摘" 要：現(xiàn)階段對(duì)于橋墩修復(fù)多數(shù)為圓形樁基加固修復(fù)，對(duì)于水中矩形墩身修復(fù)相關(guān)應(yīng)用較少。樁基相對(duì)于橋墩墩身尺寸較小且為圓形，修復(fù)方式較多;矩形墩身尺寸較大，修復(fù)方式復(fù)雜且困難。該文提出2種墩身修復(fù)方式，對(duì)橋墩周?chē)O(shè)置有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)模具，固定于橋墩表面，內(nèi)部澆筑高強(qiáng)混凝土對(duì)矩形橋墩進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)提升橋墩抗撞性能。

關(guān)鍵詞：橋墩;修復(fù);高強(qiáng)混凝土;抗撞;防護(hù)方式

中圖分類(lèi)號(hào)：U445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0139-05

Abstract： At this stage， most of the bridge pier repairs are reinforced and repaired by circular pile foundations， and there are few related applications for the repair of rectangular pier bodies in water. The size of the pile foundation relative to the pier body is small and circular， and there are many repair methods; the size of the rectangular pier body is large， and the repair methods are complex and difficult. This paper proposes two methods for repairing the pier body. A structure with certain strength is set around the pier， a structural mold is formed， and it is fixed on the surface of the pier. High-strength concrete is poured inside to repair the rectangular pier， and at the same time improve the anti-collision performance of the pier.

Keywords： bridge pier; repair; high-strength concrete; crashworthiness; protection methods

為解決矩形橋墩墩身混凝土病害修復(fù)及小船舶碰撞橋墩破壞表面的風(fēng)險(xiǎn)，提出2種結(jié)構(gòu)：鋁合金結(jié)構(gòu)與蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)都具有一定強(qiáng)度，該結(jié)構(gòu)能夠拼接成矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連接處可采用插銷(xiāo)和卡扣形式，在橋墩四周形成結(jié)構(gòu)模板，內(nèi)部空隙澆筑高強(qiáng)混凝土對(duì)橋墩進(jìn)行修復(fù)，與結(jié)構(gòu)形成整體保護(hù)橋墩，同時(shí)此種結(jié)構(gòu)具有一定緩沖消能作用，能夠防止小噸位船舶碰撞。

1" 現(xiàn)有橋墩修復(fù)研究

1.1" PTC包覆防護(hù)措施

PTC包覆防護(hù)措施[1-2]（圖1）是在面層包覆礦脂層進(jìn)行防腐，由4層結(jié)構(gòu)組成（礦脂防蝕膏+礦脂防蝕帶+密封緩沖層+防蝕保護(hù)罩）通過(guò)不銹鋼帶進(jìn)行抱箍。第一步，該措施對(duì)施工區(qū)域表面附著的海洋生物和浮銹進(jìn)行處理，使表面無(wú)明顯鼓泡和浮銹，鋼結(jié)構(gòu)表面光潔度達(dá)到要求。第二步，將防蝕膏填滿鋼樁表面的坑凹和縫隙處，使防蝕膏均勻平整地在鋼結(jié)構(gòu)表面形成完整的一層保護(hù)膜。第三步，在涂抹防蝕膏后的鋼結(jié)構(gòu)立即纏繞防蝕帶，避免防蝕膏被浪濺區(qū)海水沖刷掉。第四步，在包裹防蝕帶后的鋼結(jié)構(gòu)表面安裝防護(hù)罩，防護(hù)罩由底向上安裝。第五步，防護(hù)罩兩端及縫隙采用水中固化環(huán)氧樹(shù)脂密封，完成安裝。此技術(shù)主要用于海洋浪濺區(qū)圓形鋼結(jié)構(gòu)面層防腐。

1.2" 碳纖維布浸膠貼覆措施

碳纖維布浸膠貼覆措施[3]（圖2）是通過(guò)碳纖維布浸泡濕固化樹(shù)脂，貼覆于破損混凝土表面，可以進(jìn)行多層粘貼。第一步，該措施對(duì)混凝土表面風(fēng)化疏松層、浮漿層、碳化銹裂及重油污層進(jìn)行打磨處理，使混凝土表面露出堅(jiān)實(shí)平整的基層表面。第二步，將混凝土表面凹陷部位用修補(bǔ)膠找平處理。第三步，將配置好并攪拌均勻的碳纖維浸漬膠均勻涂刷在結(jié)構(gòu)接觸層表面并貼碳纖維布，同時(shí)用滾筒沿纖維方向來(lái)回滾壓擠除氣泡使其平整，使浸漬膠充分浸透碳纖維布;若多層粘貼，待手指觸感干燥后進(jìn)行下層粘貼。第四步，在碳纖維布表面做好保護(hù)層，使碳纖維材料完全固化。該保護(hù)措施主要用于浪濺區(qū)，施工時(shí)需在低水位時(shí)進(jìn)行施工。

