公路橋梁項目檢測與加固技術探究

顏家學

（貴州省交通科學研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

經濟高速、高質量發展的同時，我國交通基礎建設也在快速發展。經濟的繁榮導致道路通行壓力增大，很多早期服役的橋梁，其結構性能、承載能力等指標已無法滿足當前交通運輸的要求。加之自然環境侵蝕、車輛荷載及流量增加，導致結構材料出現疲勞，縮短了橋梁使用壽命。目前，我國很多仍在運行的橋梁出現了結構老化、路用性能降低等一系列問題，已經超出了現行規范，存在一定的安全隱患[1]。如果全部拆除或改建，不僅會帶來巨大的經濟損失，也有悖于國家的可持續發展戰略。在已建橋梁的基礎上，利用已有的技術手段，盡量提高和修復服役橋梁的承載能力，使其能繼續滿足運營安全需求，而且具有很大的社會效益和經濟效益。

1 工程概況

某橋梁項目由左、右兩部分組成，其中左幅大橋全長2 329 m，而右幅橋長則為2 319 m，橋面全寬24.50 m，橋面凈寬22.50 m。此橋上部結構為T梁，下部結構為柱或墩、基礎為樁基。荷載等級為一級公路標準，經質量檢驗發現該橋梁存在下列主要問題：

（1）上部結構的主要病害是梁體裂縫，主要包括T形梁斜向裂縫、垂直裂縫、縱向裂縫；鋼筋銹蝕，斷裂露筋、滲透堿化，水侵痕跡，梁體位移變形。

（2）橫隔板結構件的主要病害有豎直向開裂、斜方向開裂；表層構造的各種露筋破損、滲水部位堿化，附屬件模板未拆除。

（3）支座處脫空、老化發展裂縫、移動偏位，以及支座部位出現剪切變形、局部凸起、墊石損壞甚至斷裂。

（4）橋梁下部結構存在的質量問題包括豎直、斜向、橫向都產生了一定程度的裂縫，鋼筋存在銹蝕、露筋病變，混凝土表面有蜂窩狀麻面，立柱局部斷裂。

（5）橋面系主要質量問題：伸縮縫范圍內產生了縱裂，伸縮縫區域的防排水設備出水口處存在一定堵塞。

按照現行《公路橋梁技術狀況評定標準》的規定，對該橋梁工程進行質量評定，得出如下結論：①左幅上部結構質量等級為3類，下部結構質量等級為2類，橋面結構的質量等級為2類；該橋梁項目左幅整體質量安全等級為3類；②右幅上部結構質量等級為3類，下部結構質量等級為2類，橋面結構的質量等級為2類，該橋梁項目右幅整體質量安全等級為2類；③按照現行公路橋梁技術狀況評定以及運營階段技術狀態評定標準，其技術狀態得分范圍是“60分≤Dr＜80分”，等級確定為3類。質量檢測評定顯示，該服役橋梁項目左幅質量狀況不佳，應采用中修方案；右幅的質量情況比較好，需要可采用小修措施。

2 加固方案

2.1 加固建議

結合此橋梁項目的健康監測、質量評定等級，分析了造成質量病害的主要原因，并按現行橋梁養護標準，提出了如下加固建議：

2.1.1 上部承重構件

（1）T梁混凝土施工階段存在的主要缺陷為蜂窩、麻面。對于損壞、孔洞、露筋等病害，應首先將松散的病害混凝土清除、銹蝕損傷的鋼筋除銹，再用環氧水泥砂漿復合材料進行補強。鋼筋保護層厚度不充分的質量問題，以水泥基滲透結晶性物質為原料，在構件混凝土表面涂覆水泥漿復合材料。

