采用粘貼碳纖維復(fù)合材料加固龍?zhí)逗訕?/h1>
2012-10-27 09:30肖光輝
四川建筑 2012年1期
奉 江，肖光輝
(四川南充水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川南充637000)
我國(guó)自20世紀(jì)80年代起開(kāi)始，公路建設(shè)事業(yè)步入了高速發(fā)展時(shí)期，建設(shè)了大量各類橋梁。目前公路橋梁總數(shù)已突破57×104座，成為僅次于美國(guó)的世界第二橋梁大國(guó)。在我國(guó)目前的眾多橋梁中，因構(gòu)件老化、實(shí)際荷載提高、環(huán)境腐蝕及洪水、地震等各種原因，結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)損傷、承載能力降低的舊危橋占相當(dāng)比例。這些橋梁迫切需要進(jìn)行橋梁檢測(cè)、維修加固，才能夠適應(yīng)最新荷載、繼續(xù)提供通行能力［1］。按舊規(guī)范設(shè)計(jì)建造的橋梁，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低、橋面寬度狹窄。隨著服役時(shí)間推移和交通運(yùn)輸事業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，所面臨的橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作任務(wù)也日趨艱巨，客觀上對(duì)橋梁檢測(cè)、評(píng)價(jià)、維修加固和養(yǎng)護(hù)管理等技術(shù)提出了更高的要求。近年來(lái)，橋梁加固越來(lái)越受到全球的高度重視，被提到刻不容緩的議事日程上來(lái)。橋梁建設(shè)的重點(diǎn)已經(jīng)從新橋建設(shè)轉(zhuǎn)移到舊橋的加固和改造方面。
1 舊危橋梁加固技術(shù)
根據(jù)舊危橋的結(jié)構(gòu)體系、病害狀況、橋梁環(huán)境等綜合條件的不同，橋梁常用的加固方法有以下9種［1］。
1.1 橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法
通過(guò)在橋面板(主梁頂面)加鋪一層鋼筋混凝土層，使其與原有結(jié)構(gòu)形成整體，從而達(dá)到增大橋面板或主梁有效高度和受壓截面，增加橋面整體剛度。受橋面補(bǔ)強(qiáng)層厚度的限制，該方法主要適用于中小跨徑的橋梁。實(shí)施的前提是原主梁具有足夠的配筋率，且橋梁結(jié)構(gòu)良好。施工活動(dòng)全部在橋面進(jìn)行，操作便利，易于控制工程質(zhì)量;缺點(diǎn)在于工作量大，工期長(zhǎng)，對(duì)原結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的損傷，且需大型施工設(shè)備，工藝復(fù)雜。
1.2 增大截面和配筋加固法
在構(gòu)件表面加大混凝土尺寸，增加受力鋼筋，使其與原結(jié)構(gòu)形成整體，從而增大構(gòu)件有效高度和受力鋼筋面積，增加構(gòu)件的剛度，提高橋梁整體承載能力。該方法提高承載能力明顯，但是需要施工設(shè)備、支架等，且工藝較復(fù)雜。加大構(gòu)件截面時(shí)，會(huì)使上部結(jié)構(gòu)恒載增加，對(duì)原結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)承載能力有一定影響。
1.3 體外預(yù)應(yīng)力加固法
用粗鋼筋、鋼絞線和高強(qiáng)度鋼絲等預(yù)應(yīng)力材料對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)施加體外預(yù)應(yīng)力，用這部分預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)彎矩抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。該法能較大幅度提高或恢復(fù)橋梁的承載能力，且施工工藝簡(jiǎn)單、干擾交通少、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、人力投入少、工期短、經(jīng)濟(jì)效益明顯;對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷小，可以做到不影響橋下凈空、不增加路面標(biāo)高。但由于預(yù)應(yīng)力筋布置在梁截面外部，易受溫度及酸性氣體等環(huán)境影響，需要可靠的防腐處理。
1.4 粘貼鋼板(筋)加固法
