吳 壯 張孝千

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070)

近年來，隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展和交通量的迅速增長，通過橋梁的載重量也在不斷增加，同時(shí)，已建橋梁在多年的運(yùn)營使用過程中會受到自然因素和人為因素的影響而損壞，這些都會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。由于歷史原因，如建橋時(shí)資金緊缺，設(shè)計(jì)荷載及泄洪能力偏低，技術(shù)力量的缺乏，設(shè)計(jì)、施工管理的粗放，以致在設(shè)計(jì)上或施工中留下不同程度的缺陷[2]。對于危橋、舊橋，如果選擇全部拆除重建，顯然是不現(xiàn)實(shí)且不經(jīng)濟(jì)的。依據(jù)檢測結(jié)果對這些橋梁進(jìn)行維修加固以恢復(fù)其工作能力，將節(jié)省大量的人力物力，同時(shí)也滿足了橋梁的運(yùn)營要求。其中，碳纖維是一種具有極高抗拉強(qiáng)度和彈性模量的工程材料，其輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)對提高承載力而不允許增加過多恒載的橋梁加固工程特別適用[3-4]。

現(xiàn)以大冶市君山橋?yàn)檠芯繉ο螅榻B碳纖維加固方法的施工工藝，并利用有限元分析軟件midas Civil對加固后的君山橋進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)橋梁靜載加載方法進(jìn)行加載試驗(yàn)，使依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對君山橋的加固效果進(jìn)行評定。

1 工程概況

君山橋位于大冶市還地橋軍山路，于2006年建成。橋梁為鋼筋混凝土無橋臺斜腿剛架橋，主梁全長25.7 m，孔跨布置為6.65 m+12.4 m+6.65 m。橋梁總寬17.5 m，橋面布置為2.25 m人行道+13 m行車道+2.25 m人行道。該橋經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)存在許多病害，2016年有關(guān)方對全橋進(jìn)行了加固。加固措施包括全橋7片主梁底部及側(cè)面采用粘貼2層碳纖維布加固，以增加主梁正彎矩承載能力；每片主梁中間支點(diǎn)兩側(cè)各增設(shè)1道橫隔梁以加強(qiáng)橋梁橫向整體性；更換橋面鋪裝；重做搭板；橋臺錐坡、護(hù)坡砌體結(jié)構(gòu)破損處理；裂縫處理；表面裂縫封閉處理。改造后的橋梁荷載等級為公路-II級，人群荷載3.0 kN/m2。橋梁加固總體立面布置見圖1。

圖1 君山橋加固總體布置及測試斷面示意圖(單位：cm)

2 碳纖維加固施工工藝

通過粘貼碳纖維進(jìn)行加固的施工工藝流程通常為：裂縫壓漿→基底處理→找平底層→貼纖維布→表面防護(hù)→驗(yàn)收。

2.1 混凝土裂縫壓漿封閉

在進(jìn)行碳纖維加固前，需要對混凝土表面進(jìn)行外觀檢查，對于可見的裂縫均需要進(jìn)行處理。對于裂縫寬度大于2 mm的，通常進(jìn)行壓漿處理。對于裂縫寬度小于2 mm，但混凝土較為破碎的，也需要進(jìn)行封閉處理。裂縫壓漿分為高壓注漿和低壓注漿2種方法，兩者相比，低壓注漿的方法效果較好且操作方便[5]。對于表面封閉方法，通常先用工具將裂縫表面擴(kuò)大成寬3～5 mm的溝槽，再用膩?zhàn)訉⑻幚砗蟮臏喜酃纹郊纯伞?/p>

2.2 混凝土基底處理及底層找平

在進(jìn)行粘貼碳纖維布前，應(yīng)首先對混凝土的缺陷部分進(jìn)行處理。對于銹蝕鋼筋應(yīng)進(jìn)行除銹工作，然后利用砂輪、腳磨機(jī)等工具對混凝土表面的浮漿及油污等雜質(zhì)進(jìn)行打磨處理。最后混凝土表面需滿足平整、粗糙的要求[6]。

底層膠對于碳纖維粘貼的牢固程度十分關(guān)鍵，因此涂刷必須嚴(yán)密，涂刷時(shí)混凝土表面不能有水分。施工時(shí)將膠均勻涂在混凝土表面，待底膠固化后進(jìn)行下一工序。

2.3 粘貼碳纖維布及表面防護(hù)

碳纖維布粘貼時(shí)應(yīng)沿其受力方向用橡皮滾筒多次滾壓壓實(shí)，將氣泡趕出，保證碳纖維布粘貼密實(shí)，與混凝土表面緊密結(jié)合。第一層碳纖維布粘貼完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行第二層黏結(jié)劑的涂抹，待黏結(jié)劑固化到一定程度后，進(jìn)行第二層碳纖維布的粘貼[7]，重復(fù)上述步驟直到層數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的數(shù)量。碳纖維的端部通常較難固定，可以采用鋼板固定等方法進(jìn)行處理。

