顏家學(xué)

（貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

經(jīng)濟(jì)高速、高質(zhì)量發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)也在快速發(fā)展。經(jīng)濟(jì)的繁榮導(dǎo)致道路通行壓力增大，很多早期服役的橋梁，其結(jié)構(gòu)性能、承載能力等指標(biāo)已無(wú)法滿足當(dāng)前交通運(yùn)輸?shù)囊?。加之自然環(huán)境侵蝕、車輛荷載及流量增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)疲勞，縮短了橋梁使用壽命。目前，我國(guó)很多仍在運(yùn)行的橋梁出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)老化、路用性能降低等一系列問(wèn)題，已經(jīng)超出了現(xiàn)行規(guī)范，存在一定的安全隱患[1]。如果全部拆除或改建，不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也有悖于國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。在已建橋梁的基礎(chǔ)上，利用已有的技術(shù)手段，盡量提高和修復(fù)服役橋梁的承載能力，使其能繼續(xù)滿足運(yùn)營(yíng)安全需求，而且具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

某橋梁項(xiàng)目由左、右兩部分組成，其中左幅大橋全長(zhǎng)2 329 m，而右幅橋長(zhǎng)則為2 319 m，橋面全寬24.50 m，橋面凈寬22.50 m。此橋上部結(jié)構(gòu)為T梁，下部結(jié)構(gòu)為柱或墩、基礎(chǔ)為樁基。荷載等級(jí)為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該橋梁存在下列主要問(wèn)題：

（1）上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件的主要病害有豎直向開(kāi)裂、斜方向開(kāi)裂；表層構(gòu)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(fā)展裂縫、移動(dòng)偏位，以及支座部位出現(xiàn)剪切變形、局部凸起、墊石損壞甚至斷裂。

（4）橋梁下部結(jié)構(gòu)存在的質(zhì)量問(wèn)題包括豎直、斜向、橫向都產(chǎn)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(zhì)量問(wèn)題：伸縮縫范圍內(nèi)產(chǎn)生了縱裂，伸縮縫區(qū)域的防排水設(shè)備出水口處存在一定堵塞。

按照現(xiàn)行《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，對(duì)該橋梁工程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，得出如下結(jié)論：①左幅上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)為3類，下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)為2類，橋面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等級(jí)為2類；該橋梁項(xiàng)目左幅整體質(zhì)量安全等級(jí)為3類；②右幅上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)為3類，下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)為2類，橋面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等級(jí)為2類，該橋梁項(xiàng)目右幅整體質(zhì)量安全等級(jí)為2類；③按照現(xiàn)行公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定以及運(yùn)營(yíng)階段技術(shù)狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)狀態(tài)得分范圍是“60分≤Dr＜80分”，等級(jí)確定為3類。質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定顯示，該服役橋梁項(xiàng)目左幅質(zhì)量狀況不佳，應(yīng)采用中修方案；右幅的質(zhì)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(jié)合此橋梁項(xiàng)目的健康監(jiān)測(cè)、質(zhì)量評(píng)定等級(jí)，分析了造成質(zhì)量病害的主要原因，并按現(xiàn)行橋梁養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，提出了如下加固建議：

2.1.1 上部承重構(gòu)件

（1）T梁混凝土施工階段存在的主要缺陷為蜂窩、麻面。對(duì)于損壞、孔洞、露筋等病害，應(yīng)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(huán)氧水泥砂漿復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。鋼筋保護(hù)層厚度不充分的質(zhì)量問(wèn)題，以水泥基滲透結(jié)晶性物質(zhì)為原料，在構(gòu)件混凝土表面涂覆水泥漿復(fù)合材料。

（2）針對(duì)滲透堿化的病害：先清除堿基區(qū)域的松散混凝土，然后對(duì)受損的混凝土進(jìn)行修補(bǔ)，并及時(shí)修補(bǔ)防水混凝土。

（3）針對(duì)梁體的結(jié)構(gòu)性豎向裂縫：應(yīng)先進(jìn)行封閉處理，并采取適宜的加固措施；對(duì)非結(jié)構(gòu)的垂直裂縫，也必須采取封閉措施[2]。

（4）針對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)的縱裂：裂紋寬度在0.15 mm以上的，宜采用壓漿修復(fù)；對(duì)于裂紋寬度＜0.15 mm的裂紋，宜采取表面封堵方法。