用粘結(jié)劑及錨栓將鋼板粘貼錨固在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使其與結(jié)構(gòu)形成整體，以鋼板代替增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，提高橋梁的承載能力。粘貼鋼板由于重量輕，操作便利，易于控制工程質(zhì)量;由于鋼板拉壓強(qiáng)度均很高，加之粘貼后的鋼板主要承受活載，對(duì)于受彎、受剪和受拉構(gòu)件其補(bǔ)強(qiáng)效果優(yōu)于加大混凝土截面法。但須對(duì)鋼板與結(jié)構(gòu)結(jié)合面進(jìn)行處理，并鉆埋螺栓孔，對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷;且鋼板需作防腐處理，增加了日后養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用。
1.5 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法
增設(shè)附加構(gòu)件和進(jìn)行技術(shù)改造，使橋梁的受力體系和受力狀況發(fā)生改變，從而起到減小承重構(gòu)件的應(yīng)力，改善橋梁性能，達(dá)到提高承載能力的目的。該方法需對(duì)原橋梁受力體系進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，研究確定以何種新的結(jié)構(gòu)受力體系及何種施工工藝對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并需要在完成后對(duì)轉(zhuǎn)換后的橋體進(jìn)行可靠性分析，判斷是否滿足規(guī)定荷載等級(jí)的要求。
1.6 錨噴混凝土加固法
采用高速噴射機(jī)械，在已錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面連續(xù)噴射新混凝土混合料，使其和原有結(jié)構(gòu)形成整體，提高橋梁的承載能力。該法可明顯增大主梁剛度，有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性，且?guī)缀醪恍枰笃陴B(yǎng)護(hù)費(fèi)用。主要用于因支點(diǎn)截面尺寸偏小而導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度不足的混凝土梁的加固維修。但施工過(guò)程中需要封閉交通，施工過(guò)程對(duì)環(huán)境影響較大。
1.7 增設(shè)構(gòu)件加固法
當(dāng)墩臺(tái)地基安全性能好，并具有承載能力，上部結(jié)構(gòu)也基本完好，但其承載能力不能滿足要求，或要求加寬橋面時(shí)，通過(guò)增設(shè)縱梁來(lái)提高承載能力或適應(yīng)拓寬改建要求，對(duì)于要進(jìn)行拓寬改造的則還需要對(duì)墩臺(tái)進(jìn)行拓寬。需拆除橋面鋪裝，鑿除翼緣板，施工復(fù)雜，工程量大，施工期內(nèi)需中斷交通;新舊構(gòu)件的聯(lián)結(jié)會(huì)受混凝土收縮徐變的影響，處理不妥的話會(huì)影響行車舒適度，并增大后期維護(hù)費(fèi)用。
1.8 增加輔助橫梁加固法
對(duì)于某些因橫向整體性較差而降低了承載能力的梁式橋，在加固時(shí)可采取增加橫梁的辦法來(lái)加強(qiáng)各縱梁之間的橫向聯(lián)結(jié)。一般情況下這種加固方法是其他加固方法的輔助方法，特別適用于少橫隔板或無(wú)橫隔板的梁式橋。
1.9 粘貼碳纖維布(板)加固法
利用樹(shù)脂類粘結(jié)材料把碳纖維布材或板材粘貼于橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體(CFRP)，通過(guò)其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。對(duì)于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的舊橋，加固效果尤為顯著;還適用于混凝土墩柱的抗剪、抗壓補(bǔ)強(qiáng)，抗震延性補(bǔ)強(qiáng)以及地震破壞后的修復(fù)等［2］。粘貼碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、易于粘貼、不銹蝕的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于配筋較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的梁、板進(jìn)行抗彎和抗剪加固，可以取得很好的效果;對(duì)于混凝土墩柱，粘貼CFRP片材進(jìn)行抗壓或抗震加固效果顯著，對(duì)震后墩柱的修復(fù)也有較好的效果。
2 橋梁加固方案的比選原則