1.3" 水下環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料措施

水下環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料措施[4]（圖3）是通過(guò)玻纖套筒在樁基周?chē)纬赡＞?，再澆筑水下環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料，主要用于修復(fù)樁基腐蝕和沖刷病害。第一步，將接觸的環(huán)氧灌漿料澆筑混凝土表面，需鑿除其表層浮漿并露出堅(jiān)實(shí)基層，保證灌漿面清潔、干燥、無(wú)油脂。第二步，根據(jù)橋墩尺寸大小制備圓形玻纖套筒。第三步，將玻纖套筒運(yùn)輸至橋墩處，將玻纖套筒安裝于需修復(fù)的橋墩處，采用綁帶或鋼帶對(duì)套筒進(jìn)行固定。第四步，將環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料澆筑于玻纖套筒形成的模具中，對(duì)橋墩進(jìn)行加固完成。灌漿結(jié)束后，敲擊玻纖套筒：發(fā)出叮叮聲表明灌漿層密實(shí)，發(fā)出咚咚聲表明灌漿層空鼓。該保護(hù)措施多數(shù)用于淺水區(qū)圓形結(jié)構(gòu)，不適用于矩形結(jié)構(gòu)，同時(shí)該措施對(duì)船舶碰撞無(wú)緩沖作用。

1.4" 水下濕固化防腐涂料措施

水下濕固化防腐涂料措施[5]（圖4）是通過(guò)刷涂高分子陶瓷聚合物或者水下濕固化防腐涂料輥涂于混凝土表面，對(duì)橋墩表面進(jìn)行修復(fù)，該涂料能在水下固化。該措施對(duì)原橋混凝土表面處理要求較高，同時(shí)需要潛水施工，對(duì)施工人員要求較高。

2" 2種新型橋墩修復(fù)結(jié)構(gòu)

2.1" 鋁合金結(jié)構(gòu)

鋁合金的突出特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高。防銹鋁合金鋁中加入錳、鎂、硅形成的鋁-錳、鋁-鎂、鋁-硅合金具有很好的耐蝕性、良好的塑性和較高的強(qiáng)度。高強(qiáng)度硬鋁強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而密度比普通硬鋁減小15%，且能擠壓成型。高強(qiáng)度鋁合金具有抗海水侵蝕等特點(diǎn)，同時(shí)成型結(jié)構(gòu)具有緩沖吸能作用。由鋁合金擠壓成型的結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩具有很好的保護(hù)作用，同時(shí)能夠提升一定防撞能力。

鋁合金結(jié)構(gòu)之間通過(guò)插銷(xiāo)連接，通過(guò)吸盤(pán)或者其他方式固定于橋墩表面，鋁合金材料形成模具，底部采用防水材料進(jìn)行密封，內(nèi)層澆筑高強(qiáng)混凝土。該防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，連接方式簡(jiǎn)單、易更換。結(jié)構(gòu)示意圖如圖5、圖6所示。

2.2" 蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

蜂窩型復(fù)合材料由基體樹(shù)脂、玻璃纖維布、添加劑等構(gòu)成。密度只有碳鋼的1/4～1/5，拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過(guò)碳素鋼。蜂窩型復(fù)合材料具有良好的耐腐性能，對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽都有較好的抵抗能力。蜂窩型復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性較好，可根據(jù)需要，靈活地設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，來(lái)滿足使用要求，可以使產(chǎn)品有很好的整體性，同時(shí)可以充分選擇材料來(lái)滿足產(chǎn)品的性能。

蜂窩型復(fù)合材料之間通過(guò)插銷(xiāo)或卡扣連接，通過(guò)吸盤(pán)或者其他方式固定于橋墩表面，蜂窩型復(fù)合材料形成模具，底部采用防水材料進(jìn)行密封，內(nèi)層澆筑高強(qiáng)混凝土。該防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，連接方式簡(jiǎn)單、易更換，可加工性強(qiáng)，整體耐久性較好。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7和圖8所示。