（2）針對滲透堿化的病害：先清除堿基區域的松散混凝土，然后對受損的混凝土進行修補，并及時修補防水混凝土。

（3）針對梁體的結構性豎向裂縫：應先進行封閉處理，并采取適宜的加固措施；對非結構的垂直裂縫，也必須采取封閉措施[2]。

（4）針對橫梁結構的縱裂：裂紋寬度在0.15 mm以上的，宜采用壓漿修復；對于裂紋寬度＜0.15 mm的裂紋，宜采取表面封堵方法。

（5）針對T梁的縱向偏移質量問題，要加強觀察，并采取相應的治理方案。

2.1.2 上部一般構件

（1）針對橫隔板結構件、濕接縫混凝土的質量問題，如蜂窩、麻面、露筋等，應首先將松散的病害混凝土清除、銹蝕損傷的鋼筋除銹，再用環氧水泥砂漿復合材料進行補強。

（2）鋼筋保護層厚度不夠的質量問題：利用以水泥為基礎的滲透性晶體材料制成漿液，在構件的混凝土表面進行涂敷治理。

（3）針對未拆除的模板，應及時進行模板拆除。

（4）針對滲透堿化病害：先清除堿基區域的松散混凝土，然后對受損的混凝土進行修補，并及時修補其防水混凝土。

（5）橫隔板結件間存在裂縫的質量問題：可先采用封堵、灌縫方案，如裂縫繼續發展，可利用粘貼鋼板、增加系梁、增設外部預應力筋等方案，進行維修。

2.1.3 支座

脫空病害支座，可采用填補措施；支座墊石損壞，可采用環氧復合砂漿修補；老化及剪切開裂、局部凸起的支座，可采用頂升更換方案；偏位問題的支座，可采用頂升復位辦法恢復[3]。

2.1.4 橋墩

橋墩混凝土缺陷，如蜂窩、麻面、孔洞、露筋等病害，應先將松散的病害混凝土清除、銹蝕損傷的鋼筋除銹，再用環氧水泥砂漿復合材料進行補強；鋼筋保護層厚度不充分的情況下，以水泥基滲透結晶性物質為原料，在構件混凝土表面進行涂覆治理。

針對混凝土構件的裂縫，可采用壓漿進行閉合的方法修復，壓漿工序完工后，應將混凝土表面涂刷灰漿，以降低修補區域混凝土外觀的色差，以確保墩身混凝土的外觀質量達標。

2.1.5 伸縮縫

伸縮縫范圍內的縱向裂縫質量問題，可以采用灌縫劑封閉方案，需及時清理排水管堵塞段，并注意確保排水設備、排水系統的通暢。

伸縮縫、排水孔等附屬結構，應定時清掃，并加強日常巡查、養護，一旦發現質量問題，應及時處理。

2.2 加固方法

碳纖維材料粘貼加固是近年來出現的一種新型加固技術。不同于鋼材料，它具有完全的彈性，沒有塑性區和屈服點，且碳纖維復合材料的拉伸強度、耐蝕性均有很強優勢。通過試驗數據分析，其應力-應變關系曲線如圖1所示。

圖1 CFRP應力應變曲線

由于碳纖維材料的加入，使其與受力部件共同作用，限制了裂縫病害的發展，提高了結構剛度，使梁的受力達到了最優工況[4]。同時碳纖維復合材料不但可以增強結構的抗剪承載能力，而且還可以顯著降低結構變形。該復合材料利用粘結劑將纖維復合板與原橋黏合，而結合成復合結構，使二者協同作用，以提高橋梁的整體強度和承載力。碳纖維材料加固施工技術，主要用于承重構件，如主梁結構，當然非承重構件也可以采用碳纖維復合材料方案補強。

纖維復合材料強度高、韌性好，不需要像鋼板加固方案一樣長期維護。此加固工藝較為簡單，而且當其密度值為200~300 g/mm2時，厚度范圍僅為0.110~0.166 mm，此方案實施后，幾乎不會改變橋下凈空。采用碳纖維復合材料加固橋梁，不僅不會引起結構內部的應力變化，而且能保證在設計荷載范圍內與原有結構共同承受各類荷載。碳纖維復合材料也存在一定的缺點，例如造價高，使其加固成本費用相應增加，且這項技術對工人的技術能力要求更高，方案實施需要專業技術人員操作，進一步造成維修成本增大[5]。