對(duì)于一座舊危橋梁的加固設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)、反復(fù)的設(shè)計(jì)方案比選來(lái)選取在經(jīng)濟(jì)、效果、工期、美觀等綜合指標(biāo)較高的加固設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循以下原則。
(1)結(jié)構(gòu)檢算分析應(yīng)簡(jiǎn)單、構(gòu)造措施應(yīng)合理、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)力求成熟;
(2)施工過(guò)程中粉塵、噪音、廢棄物等對(duì)環(huán)境的影響要小;
(3)施工難度要小、工藝要成熟、質(zhì)量和工期要易于控制;
(4)施工過(guò)程中對(duì)人身安全、行車安全和結(jié)構(gòu)安全要易于控制;
(5)工程費(fèi)用應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理;
(6)加固后的結(jié)構(gòu)耐久性要好，后期養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用要小。
在各加固方法中，碳纖維材料由于其良好的物理、化學(xué)性質(zhì)和工程應(yīng)用性能，具有巨大的應(yīng)用前景。
3 粘貼碳纖維加固實(shí)際工程應(yīng)用
龍?zhí)逗訕蛭挥诟拭C省康縣陽(yáng)壩鎮(zhèn)附近，竣工于2000年，是一座3×20 m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，橋?qū)?.5 m，橋面連續(xù)，橋梁全長(zhǎng)75 m。T梁梁高1.3 m，單跨共5片。下部為鋼筋混凝土雙圓柱式墩，擴(kuò)大式橋墩基礎(chǔ)，重力式U型臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載為汽－20，掛－100。橋位處于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，橋頭、橋位分別指向廣坪、陽(yáng)壩。橋型圖見(jiàn)圖1，橋面橫向布置圖見(jiàn)圖2。
2008年“5·12”汶川大地震中，龍?zhí)逗訕蚴艿絿?yán)重?fù)p傷，震后第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)與評(píng)估。
圖1 龍?zhí)逗訕驑蛐?/p>
圖2 龍?zhí)逗訕驑蛎鏅M向布置(單位:cm)
檢測(cè)工作內(nèi)容主要包括:超聲回彈法綜合法探測(cè)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度、裂縫檢測(cè)、橋梁各部位幾何測(cè)量、構(gòu)件及聯(lián)結(jié)部位損傷等［3］、［4］。
橋梁損傷狀況檢測(cè)與評(píng)估主要內(nèi)容有:
(1)主梁梁體實(shí)測(cè)碳化深度介于6～9 mm之間，混凝土碳化程度較重，混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度推定值介于41～42.6 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30要求;蓋梁、橋墩等主要構(gòu)件混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)C30要求，梁體鋼筋間距、保護(hù)層、直徑與原設(shè)計(jì)吻合。
圖3 主梁裂縫現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)示
(2)每片主梁的支座和跨中腹板的兩側(cè)出現(xiàn)多道斜裂縫，裂縫長(zhǎng)度介于40～100 cm之間，裂縫寬度介于0.1～0.2 mm之間，深度介于10～19 mm(圖3、圖5);局部出現(xiàn)輕微滲水及表面麻面。部分主梁局部區(qū)域鋼筋電位水平介于－134～－256 mV之間，有輕微腐蝕現(xiàn)象。
(3)其他損傷:第一跨2#、3#主梁之間第四道橫隔梁出現(xiàn)豎向裂縫，長(zhǎng)116 cm、寬0.2 mm、深20 mm(圖4)，第3跨1#、2#主梁間第二道橫隔板接頭斷裂(圖5);2#上游側(cè)橋墩上部出現(xiàn)一條斜裂縫，長(zhǎng)56 cm、寬0.3 mm、深10 mm;橋臺(tái)砌石護(hù)坡崩散;橋面伸縮縫內(nèi)橡膠條變形、隆起。
圖4 橫隔板豎向裂縫
圖5 橫隔板接頭斷裂