3" 2種新型橋墩修復(fù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

3.1" 鋁合金結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算該鋁合金典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為3.29 J/cm3，同時(shí)采用微機(jī)控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限平壓實(shí)驗(yàn)，得到最大壓力為174.39 kN。如圖9—圖11所示。

3.2" 蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算該蜂窩型復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為4.85 J/cm3，極限承載力為6.25 MPa。如圖12和圖13所示。

4" 2種新型橋墩修復(fù)結(jié)構(gòu)工藝研究

4.1" 蜂窩型復(fù)合材料制作——真空導(dǎo)入工藝

本結(jié)構(gòu)制作方式采用真空導(dǎo)入工藝[6]成型，具體工藝流程如下。

1）模具清潔和準(zhǔn)備。清理模具上殘留的雜物或灰塵，嚴(yán)禁出現(xiàn)模具有污染的現(xiàn)象。在清理干凈的模具表面均勻涂敷高效脫模劑。脫模劑干后在模具四周粘貼密封膠帶。

2）鋪層。按照設(shè)計(jì)的鋪層把已裁剪好的每一塊鋼絲網(wǎng)與織物在模具上依次進(jìn)行鋪層，采取搭接的方式，搭接寬度不大于20 cm。與模具應(yīng)完全貼合，避免出現(xiàn)沒(méi)有鋪設(shè)而鼓起的現(xiàn)象。在拐角處鋪層時(shí)可用剪刀進(jìn)行剪開(kāi)保證貼合。將鋼絲網(wǎng)與織物按照不同比例，鋪設(shè)在織物之間。

3）脫模布導(dǎo)流網(wǎng)鋪設(shè)。鋼絲網(wǎng)與織物鋪設(shè)完后需要將全部產(chǎn)品區(qū)域依次鋪設(shè)一層脫模布一層導(dǎo)流網(wǎng)，鋪設(shè)時(shí)使用3M噴膠將脫模布粘貼到織物上。

4）流道鋪設(shè)。抽氣通道的鋪設(shè)：將螺旋管放置于模具的四周，放置過(guò)程中用噴膠固定脫模布，防止導(dǎo)流管移動(dòng);在螺旋管適當(dāng)位置架設(shè)三通，便于抽氣管與螺旋管連接。樹(shù)脂流道的鋪設(shè)：要求單管放置，每隔一定間距放一根并用真空膠帶固定，防止移動(dòng)。

5）真空袋薄膜封裝。將薄膜放置于模具一端向另一端放開(kāi)，然后把密封膠條上的紙撕開(kāi)把薄膜粘貼在模具上，在拐角及加強(qiáng)筋處需要打褶密封。

6）抽真空和漏氣檢查。將模具周?chē)某闅饪谟肞VC管連接到樹(shù)脂收集器上。打開(kāi)真空泵，當(dāng)真空表讀數(shù)達(dá)到規(guī)定值時(shí)關(guān)閉樹(shù)脂收集器上的開(kāi)關(guān)。在5 min內(nèi)查看真空度是否一直保持穩(wěn)定，5 min內(nèi)真空度下降不能大于0.01 MPa，否則使用真空檢漏儀檢查漏氣位置，用密封膠條進(jìn)行密封，直至達(dá)到要求。

7）樹(shù)脂導(dǎo)入。將注膠管的一端插入已經(jīng)配兌好的樹(shù)脂中，在負(fù)壓作用下將樹(shù)脂抽入模腔，注意觀察樹(shù)脂導(dǎo)入情況，實(shí)時(shí)根據(jù)實(shí)際走膠情況進(jìn)行注膠點(diǎn)的改換。

8）固化及產(chǎn)品脫模。放熱峰3 h后，分別在轉(zhuǎn)角、邊緣、底部等幾個(gè)位置用手按壓產(chǎn)品表面，如按壓不動(dòng)，則可采用巴氏硬度計(jì)測(cè)量產(chǎn)品表面硬度，硬度值在45 HBa以上則可以脫模。

