，將玻纖套筒運(yùn)輸至橋墩處，將玻纖套筒安裝于需修復(fù)的橋墩處，采用綁帶或鋼帶對套筒進(jìn)行固定。第四步，將環(huán)氧樹脂灌漿料澆筑于玻纖套筒形成的模具中，對橋墩進(jìn)行加固完成。灌漿結(jié)束后，敲擊玻纖套筒：發(fā)出叮叮聲表明灌漿層密實(shí)，發(fā)出咚咚聲表明灌漿層空鼓。該保護(hù)措施多數(shù)用于淺水區(qū)圓形結(jié)構(gòu)，不適用于矩形結(jié)構(gòu)，同時該措施對船舶碰撞無緩沖作用。

1.4" 水下濕固化防腐涂料措施

水下濕固化防腐涂料措施[5]（圖4）是通過刷涂高分子陶瓷聚合物或者水下濕固化防腐涂料輥涂于混凝土表面，對橋墩表面進(jìn)行修復(fù)，該涂料能在水下固化。該措施對原橋混凝土表面處理要求較高，同時需要潛水施工，對施工人員要求較高。

2" 2種新型橋墩修復(fù)結(jié)構(gòu)

2.1" 鋁合金結(jié)構(gòu)

鋁合金的突出特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高。防銹鋁合金鋁中加入錳、鎂、硅形成的鋁-錳、鋁-鎂、鋁-硅合金具有很好的耐蝕性、良好的塑性和較高的強(qiáng)度。高強(qiáng)度硬鋁強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而密度比普通硬鋁減小15%，且能擠壓成型。高強(qiáng)度鋁合金具有抗海水侵蝕等特點(diǎn)，同時成型結(jié)構(gòu)具有緩沖吸能作用。由鋁合金擠壓成型的結(jié)構(gòu)對橋墩具有很好的保護(hù)作用，同時能夠提升一定防撞能力。

鋁合金結(jié)構(gòu)之間通過插銷連接，通過吸盤或者其他方式固定于橋墩表面，鋁合金材料形成模具，底部采用防水材料進(jìn)行密封，內(nèi)層澆筑高強(qiáng)混凝土。該防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，連接方式簡單、易更換。結(jié)構(gòu)示意圖如圖5、圖6所示。

2.2" 蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

蜂窩型復(fù)合材料由基體樹脂、玻璃纖維布、添加劑等構(gòu)成。密度只有碳鋼的1/4～1/5，拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過碳素鋼。蜂窩型復(fù)合材料具有良好的耐腐性能，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽都有較好的抵抗能力。蜂窩型復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性較好，可根據(jù)需要，靈活地設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，來滿足使用要求，可以使產(chǎn)品有很好的整體性，同時可以充分選擇材料來滿足產(chǎn)品的性能。

蜂窩型復(fù)合材料之間通過插銷或卡扣連接，通過吸盤或者其他方式固定于橋墩表面，蜂窩型復(fù)合材料形成模具，底部采用防水材料進(jìn)行密封，內(nèi)層澆筑高強(qiáng)混凝土。該防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，連接方式簡單、易更換，可加工性強(qiáng)，整體耐久性較好。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7和圖8所示。

3" 2種新型橋墩修復(fù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

3.1" 鋁合金結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

通過數(shù)值模擬計(jì)算該鋁合金典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為3.29 J/cm3，同時采用微機(jī)控電子萬能試驗(yàn)機(jī)對鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限平壓實(shí)驗(yàn)，得到最大壓力為174.39 kN。如圖9—圖11所示。

3.2" 蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

通過數(shù)值模擬計(jì)算該蜂窩型復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為4.85 J/cm3，極限承載力為6.25 MPa。如圖12和圖13所示。

4" 2種新型橋墩修復(fù)結(jié)構(gòu)工藝研究

4.1" 蜂窩型復(fù)合材料制作——真空導(dǎo)入工藝

本結(jié)構(gòu)制作方式采用真空導(dǎo)入工藝[6]成型，具體工藝流程如下。

1）模具清潔和準(zhǔn)備。清理模具上殘留的雜物或灰塵，嚴(yán)禁出現(xiàn)模具有污染的現(xiàn)象。在清理干凈的模具表面均勻涂敷高效脫模劑。脫模劑干后在模具四周粘貼密封膠帶。