檢測(cè)與評(píng)估綜合結(jié)論:受地震作用影響，橋跨結(jié)構(gòu)梁體出現(xiàn)開(kāi)裂和裂縫發(fā)展，檢測(cè)與評(píng)估綜合結(jié)論:受地震作用影響，橋跨結(jié)構(gòu)梁體出現(xiàn)開(kāi)裂和裂縫發(fā)展，對(duì)橋梁承載力產(chǎn)生不利影響;經(jīng)分析計(jì)算，梁體實(shí)際極限抗彎承載力為2 033 kN·m，而在原設(shè)計(jì)荷載汽－20，掛－100作用下，梁體需達(dá)到的極限抗彎承載力為2 240 kN·m，即該橋已不能滿足原設(shè)計(jì)承載要求。
4 整橋加固設(shè)計(jì)方案
該橋設(shè)計(jì)、建造于2000年前，原設(shè)計(jì)“汽－20，掛－100”橋梁荷載現(xiàn)已廢止，荷載標(biāo)準(zhǔn)可相當(dāng)于《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60—2004)中的公路－Ⅱ級(jí)［5］，加固設(shè)計(jì)選用的碳纖維布材及粘貼專用膠的性能指標(biāo)滿足規(guī)范材料性能要求。
選用碳纖維布材性能參數(shù):彈性模量E≥2.10×105 MPa;極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)t≥3 000 MPa。采用日本東麗碳素纖維制造公司生產(chǎn)的UT70－30型號(hào)碳纖維布的力學(xué)性能指標(biāo)作為計(jì)算參考。設(shè)計(jì)厚度0.167 mm，極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)t≥3 000 MPa，彈性模量E≥2.10×105MPa;按T梁腹板底粘貼2層進(jìn)行試算。為驗(yàn)證粘貼碳纖維面積估算的可行性，并詳細(xì)分析加固前后各階段的主梁受力狀態(tài)，用MIDAS軟件對(duì)主梁結(jié)構(gòu)碳纖維粘貼加固建立模型進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。
4.1 主梁粘貼碳纖維抗彎加固
在T梁腹板底粘貼2層碳纖維布，并沿腹板兩側(cè)向上翻折20 cm;因梁端至1/4跨徑段梁體抗彎能力尚滿足要求，故可不予加固，粘貼范圍可選取1/5至4/5跨徑段。如圖6、圖7。
圖6 梁底粘貼碳纖維布T梁展開(kāi)圖示
4.2 主梁抗剪加固及碳纖維粘貼構(gòu)造措施
針對(duì)此橋抗剪承載能力不足，采用在梁腹板粘貼碳纖維布U型箍方法加固，并在腹板兩側(cè)中部、上部水平粘貼壓條以達(dá)到U型箍錨固效果。碳纖維布U型箍采用單層布，寬度20 cm，在梁兩端至1/4跨徑段，剪力效應(yīng)較大，U型箍?jī)艟嘣O(shè)置為20 cm;在1/4跨徑至3/4跨徑段，U型箍?jī)艟嘣O(shè)為60 cm。碳纖維布?jí)簵l寬度10 cm。其中圖8為梁底抗彎加固段，圖9為梁底抗彎未加固段。
圖7 梁底粘貼碳纖維布T梁橫斷圖(單位:cm)
圖8 腹板側(cè)粘貼碳纖維布U型箍T梁展開(kāi)圖
圖9 腹板側(cè)粘貼碳纖維布U型箍橫斷圖A、B
4.3 橋梁其他部位加固方案
(1)用混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)材料處理結(jié)構(gòu)裂縫。其中對(duì)于梁體的裂縫處理，須在粘貼碳纖維布加固前進(jìn)行。處理措施:對(duì)于寬度小于0.15 mm的裂縫，采用表面封閉法，用改性環(huán)氧膠泥適當(dāng)加壓刮抹以封閉裂縫，防止?jié)B漏和避免鋼筋銹蝕;對(duì)于寬度大于0.15的裂縫，采用自動(dòng)低壓滲注法，以恒定低壓持續(xù)將裂縫灌注修補(bǔ)膠滲注入裂縫內(nèi)。
(2)其他病害加固處理。對(duì)于主梁局部混凝土蜂窩、麻面，鑿除病害混凝土，對(duì)已銹蝕的鋼筋除銹、用噴涂型阻銹劑防護(hù)，然后用具微膨脹性的環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。
將橋墩裂縫封閉處理后，在裂縫位置粘貼一層單位克重為1 500 g/m2的碳纖維板;將接頭斷裂的橫隔板鑿出適當(dāng)尺寸的矩形孔洞，側(cè)面植筋后重新澆筑混凝土;拆除下沉、散裂的橋臺(tái)錐坡，將坡底夯實(shí)處理后重新按原設(shè)計(jì)圖施工;更換伸縮縫內(nèi)變形、隆起的橡膠條。
5 結(jié)論
以“5·12”汶川地震后蘭成渝成品油管線龍?zhí)逗訕虻臋z測(cè)、評(píng)估與加固為工程實(shí)例，通過(guò)結(jié)合實(shí)際震后橋梁的檢測(cè)與粘貼碳纖維加固工程研究，綜合考慮其加固機(jī)理、材料特性、計(jì)算結(jié)果及施工特點(diǎn)等指標(biāo)，可見(jiàn)在地震造成破壞這種特殊病害環(huán)境下，粘貼碳纖維布對(duì)于鋼筋混凝土橋梁進(jìn)行抗彎加固是快速、便捷和行之有效的。這對(duì)于震后及時(shí)修復(fù)橋梁、保障交通“生命線”具有重要意義。