9）產(chǎn)品外觀檢驗(yàn)。檢查脫模后產(chǎn)品外觀質(zhì)量，對(duì)不平處進(jìn)行打磨處理，對(duì)表面有缺陷的進(jìn)行修補(bǔ)處理。

4.2" 鋁合金結(jié)構(gòu)-擠壓成型工藝

鋁合金型材生產(chǎn)包括熔鑄、擠壓和氧化3個(gè)過(guò)程。

1）熔鑄是鋁材生產(chǎn)的首道工序。主要過(guò)程為配料：根據(jù)需要生產(chǎn)的具體合金牌號(hào)，計(jì)算出各種合金成分的添加量，合理搭配各種原材料。熔煉：將配好的原材料按工藝要求加入熔煉爐內(nèi)熔化，并通過(guò)除氣、除渣精煉手段將熔體內(nèi)的雜渣、氣體有效除去。鑄造：熔煉好的鋁液在一定的鑄造工藝條件下，通過(guò)深井鑄造系統(tǒng)，冷卻鑄造成各種規(guī)格的圓鑄棒。

2）擠壓：擠壓是型材成形的手段。先根據(jù)型材產(chǎn)品斷面設(shè)計(jì)制造出模具，利用擠壓機(jī)將加熱好的圓鑄棒從模具中擠出成形。在擠壓時(shí)用一個(gè)風(fēng)冷淬火過(guò)程及其后的人工時(shí)效過(guò)程，以完成熱處理強(qiáng)化。不同牌號(hào)的可熱處理強(qiáng)化合金，其熱處理制度不同。

3）氧化：擠壓好的鋁合金型材，其表面可通過(guò)陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面處理以增加鋁材的抗蝕性、耐磨性及外表的美觀度。

4.3" 2種結(jié)構(gòu)材料施工工藝

本文2種結(jié)構(gòu)在水中橋墩施工時(shí)可配合工裝進(jìn)行施工，該工裝能在水下附著于橋墩表面，工裝通過(guò)伸出支撐腳進(jìn)行支撐，形成一個(gè)工作空間，將工裝腔內(nèi)的水抽出形成一個(gè)干燥環(huán)境，人從工裝上方進(jìn)入，解決現(xiàn)階段的施工需要潛水員在水下施工，解決水下表面處理等問(wèn)題，可用于矩形橋墩或者圓形樁基表面，主要解決受水位影響的兩棲和沿海橋墩水下施工困難的問(wèn)題，縮短施工工期，節(jié)約施工成本。通過(guò)本工裝可避免在水下施工，不受水位影響。

其施工工藝示意圖如圖14所示，具體工藝流程如下：①浮運(yùn)工裝及2種結(jié)構(gòu)材料至橋墩處;②將2個(gè)“U”形工裝連接于橋墩四周;③緩慢下沉工裝設(shè)備至水下一定深度;④工裝底部支撐腿支撐于橋墩承臺(tái)處;⑤工裝緊附于橋墩表面密封工裝與橋墩表面接觸處;⑥抽干內(nèi)腔海水，清洗打磨橋墩表面;⑦防護(hù)裝備拼接成模板，內(nèi)部通過(guò)吸盤(pán)固定于橋墩表面，外層模板再采用抱箍固定;⑧防護(hù)裝備底部密封;⑨澆筑UHPC混凝土;⑩撤除工裝，移至下一橋墩。

5" 結(jié)論

本文提出了2種解決矩形橋墩墩身混凝土病害修復(fù)及小船舶碰撞橋墩破壞表面風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)：鋁合金結(jié)構(gòu)與蜂窩型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)可在橋墩周?chē)纬梢欢◤?qiáng)度的模具，內(nèi)層澆筑高強(qiáng)混凝土對(duì)橋墩進(jìn)行修復(fù)，外層結(jié)構(gòu)具有一定緩沖消能作用，且材料耐腐蝕性較好，適用于多種環(huán)境。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到2種典型結(jié)構(gòu)的單位體積耗能，主要結(jié)論如下：

1）鋁合金典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為3.29 J/cm3，同時(shí)采用微機(jī)控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限平壓實(shí)驗(yàn)，得到最大壓力為174.39 kN。

2）蜂窩型復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)單位體積耗能為4.85 J/cm3，極限承載力為6.25 MPa。

3）通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)2種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想是合理可行的。

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第一作者簡(jiǎn)介：文江福（1992-），男，工程師。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料研發(fā)。