碳纖維布粘貼完成后，需要在最外層的外面涂抹1層膠料，形成表面防護(hù)層。防護(hù)層可以采用在黏結(jié)膠料中加入少量的滑石粉的方法配制，在膠料固化后，利用無機(jī)材料進(jìn)行1道表面涂裝。

3 靜載試驗(yàn)

首先利用midas Civil對加固后橋梁建模，并進(jìn)行各荷載工況作用下位移、應(yīng)力計(jì)算。通過橋梁靜載試驗(yàn)對橋梁加固效果進(jìn)行評定，分別測試加固后橋梁在荷載作用下的應(yīng)變及撓度，以評定橋梁的承載能力。

3.1 測試斷面及測點(diǎn)布置

根據(jù)測試橋梁的受力特點(diǎn)，選取5個(gè)測試斷面，見圖1。

B-B，C-C2處斷面為斜腿與主梁處截面；A-A測試斷面為主跨的跨中，測試該控制截面在試驗(yàn)荷載作用下的撓度和應(yīng)變；D-D、E-E斷面為斜腿處應(yīng)變測試斷面。

在A-A斷面處各梁底部布置1個(gè)撓度測點(diǎn)，為消除支座沉降的影響，同時(shí)在B-B，C-C截面附近布置撓度測點(diǎn)。在A-A斷面處每片梁布置3個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。斷面撓度測點(diǎn)布置見圖2，斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖3。

圖2 A-A斷面撓度測點(diǎn)布置示意圖

圖3 A-A斷面應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

3.2 試驗(yàn)荷載選用

靜力試驗(yàn)荷載通過汽車進(jìn)行加載，將控制截面最不利荷載位置的設(shè)計(jì)荷載用試驗(yàn)車輛按靜力等效的原則模擬進(jìn)行[8]。根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇后6輪載重車作為加載方式。靜載試驗(yàn)共選取4輛6輪載重車，單車總重420 kN，前軸重60 kN，中后軸均重180 kN，前中軸距為3.65 m，中后軸距1.35 m。根據(jù)剛構(gòu)橋梁的受力特點(diǎn)，選擇如下4個(gè)荷載工況。

工況1：跨中截面最大正彎矩及撓度工況(偏載2號梁)。

工況2：跨中截面最大正彎矩及撓度工況(中載3號梁)。

工況3：支座B-B截面處最大負(fù)彎矩及撓度工況(偏載2號梁)。

工況4：支座B-B截面處最大負(fù)彎矩及撓度工況(中載3號梁)。

3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1撓度測試結(jié)果及分析

A-A斷面各主梁在4種工況下的撓度實(shí)測值及理論值見圖4，測點(diǎn)撓度均已消除支座沉降影響。試驗(yàn)荷載作用下，主要測點(diǎn)撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)ζ值在0.18～0.97之間，均小于1。結(jié)構(gòu)殘余變形較小，最大為6.04%，小于控制值20%，說明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)[9-10]。

圖4 撓度沿橫向變化曲線(A-A)

3.3.2應(yīng)變測試結(jié)果及分析

A-A斷面各主梁在4種工況下的撓度實(shí)測值及理論值見圖5，試驗(yàn)荷載作用下，主要測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)ζ值在0～0.98，均小于1。這表明橋梁的實(shí)際狀況優(yōu)于理論狀況，承載能力滿足要求。

圖5 應(yīng)變沿橫向變化曲線(A-A)

4 結(jié)論

1) 加固后橋梁在試驗(yàn)荷載作用下，各測點(diǎn)應(yīng)變及撓度實(shí)測值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范要求。加固后橋梁在短期靜力試驗(yàn)荷載作用下，各測試項(xiàng)目數(shù)據(jù)正常，結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)加固效果。

2) 利用碳纖維布進(jìn)行加固效果良好，能夠有效提高橋梁的承載能力，但需嚴(yán)格控制施工工藝。

[1] 史迎青.橋梁加固的研究與應(yīng)用[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[2] 侯林平.現(xiàn)行橋梁檢測與加固的反思[J].交通科技,2007(1):4-6.

[3] 何輝,劉永紅,許建軍,等.碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用研究[J].交通科技,2007(3):104-106.

[4] 王靜.連續(xù)鋼構(gòu)橋成橋荷載試驗(yàn)實(shí)施方案研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011(8):93-97.

[5] 沙權(quán)賢.碳纖維材料加固橋梁混凝土施工技術(shù)[J].混凝土,2013(8):154-157.

[6] 李明哲.現(xiàn)役超限橋梁碳纖維加固技術(shù)[J].施工技術(shù),2012,41(17):28-30.

[7] 滕秀元,李厚海,楊晉,等.某鋼筋混凝土空心板橋的檢測及加固建議[J].工程抗震與加固改造,2011,33(1):89-93.

[8] 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程：JTG/T J21-2011[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9] 張璇.納米碳纖維改性瀝青混凝土試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2016,40(2):335-338.

[10] 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.