［1］劉來(lái)君，趙小星.橋梁加固設(shè)計(jì)施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2004
［2］趙軍.碳纖維布在鋼筋混凝土梁加固中的應(yīng)用［D］.安徽工業(yè)大學(xué)，2007
［3］JTG F80/1－2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］
［4］張勁泉，徐岳，葉見(jiàn)曙，等.公路舊橋檢算分析指南及工程實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，2007
［5］JTG D60－2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］
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1 舊危橋梁加固技術(shù)
根據(jù)舊危橋的結(jié)構(gòu)體系、病害狀況、橋梁環(huán)境等綜合條件的不同，橋梁常用的加固方法有以下9種［1］。
1.1 橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法
通過(guò)在橋面板(主梁頂面)加鋪一層鋼筋混凝土層，使其與原有結(jié)構(gòu)形成整體，從而達(dá)到增大橋面板或主梁有效高度和受壓截面，增加橋面整體剛度。受橋面補(bǔ)強(qiáng)層厚度的限制，該方法主要適用于中小跨徑的橋梁。實(shí)施的前提是原主梁具有足夠的配筋率，且橋梁結(jié)構(gòu)良好。施工活動(dòng)全部在橋面進(jìn)行，操作便利，易于控制工程質(zhì)量;缺點(diǎn)在于工作量大，工期長(zhǎng)，對(duì)原結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的損傷，且需大型施工設(shè)備，工藝復(fù)雜。
1.2 增大截面和配筋加固法
在構(gòu)件表面加大混凝土尺寸，增加受力鋼筋，使其與原結(jié)構(gòu)形成整體，從而增大構(gòu)件有效高度和受力鋼筋面積，增加構(gòu)件的剛度，提高橋梁整體承載能力。該方法提高承載能力明顯，但是需要施工設(shè)備、支架等，且工藝較復(fù)雜。加大構(gòu)件截面時(shí)，會(huì)使上部結(jié)構(gòu)恒載增加，對(duì)原結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)承載能力有一定影響。
1.3 體外預(yù)應(yīng)力加固法
用粗鋼筋、鋼絞線和高強(qiáng)度鋼絲等預(yù)應(yīng)力材料對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)施加體外預(yù)應(yīng)力，用這部分預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)彎矩抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。該法能較大幅度提高或恢復(fù)橋梁的承載能力，且施工工藝簡(jiǎn)單、干擾交通少、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、人力投入少、工期短、經(jīng)濟(jì)效益明顯;對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷小，可以做到不影響橋下凈空、不增加路面標(biāo)高。但由于預(yù)應(yīng)力筋布置在梁截面外部，易受溫度及酸性氣體等環(huán)境影響，需要可靠的防腐處理。
1.4 粘貼鋼板(筋)加固法
用粘結(jié)劑及錨栓將鋼板粘貼錨固在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或薄弱部位，使其與結(jié)構(gòu)形成整體，以鋼板代替增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，提高橋梁的承載能力。粘貼鋼板由于重量輕，操作便利，易于控制工程質(zhì)量;由于鋼板拉壓強(qiáng)度均很高，加之粘貼后的鋼板主要承受活載，對(duì)于受彎、受剪和受拉構(gòu)件其補(bǔ)強(qiáng)效果優(yōu)于加大混凝土截面法。但須對(duì)鋼板與結(jié)構(gòu)結(jié)合面進(jìn)行處理，并鉆埋螺栓孔，對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷;且鋼板需作防腐處理，增加了日后養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用。
1.5 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法