2）鋪層。按照設(shè)計(jì)的鋪層把已裁剪好的每一塊鋼絲網(wǎng)與織物在模具上依次進(jìn)行鋪層，采取搭接的方式，搭接寬度不大于20 cm。與模具應(yīng)完全貼合，避免出現(xiàn)沒有鋪設(shè)而鼓起的現(xiàn)象。在拐角處鋪層時可用剪刀進(jìn)行剪開保證貼合。將鋼絲網(wǎng)與織物按照不同比例，鋪設(shè)在織物之間。

3）脫模布導(dǎo)流網(wǎng)鋪設(shè)。鋼絲網(wǎng)與織物鋪設(shè)完后需要將全部產(chǎn)品區(qū)域依次鋪設(shè)一層脫模布一層導(dǎo)流網(wǎng)，鋪設(shè)時使用3M噴膠將脫模布粘貼到織物上。

4）流道鋪設(shè)。抽氣通道的鋪設(shè)：將螺旋管放置于模具的四周，放置過程中用噴膠固定脫模布，防止導(dǎo)流管移動;在螺旋管適當(dāng)位置架設(shè)三通，便于抽氣管與螺旋管連接。樹脂流道的鋪設(shè)：要求單管放置，每隔一定間距放一根并用真空膠帶固定，防止移動。

5）真空袋薄膜封裝。將薄膜放置于模具一端向另一端放開，然后把密封膠條上的紙撕開把薄膜粘貼在模具上，在拐角及加強(qiáng)筋處需要打褶密封。

6）抽真空和漏氣檢查。將模具周圍的抽氣口用PVC管連接到樹脂收集器上。打開真空泵，當(dāng)真空表讀數(shù)達(dá)到規(guī)定值時關(guān)閉樹脂收集器上的開關(guān)。在5 min內(nèi)查看真空度是否一直保持穩(wěn)定，5 min內(nèi)真空度下降不能大于0.01 MPa，否則使用真空檢漏儀檢查漏氣位置，用密封膠條進(jìn)行密封，直至達(dá)到要求。

7）樹脂導(dǎo)入。將注膠管的一端插入已經(jīng)配兌好的樹脂中，在負(fù)壓作用下將樹脂抽入模腔，注意觀察樹脂導(dǎo)入情況，實(shí)時根據(jù)實(shí)際走膠情況進(jìn)行注膠點(diǎn)的改換。

8）固化及產(chǎn)品脫模。放熱峰3 h后，分別在轉(zhuǎn)角、邊緣、底部等幾個位置用手按壓產(chǎn)品表面，如按壓不動，則可采用巴氏硬度計(jì)測量產(chǎn)品表面硬度，硬度值在45 HBa以上則可以脫模。

9）產(chǎn)品外觀檢驗(yàn)。檢查脫模后產(chǎn)品外觀質(zhì)量，對不平處進(jìn)行打磨處理，對表面有缺陷的進(jìn)行修補(bǔ)處理。

4.2" 鋁合金結(jié)構(gòu)-擠壓成型工藝

鋁合金型材生產(chǎn)包括熔鑄、擠壓和氧化3個過程。

1）熔鑄是鋁材生產(chǎn)的首道工序。主要過程為配料：根據(jù)需要生產(chǎn)的具體合金牌號，計(jì)算出各種合金成分的添加量，合理搭配各種原材料。熔煉：將配好的原材料按工藝要求加入熔煉爐內(nèi)熔化，并通過除氣、除渣精煉手段將熔體內(nèi)的雜渣、氣體有效除去。鑄造：熔煉好的鋁液在一定的鑄造工藝條件下，通過深井鑄造系統(tǒng)，冷卻鑄造成各種規(guī)格的圓鑄棒。

2）擠壓：擠壓是型材成形的手段。先根據(jù)型材產(chǎn)品斷面設(shè)計(jì)制造出模具，利用擠壓機(jī)將加熱好的圓鑄棒從模具中擠出成形。在擠壓時用一個風(fēng)冷淬火過程及其后的人工時效過程，以完成熱處理強(qiáng)化。不同牌號的可熱處理強(qiáng)化合金，其熱處理制度不同。