（5）針對(duì)T梁的縱向偏移質(zhì)量問(wèn)題，要加強(qiáng)觀察，并采取相應(yīng)的治理方案。

2.1.2 上部一般構(gòu)件

（1）針對(duì)橫隔板結(jié)構(gòu)件、濕接縫混凝土的質(zhì)量問(wèn)題，如蜂窩、麻面、露筋等，應(yīng)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(huán)氧水泥砂漿復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

（2）鋼筋保護(hù)層厚度不夠的質(zhì)量問(wèn)題：利用以水泥為基礎(chǔ)的滲透性晶體材料制成漿液，在構(gòu)件的混凝土表面進(jìn)行涂敷治理。

（3）針對(duì)未拆除的模板，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行模板拆除。

（4）針對(duì)滲透堿化病害：先清除堿基區(qū)域的松散混凝土，然后對(duì)受損的混凝土進(jìn)行修補(bǔ)，并及時(shí)修補(bǔ)其防水混凝土。

（5）橫隔板結(jié)件間存在裂縫的質(zhì)量問(wèn)題：可先采用封堵、灌縫方案，如裂縫繼續(xù)發(fā)展，可利用粘貼鋼板、增加系梁、增設(shè)外部預(yù)應(yīng)力筋等方案，進(jìn)行維修。

2.1.3 支座

脫空病害支座，可采用填補(bǔ)措施；支座墊石損壞，可采用環(huán)氧復(fù)合砂漿修補(bǔ)；老化及剪切開(kāi)裂、局部凸起的支座，可采用頂升更換方案；偏位問(wèn)題的支座，可采用頂升復(fù)位辦法恢復(fù)[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(yīng)先將松散的病害混凝土清除、銹蝕損傷的鋼筋除銹，再用環(huán)氧水泥砂漿復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；鋼筋保護(hù)層厚度不充分的情況下，以水泥基滲透結(jié)晶性物質(zhì)為原料，在構(gòu)件混凝土表面進(jìn)行涂覆治理。

針對(duì)混凝土構(gòu)件的裂縫，可采用壓漿進(jìn)行閉合的方法修復(fù)，壓漿工序完工后，應(yīng)將混凝土表面涂刷灰漿，以降低修補(bǔ)區(qū)域混凝土外觀的色差，以確保墩身混凝土的外觀質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.1.5 伸縮縫

伸縮縫范圍內(nèi)的縱向裂縫質(zhì)量問(wèn)題，可以采用灌縫劑封閉方案，需及時(shí)清理排水管堵塞段，并注意確保排水設(shè)備、排水系統(tǒng)的通暢。

伸縮縫、排水孔等附屬結(jié)構(gòu)，應(yīng)定時(shí)清掃，并加強(qiáng)日常巡查、養(yǎng)護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)處理。

2.2 加固方法

碳纖維材料粘貼加固是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型加固技術(shù)。不同于鋼材料，它具有完全的彈性，沒(méi)有塑性區(qū)和屈服點(diǎn)，且碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、耐蝕性均有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 CFRP應(yīng)力應(yīng)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(fā)展，提高了結(jié)構(gòu)剛度，使梁的受力達(dá)到了最優(yōu)工況[4]。同時(shí)碳纖維復(fù)合材料不但可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力，而且還可以顯著降低結(jié)構(gòu)變形。該復(fù)合材料利用粘結(jié)劑將纖維復(fù)合板與原橋黏合，而結(jié)合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，使二者協(xié)同作用，以提高橋梁的整體強(qiáng)度和承載力。碳纖維材料加固施工技術(shù)，主要用于承重構(gòu)件，如主梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)然非承重構(gòu)件也可以采用碳纖維復(fù)合材料方案補(bǔ)強(qiáng)。

纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、韌性好，不需要像鋼板加固方案一樣長(zhǎng)期維護(hù)。此加固工藝較為簡(jiǎn)單，而且當(dāng)其密度值為200~300 g/mm2時(shí)，厚度范圍僅為0.110~0.166 mm，此方案實(shí)施后，幾乎不會(huì)改變橋下凈空。采用碳纖維復(fù)合材料加固橋梁，不僅不會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力變化，而且能保證在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)與原有結(jié)構(gòu)共同承受各類荷載。碳纖維復(fù)合材料也存在一定的缺點(diǎn)，例如造價(jià)高，使其加固成本費(fèi)用相應(yīng)增加，且這項(xiàng)技術(shù)對(duì)工人的技術(shù)能力要求更高，方案實(shí)施需要專業(yè)技術(shù)人員操作，進(jìn)一步造成維修成本增大[5]。