增設(shè)附加構(gòu)件和進(jìn)行技術(shù)改造，使橋梁的受力體系和受力狀況發(fā)生改變，從而起到減小承重構(gòu)件的應(yīng)力，改善橋梁性能，達(dá)到提高承載能力的目的。該方法需對(duì)原橋梁受力體系進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，研究確定以何種新的結(jié)構(gòu)受力體系及何種施工工藝對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并需要在完成后對(duì)轉(zhuǎn)換后的橋體進(jìn)行可靠性分析，判斷是否滿足規(guī)定荷載等級(jí)的要求。
1.6 錨噴混凝土加固法
采用高速噴射機(jī)械，在已錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面連續(xù)噴射新混凝土混合料，使其和原有結(jié)構(gòu)形成整體，提高橋梁的承載能力。該法可明顯增大主梁剛度，有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性，且?guī)缀醪恍枰笃陴B(yǎng)護(hù)費(fèi)用。主要用于因支點(diǎn)截面尺寸偏小而導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度不足的混凝土梁的加固維修。但施工過(guò)程中需要封閉交通，施工過(guò)程對(duì)環(huán)境影響較大。
1.7 增設(shè)構(gòu)件加固法
當(dāng)墩臺(tái)地基安全性能好，并具有承載能力，上部結(jié)構(gòu)也基本完好，但其承載能力不能滿足要求，或要求加寬橋面時(shí)，通過(guò)增設(shè)縱梁來(lái)提高承載能力或適應(yīng)拓寬改建要求，對(duì)于要進(jìn)行拓寬改造的則還需要對(duì)墩臺(tái)進(jìn)行拓寬。需拆除橋面鋪裝，鑿除翼緣板，施工復(fù)雜，工程量大，施工期內(nèi)需中斷交通;新舊構(gòu)件的聯(lián)結(jié)會(huì)受混凝土收縮徐變的影響，處理不妥的話會(huì)影響行車舒適度，并增大后期維護(hù)費(fèi)用。
1.8 增加輔助橫梁加固法
對(duì)于某些因橫向整體性較差而降低了承載能力的梁式橋，在加固時(shí)可采取增加橫梁的辦法來(lái)加強(qiáng)各縱梁之間的橫向聯(lián)結(jié)。一般情況下這種加固方法是其他加固方法的輔助方法，特別適用于少橫隔板或無(wú)橫隔板的梁式橋。
1.9 粘貼碳纖維布(板)加固法
利用樹(shù)脂類粘結(jié)材料把碳纖維布材或板材粘貼于橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體(CFRP)，通過(guò)其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。對(duì)于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的舊橋，加固效果尤為顯著;還適用于混凝土墩柱的抗剪、抗壓補(bǔ)強(qiáng)，抗震延性補(bǔ)強(qiáng)以及地震破壞后的修復(fù)等［2］。粘貼碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、易于粘貼、不銹蝕的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于配筋較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的梁、板進(jìn)行抗彎和抗剪加固，可以取得很好的效果;對(duì)于混凝土墩柱，粘貼CFRP片材進(jìn)行抗壓或抗震加固效果顯著，對(duì)震后墩柱的修復(fù)也有較好的效果。
2 橋梁加固方案的比選原則
對(duì)于一座舊危橋梁的加固設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)、反復(fù)的設(shè)計(jì)方案比選來(lái)選取在經(jīng)濟(jì)、效果、工期、美觀等綜合指標(biāo)較高的加固設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循以下原則。
(1)結(jié)構(gòu)檢算分析應(yīng)簡(jiǎn)單、構(gòu)造措施應(yīng)合理、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)力求成熟;
(2)施工過(guò)程中粉塵、噪音、廢棄物等對(duì)環(huán)境的影響要小;
(3)施工難度要小、工藝要成熟、質(zhì)量和工期要易于控制;
(4)施工過(guò)程中對(duì)人身安全、行車安全和結(jié)構(gòu)安全要易于控制;