3）氧化：擠壓好的鋁合金型材，其表面可通過陽極氧化進(jìn)行表面處理以增加鋁材的抗蝕性、耐磨性及外表的美觀度。

4.3" 2種結(jié)構(gòu)材料施工工藝

本文2種結(jié)構(gòu)在水中橋墩施工時可配合工裝進(jìn)行施工，該工裝能在水下附著于橋墩表面，工裝通過伸出支撐腳進(jìn)行支撐，形成一個工作空間，將工裝腔內(nèi)的水抽出形成一個干燥環(huán)境，人從工裝上方進(jìn)入，解決現(xiàn)階段的施工需要潛水員在水下施工，解決水下表面處理等問題，可用于矩形橋墩或者圓形樁基表面，主要解決受水位影響的兩棲和沿海橋墩水下施工困難的問題，縮短施工工期，節(jié)約施工成本。通過本工裝可避免在水下施工，不受水位影響。

其施工工藝示意圖如圖14所示，具體工藝流程如下：①浮運(yùn)工裝及2種結(jié)構(gòu)材料至橋墩處;②將2個“U”形工裝連接于橋墩四周;③緩慢下沉工裝設(shè)備至水下一定深度;④工裝底部支撐腿支撐于橋墩承臺處;⑤工裝緊附于橋墩表面密封工裝與橋墩表面接觸處;⑥抽干內(nèi)腔海水，清洗打磨橋墩表面;⑦防護(hù)裝備拼接成模板，內(nèi)部通過吸盤固定于橋墩表面，外層模板再采用抱箍固定;⑧防護(hù)裝備底部密封;⑨澆筑UHPC混凝土;⑩撤除工裝，移至下一橋墩。

5" 結(jié)論

本文提出了2種解決矩形橋墩墩身混凝土病害修復(fù)及小船舶碰撞橋墩破壞表面風(fēng)險的結(jié)構(gòu)：鋁合金結(jié)構(gòu)與蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)可在橋墩周圍形成一定強(qiáng)度的模具，內(nèi)層澆筑高強(qiáng)混凝土對橋墩進(jìn)行修復(fù)，外層結(jié)構(gòu)具有一定緩沖消能作用，且材料耐腐蝕性較好，適用于多種環(huán)境。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到2種典型結(jié)構(gòu)的單位體積耗能，主要結(jié)論如下：

1）鋁合金典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為3.29 J/cm3，同時采用微機(jī)控電子萬能試驗(yàn)機(jī)對鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限平壓實(shí)驗(yàn)，得到最大壓力為174.39 kN。

2）蜂窩型復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為4.85 J/cm3，極限承載力為6.25 MPa。

3）通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)2種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣全通，翟曉凡，翁德洋，等.大連港石化鋼樁復(fù)層礦脂包覆防腐（PTC）工程分析[J].當(dāng)代化工研究，2022（18）：98-101.

[2] 潘杰，侯保榮，劉佳利，等.PTC礦脂包覆防腐蝕技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)展[J].腐蝕與防護(hù)，2015，36（12）：1170-1173.

[3] 張曉華，朱華，陳曉龍.一種碳纖維加固用浸漬膠的研究[J].上海建材，2019（4）：22-25.

[4] 盧學(xué)軍.水下環(huán)氧樹脂灌漿料的研究[C]//中國化工學(xué)會;中國建筑膠粘劑商會.中國化工學(xué)會;中國建筑膠粘劑商會，2016.

[5] 凌芹，程皓然，郭思，等.高固體分水下固化重防腐涂料的制備與應(yīng)用研究[J].中國涂料，2021，36（8）：11-14.

[6] 周明俊.真空導(dǎo)入工藝的應(yīng)用介紹[C]//第十七屆中國國際船艇展暨高性能船學(xué)術(shù)報(bào)告會.中國造船工程學(xué)會;上海船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會，2012.

第一作者簡介：文江福（1992-），男，工程師。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料研發(fā)。