碳纖維棒在橋梁加固中的應用★

劉 恒 孫 強 曹曉斌

(1.湖南高速鐵路職業技術學院鐵道工程學院，湖南 衡陽 421002； 2.中鐵十二局集團第七工程有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

橋梁結構物在長期運營過程中受到多種因素的影響，不可避免地會產生某些損傷，這就會影響到橋梁結構的正常使用功能，甚至會引起安全事故或縮短結構壽命。隨著國民經濟的發展，交通流量不斷增加，交通荷載不斷增大，橋梁損傷越來越嚴重。因此，對損害嚴重的橋梁進行加固，使其處于良好的工作狀態，延長其使用年限顯得尤為重要。

針對橋梁上部結構損傷進行加固的常用方法有增大截面法、粘貼鋼板法、施工體外預應力法、改變結構體系法、粘貼碳纖維材料法等。相對于其他傳統材料，碳纖維材料具有質量輕、強度高、體積小、耐腐蝕的優點。因此，碳纖維材料在舊橋加固當中的研究和應用越來越多。目前，對使用碳纖維布加固的研究比較多，而對于應用碳纖維棒加固比較少。

1 工程概況及橋梁病害

某大橋地處湖南省境內某省道上，于1992年建成通車，橋梁全長578 m。主橋為45 m+6×46 m+62 m+45 m單箱單室預應力混凝土等截面連續箱梁，采用頂推法施工，南岸與北岸引橋分別為6×16 m和3×16 m鋼筋混凝土簡支空心板，下部結構采用樁柱式墩臺基礎。車道布置為雙向兩車道，設計荷載等級為公路—Ⅱ級。橋梁現場照片見圖1。

該橋建設期由于缺少資金、質量監管不到位，工藝粗糙，混凝土表面蜂窩麻面、剝落、露筋較多。同時該橋也是當地礦產資源運輸的主要通道，經過二十幾年的運營后，混凝土表面裂縫、鋼筋銹脹嚴重，橋面及橋面人行道、欄桿破損嚴重。經橋梁承載能力和安全性檢查評估檢測發現，該橋引橋簡支空心板存在較多的病害，需進行維修處治，主要病害如下：

1)上部結構主要承重構件混凝土存在多處裂縫、表面麻面、剝落、露筋和鋼筋銹蝕；

2)采用有限元軟件Midas/Civil對橋梁主梁的承載能力進行檢算，檢算結論為：空心板結構安全儲備已不足。

2 碳纖維棒加固設計

本橋位于省道上跨越湘江，交通量較大，最近的過江通道距該橋約25 km，大型車輛需繞行將近100 km。主橋跨越湘江，引橋下方為當地小城鎮道路和農貿市場。經方案比選，對引橋空心板采用粘貼碳纖維棒加固法提高其承載能力。

2.1 加固材料

本次加固所用碳纖維棒的直徑為6 mm，經取樣檢測，碳纖維棒實測技術指標見表1。

表1 碳纖維棒實測技術指標

聚合物砂漿實測技術指標見表2。

表2 聚合物砂漿實測技術指標

2.2 加固原理

利用空間有限元計算軟件Midas Civil中的梁格法建立結構有限元計算模型，對該橋進行結構分析。計算模型中主梁采用梁單元模，支座用邊界條件模擬。全橋共離散為128個單元，136個節點。

經計算分析，加固設計方案采用在空心板梁底跨中15 m范圍沿縱向布置直徑6 mm的碳纖維棒，間距60 mm。采用20 mm寬、1 mm厚不銹鋼壓條錨固碳纖維棒，鋼板用螺栓固定。壓條方向沿空心板橫向布置，間距1 m，螺栓間距12 cm。碳纖維棒安裝示意圖見圖2。