(5)工程費(fèi)用應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理;
(6)加固后的結(jié)構(gòu)耐久性要好，后期養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用要小。
在各加固方法中，碳纖維材料由于其良好的物理、化學(xué)性質(zhì)和工程應(yīng)用性能，具有巨大的應(yīng)用前景。
3 粘貼碳纖維加固實(shí)際工程應(yīng)用
龍?zhí)逗訕蛭挥诟拭C省康縣陽(yáng)壩鎮(zhèn)附近，竣工于2000年，是一座3×20 m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，橋?qū)?.5 m，橋面連續(xù)，橋梁全長(zhǎng)75 m。T梁梁高1.3 m，單跨共5片。下部為鋼筋混凝土雙圓柱式墩，擴(kuò)大式橋墩基礎(chǔ)，重力式U型臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載為汽－20，掛－100。橋位處于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，橋頭、橋位分別指向廣坪、陽(yáng)壩。橋型圖見(jiàn)圖1，橋面橫向布置圖見(jiàn)圖2。
2008年“5·12”汶川大地震中，龍?zhí)逗訕蚴艿絿?yán)重?fù)p傷，震后第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)與評(píng)估。
圖1 龍?zhí)逗訕驑蛐?/p>
圖2 龍?zhí)逗訕驑蛎鏅M向布置(單位:cm)
檢測(cè)工作內(nèi)容主要包括:超聲回彈法綜合法探測(cè)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度、裂縫檢測(cè)、橋梁各部位幾何測(cè)量、構(gòu)件及聯(lián)結(jié)部位損傷等［3］、［4］。
橋梁損傷狀況檢測(cè)與評(píng)估主要內(nèi)容有:
(1)主梁梁體實(shí)測(cè)碳化深度介于6～9 mm之間，混凝土碳化程度較重，混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度推定值介于41～42.6 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30要求;蓋梁、橋墩等主要構(gòu)件混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)C30要求，梁體鋼筋間距、保護(hù)層、直徑與原設(shè)計(jì)吻合。
圖3 主梁裂縫現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)示
(2)每片主梁的支座和跨中腹板的兩側(cè)出現(xiàn)多道斜裂縫，裂縫長(zhǎng)度介于40～100 cm之間，裂縫寬度介于0.1～0.2 mm之間，深度介于10～19 mm(圖3、圖5);局部出現(xiàn)輕微滲水及表面麻面。部分主梁局部區(qū)域鋼筋電位水平介于－134～－256 mV之間，有輕微腐蝕現(xiàn)象。
(3)其他損傷:第一跨2#、3#主梁之間第四道橫隔梁出現(xiàn)豎向裂縫，長(zhǎng)116 cm、寬0.2 mm、深20 mm(圖4)，第3跨1#、2#主梁間第二道橫隔板接頭斷裂(圖5);2#上游側(cè)橋墩上部出現(xiàn)一條斜裂縫，長(zhǎng)56 cm、寬0.3 mm、深10 mm;橋臺(tái)砌石護(hù)坡崩散;橋面伸縮縫內(nèi)橡膠條變形、隆起。
圖4 橫隔板豎向裂縫
圖5 橫隔板接頭斷裂
檢測(cè)與評(píng)估綜合結(jié)論:受地震作用影響，橋跨結(jié)構(gòu)梁體出現(xiàn)開(kāi)裂和裂縫發(fā)展，檢測(cè)與評(píng)估綜合結(jié)論:受地震作用影響，橋跨結(jié)構(gòu)梁體出現(xiàn)開(kāi)裂和裂縫發(fā)展，對(duì)橋梁承載力產(chǎn)生不利影響;經(jīng)分析計(jì)算，梁體實(shí)際極限抗彎承載力為2 033 kN·m，而在原設(shè)計(jì)荷載汽－20，掛－100作用下，梁體需達(dá)到的極限抗彎承載力為2 240 kN·m，即該橋已不能滿足原設(shè)計(jì)承載要求。
4 整橋加固設(shè)計(jì)方案
該橋設(shè)計(jì)、建造于2000年前，原設(shè)計(jì)“汽－20，掛－100”橋梁荷載現(xiàn)已廢止，荷載標(biāo)準(zhǔn)可相當(dāng)于《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60—2004)中的公路－Ⅱ級(jí)［5］，加固設(shè)計(jì)選用的碳纖維布材及粘貼專用膠的性能指標(biāo)滿足規(guī)范材料性能要求。