2.3 加強(qiáng)質(zhì)量管理

在檢測(cè)施工材料的質(zhì)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)原材料質(zhì)量及規(guī)格進(jìn)行全面檢測(cè)。加強(qiáng)進(jìn)場(chǎng)原材料檢查，對(duì)進(jìn)場(chǎng)原材料嚴(yán)謹(jǐn)核對(duì)出廠證明，嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行原材料試驗(yàn)規(guī)程、技術(shù)規(guī)范的指標(biāo)，對(duì)每批次材質(zhì)合規(guī)性進(jìn)行核查，按頻率進(jìn)行抽樣檢查，嚴(yán)禁不合格產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)，確保項(xiàng)目質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

完善質(zhì)量監(jiān)督體系，落實(shí)責(zé)任人，強(qiáng)化施工質(zhì)量監(jiān)督人員的責(zé)任意識(shí)。質(zhì)檢人員在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)施工過(guò)程管控，針對(duì)施工中出現(xiàn)的不合格行為，應(yīng)及時(shí)制止，并要求整改；針對(duì)施工中的關(guān)鍵控制點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)旁站、巡視力度，確保工程建設(shè)質(zhì)量滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 有限元建模分析

Midas軟件是一款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析軟件。MidasCivil主要用于建筑結(jié)構(gòu)，尤其是箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊橋梁結(jié)構(gòu)形式的受力模擬分析。

3.1 采用Midas有限元軟件進(jìn)行建模

Midas Civil在Windows環(huán)境下，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外專家的不懈努力，采用C++技術(shù)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。Midas Civil的開(kāi)發(fā)，為結(jié)構(gòu)受力分析提供了許多方便，能夠從多個(gè)角度對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校驗(yàn)，從而使受力計(jì)算更加精確、高效[6]。尤其是在橋梁結(jié)構(gòu)分析方面，Midas Civil在建模、分析和后處理過(guò)程中，結(jié)合了國(guó)內(nèi)的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，在方便設(shè)計(jì)、施工等諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，被廣泛應(yīng)用[7]。

運(yùn)用Midas Civil軟件建立有限元模型，對(duì)橋梁在荷載作用下的損傷特性，進(jìn)行了計(jì)算分析，有限元模型見(jiàn)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(fù)合材料加固方案效果時(shí)，利用平面應(yīng)力單元對(duì)T梁底部粘貼的碳纖維材料進(jìn)行了仿真[8-9]。通過(guò)輸入材料性能函數(shù)，并設(shè)定界面間的邊界條件，以模擬碳纖維復(fù)合材料與主梁的粘接及協(xié)同受力，從而實(shí)現(xiàn)變形、位移的協(xié)調(diào)，避免了黏結(jié)和滑動(dòng)破壞[10]。

3.3 加固效應(yīng)結(jié)果對(duì)比

研究項(xiàng)目以跨中、最中部的T梁為研究對(duì)象：①分析梁體撓度變化時(shí)，選擇中梁和邊跨中段的變形情況；②分析T梁應(yīng)力變化時(shí)，選用中梁最中部T梁，進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3.1 撓度

見(jiàn)圖3，描述了該橋加固前后的撓度對(duì)比數(shù)據(jù)：

圖3 橋梁加固前后撓度對(duì)比

3.3.2 應(yīng)力

圖4描述了該橋加固前后的應(yīng)力對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖4 橋梁加固前后應(yīng)力對(duì)比（單位：N/mm2）

綜上分析，可以得出如下的結(jié)論：

（1）當(dāng)各構(gòu)件承受同樣彎矩時(shí)，無(wú)論在中梁還是在邊梁上，加固T梁撓度均比原構(gòu)件小，這一研究結(jié)果顯示碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)方案對(duì)T梁剛度有明顯改善。

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

分析結(jié)論表明，碳纖維加固方案既能提高結(jié)構(gòu)的剛度、承載力，并能有效抑制裂縫病害進(jìn)一步發(fā)展，采用CFRP技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加固的效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，對(duì)某T梁橋進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)和仿真計(jì)算，可以得出：定期質(zhì)量檢測(cè)作為監(jiān)測(cè)橋梁健康狀況的主要措施之一，做出的質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)定對(duì)加固措施選用具有重要意義；針對(duì)主梁裂縫病害，應(yīng)先采用裂縫封閉技術(shù)使主梁裂縫封閉后，可采用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)方案以有效改善結(jié)構(gòu)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(huán)境、運(yùn)營(yíng)條件下，其結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)各種損傷，從而使其性能惡化，因此要高度重視對(duì)后期養(yǎng)護(hù)工作的強(qiáng)化，同時(shí)要跟蹤檢查，確保橋梁處于穩(wěn)定的安全使用狀態(tài)。