3 碳纖維棒加固施工

3.1 碳纖維棒加固工藝流程

1)原構件混凝土表面處理：混凝土表面采用混凝土角磨機、鑿子等工具，清除表面的浮漿、油污等雜質，并對混凝土構件加固部位表面進行鑿毛處理；

2)孔洞缺損部位修補：加固部位表面如有較多孔洞或掉角，先處理干凈缺損面，涂抹表面強化劑，再采用高強聚合物砂漿修補找平，保持混凝土表面的平整度；

3)涂抹界面劑：混凝土表面干燥后，用刷子或噴涂機對混凝土表面噴涂1遍～2遍界面劑，以增強原結構混凝土表面的密實性，提高與聚合物砂漿的粘結力；

4)安裝錨具及纖維棒：利用錨具固定纖維棒，纖維棒應緊貼加固面；壓條及螺栓均應采用不銹鋼材料；

5)涂抹高強聚合物砂漿：纖維棒安裝完成后，在表面涂抹聚合物砂漿，砂漿厚度應不小于20 mm，然后抹平表面，確保表面的平整與美觀，施工溫度保持在常溫；

我們沿著街道漫無目的地走，晚風拂來，已經不會再挾裹著榕樹的味道，頭頂上繁多的節能路燈將人影子照成十字形，以前，昏暗無力的燈泡總會把影子拖拽得很長很長。

6)養護及保養：涂抹聚合物砂漿后，蓋上養護布進行濕潤養護；若條件不允許，可使用液體噴涂機、刷子或滾筒在表面涂抹液體成膜養護劑進行濕潤養護，常溫下養護，時間為3 d，根據天氣及氣溫情況，可增減養護時間。

3.2 施工質量控制

1)被加固構件處理。

根據原構件混凝土表面情況，在加固前采取以下措施進行預處理：

a.針對混凝土表面病害現象，應及時修復處理；b.清除混凝土表面的浮漿、油污等雜質，保證構件表面平整和干燥。

2)斷裂鋼筋焊接恢復與薄弱部分處理。

對鋼筋斷裂或表面缺損的部分采用焊接加固處理，單面搭接焊縫長度應不小于10d，焊縫寬度應不小于0.8d，焊縫飽滿密實，不得燒傷主筋，如鋼筋表面生銹應做除銹處理。

碳纖維棒安裝采用開槽植筋的方法進行，具體施工步驟如下：

a.在原橫隔板上采用絞錨機混凝土按圖紙要求進行切縫，切縫的深度寬度1 cm×1 cm，切縫必須平順，深度必須滿足；b.高壓水清洗裂縫，并采用氣泵進行吹干后，用植筋膠填滿，將碳纖維棒按入預留縫內，并將多余的植筋膠進行刮除抹平；植筋膠質量必須滿足圖紙要求。

4)混凝土孔洞、掉角修補。

混凝土出現孔洞、掉角等現象，應采用先清理好混凝土表面，再用高強聚合物砂漿進行修補，并保證加固后混凝土表面的平整度。

其他施工注意內容遵照產品特殊說明規定。

4 加固效果分析

本橋加固完成以后，進行了荷載試驗。按公路—Ⅱ級設計，荷載試驗效率系數在0.95～1.05之間。引橋空心板荷載試驗結果如下：

1)各荷載工況下的撓度和應變實測值與理論值變化規律基本一致，實際狀況較好。

2)在各試驗工況試驗荷載作用下，各測點校驗系數在0.4～0.8之間，說明加固后的引橋工作狀況良好，具有足夠的安全儲備。

3)撤除試驗荷載后，各測點殘余變形和殘余應變均小于20%，說明引橋基本處于彈性工作狀態，結構受力合理。

4)動載試驗中實測自振頻率10.0 Hz，大于理論計算值7.26 Hz，說明引橋的剛度大，汽車在行駛時，結構動力性能滿足設計及規范要求。跳車實測阻尼比1.654%，說明其具備一定的能量耗散性。

5)在試驗荷載作用下，引橋結構未出現裂縫，結合面未出現開裂滑移現象，表明橋梁抗裂性能較好，結構承載能力滿足正常使用要求。

5 結語

本文針對簡支空心板承載能力不足的情況采用碳纖維棒進行加固。經理論分析提出了具體設計方案，并參照相關規范和以往工程經驗提出了施工方案。加固完成以后進行了荷載試驗，經檢測驗證了該方法的可行性，為以后相關的橋梁加固研究提供借鑒和參考。