選用碳纖維布材性能參數(shù):彈性模量E≥2.10×105 MPa;極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)t≥3 000 MPa。采用日本東麗碳素纖維制造公司生產(chǎn)的UT70－30型號(hào)碳纖維布的力學(xué)性能指標(biāo)作為計(jì)算參考。設(shè)計(jì)厚度0.167 mm，極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)t≥3 000 MPa，彈性模量E≥2.10×105MPa;按T梁腹板底粘貼2層進(jìn)行試算。為驗(yàn)證粘貼碳纖維面積估算的可行性，并詳細(xì)分析加固前后各階段的主梁受力狀態(tài)，用MIDAS軟件對(duì)主梁結(jié)構(gòu)碳纖維粘貼加固建立模型進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。
4.1 主梁粘貼碳纖維抗彎加固
在T梁腹板底粘貼2層碳纖維布，并沿腹板兩側(cè)向上翻折20 cm;因梁端至1/4跨徑段梁體抗彎能力尚滿足要求，故可不予加固，粘貼范圍可選取1/5至4/5跨徑段。如圖6、圖7。
圖6 梁底粘貼碳纖維布T梁展開(kāi)圖示
4.2 主梁抗剪加固及碳纖維粘貼構(gòu)造措施
針對(duì)此橋抗剪承載能力不足，采用在梁腹板粘貼碳纖維布U型箍方法加固，并在腹板兩側(cè)中部、上部水平粘貼壓條以達(dá)到U型箍錨固效果。碳纖維布U型箍采用單層布，寬度20 cm，在梁兩端至1/4跨徑段，剪力效應(yīng)較大，U型箍?jī)艟嘣O(shè)置為20 cm;在1/4跨徑至3/4跨徑段，U型箍?jī)艟嘣O(shè)為60 cm。碳纖維布?jí)簵l寬度10 cm。其中圖8為梁底抗彎加固段，圖9為梁底抗彎未加固段。
圖7 梁底粘貼碳纖維布T梁橫斷圖(單位:cm)
圖8 腹板側(cè)粘貼碳纖維布U型箍T梁展開(kāi)圖
圖9 腹板側(cè)粘貼碳纖維布U型箍橫斷圖A、B
4.3 橋梁其他部位加固方案
(1)用混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)材料處理結(jié)構(gòu)裂縫。其中對(duì)于梁體的裂縫處理，須在粘貼碳纖維布加固前進(jìn)行。處理措施:對(duì)于寬度小于0.15 mm的裂縫，采用表面封閉法，用改性環(huán)氧膠泥適當(dāng)加壓刮抹以封閉裂縫，防止?jié)B漏和避免鋼筋銹蝕;對(duì)于寬度大于0.15的裂縫，采用自動(dòng)低壓滲注法，以恒定低壓持續(xù)將裂縫灌注修補(bǔ)膠滲注入裂縫內(nèi)。
(2)其他病害加固處理。對(duì)于主梁局部混凝土蜂窩、麻面，鑿除病害混凝土，對(duì)已銹蝕的鋼筋除銹、用噴涂型阻銹劑防護(hù)，然后用具微膨脹性的環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。
將橋墩裂縫封閉處理后，在裂縫位置粘貼一層單位克重為1 500 g/m2的碳纖維板;將接頭斷裂的橫隔板鑿出適當(dāng)尺寸的矩形孔洞，側(cè)面植筋后重新澆筑混凝土;拆除下沉、散裂的橋臺(tái)錐坡，將坡底夯實(shí)處理后重新按原設(shè)計(jì)圖施工;更換伸縮縫內(nèi)變形、隆起的橡膠條。
5 結(jié)論
以“5·12”汶川地震后蘭成渝成品油管線龍?zhí)逗訕虻臋z測(cè)、評(píng)估與加固為工程實(shí)例，通過(guò)結(jié)合實(shí)際震后橋梁的檢測(cè)與粘貼碳纖維加固工程研究，綜合考慮其加固機(jī)理、材料特性、計(jì)算結(jié)果及施工特點(diǎn)等指標(biāo)，可見(jiàn)在地震造成破壞這種特殊病害環(huán)境下，粘貼碳纖維布對(duì)于鋼筋混凝土橋梁進(jìn)行抗彎加固是快速、便捷和行之有效的。這對(duì)于震后及時(shí)修復(fù)橋梁、保障交通“生命線”具有重要意義。
［1］劉來(lái)君，趙小星.橋梁加固設(shè)計(jì)施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2004
［2］趙軍.碳纖維布在鋼筋混凝土梁加固中的應(yīng)用［D］.安徽工業(yè)大學(xué)，2007
［3］JTG F80/1－2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］
［4］張勁泉，徐岳，葉見(jiàn)曙，等.公路舊橋檢算分析指南及工程實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，2007
［5］JTG D60－2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］
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