2.3 加強質量管理

在檢測施工材料的質量時，應當嚴格按照各項指標，對原材料質量及規格進行全面檢測。加強進場原材料檢查，對進場原材料嚴謹核對出廠證明，嚴格執行現行原材料試驗規程、技術規范的指標，對每批次材質合規性進行核查，按頻率進行抽樣檢查，嚴禁不合格產品進場，確保項目質量達標。

完善質量監督體系，落實責任人，強化施工質量監督人員的責任意識。質檢人員在項目建設過程中，應加強施工過程管控，針對施工中出現的不合格行為，應及時制止，并要求整改；針對施工中的關鍵控制點，應加強旁站、巡視力度，確保工程建設質量滿足規范及設計標準要求。

3 有限元建模分析

Midas軟件是一款結構設計的有限元分析軟件。MidasCivil主要用于建筑結構，尤其是箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊橋梁結構形式的受力模擬分析。

3.1 采用Midas有限元軟件進行建模

Midas Civil在Windows環境下，經過國內外專家的不懈努力，采用C++技術而實現運行。Midas Civil的開發，為結構受力分析提供了許多方便，能夠從多個角度對結構模型進行校驗，從而使受力計算更加精確、高效[6]。尤其是在橋梁結構分析方面，Midas Civil在建模、分析和后處理過程中，結合了國內的規范和經驗，在方便設計、施工等諸多領域的基礎上，被廣泛應用[7]。

運用Midas Civil軟件建立有限元模型，對橋梁在荷載作用下的損傷特性，進行了計算分析，有限元模型見圖2所示。

圖2 全橋整體模型

3.2 CFRP的模擬

分析T梁梁底粘貼碳纖維復合材料加固方案效果時，利用平面應力單元對T梁底部粘貼的碳纖維材料進行了仿真[8-9]。通過輸入材料性能函數，并設定界面間的邊界條件，以模擬碳纖維復合材料與主梁的粘接及協同受力，從而實現變形、位移的協調，避免了黏結和滑動破壞[10]。

3.3 加固效應結果對比

研究項目以跨中、最中部的T梁為研究對象：①分析梁體撓度變化時，選擇中梁和邊跨中段的變形情況；②分析T梁應力變化時，選用中梁最中部T梁，進行對比分析。

3.3.1 撓度

見圖3，描述了該橋加固前后的撓度對比數據：

圖3 橋梁加固前后撓度對比

3.3.2 應力

圖4描述了該橋加固前后的應力對比數據。

圖4 橋梁加固前后應力對比（單位：N/mm2）

綜上分析，可以得出如下的結論：

（1）當各構件承受同樣彎矩時，無論在中梁還是在邊梁上，加固T梁撓度均比原構件小，這一研究結果顯示碳纖維增強復合材料補強方案對T梁剛度有明顯改善。

（2）采用碳纖維復合材料進行加固后，其底板應力顯著提高，中跨和邊跨應力值可降低30%~50%，從而顯著提高了橋梁承載力。

分析結論表明，碳纖維加固方案既能提高結構的剛度、承載力，并能有效抑制裂縫病害進一步發展，采用CFRP技術對橋梁結構件進行加固的效果顯著。

4 結語

綜上，對某T梁橋進行了質量檢測和仿真計算，可以得出：定期質量檢測作為監測橋梁健康狀況的主要措施之一，做出的質量檢測及評定對加固措施選用具有重要意義；針對主梁裂縫病害，應先采用裂縫封閉技術使主梁裂縫封閉后，可采用碳纖維復合材料補強方案以有效改善結構承載力；盡管加固后的橋梁在一定程度上具有較好的承載能力，但在自然環境、運營條件下，其結構很容易出現各種損傷，從而使其性能惡化，因此要高度重視對后期養護工作的強化，同時要跟蹤檢查，確保橋梁處于穩定的安全使用狀態。