碳纤维在铁路跨线桥上的应用

王 莹，卢宁宁，马友成

（1.安徽省宣广高速公路有限责任公司，安徽 宣城 242000；2.北京新桥技术发展有限公司，北京 100101）

碳纤维在铁路跨线桥上的应用

王 莹1，卢宁宁2，马友成2

（1.安徽省宣广高速公路有限责任公司，安徽 宣城 242000；2.北京新桥技术发展有限公司，北京 100101）

文章结合宣广高速公路铁路跨线桥梁加固工程实例，介绍了碳纤维加固的特点和加固机理，通过桥梁结构分析软件“桥梁博士”对粘贴碳纤维布加固处理梁底的前后效果进行验算，证实了碳纤维加固有效提高了桥梁的承载能力，保证了该铁路跨线桥梁在高速公路和铁路线路上双重的安全需要。

铁路跨线桥；桥梁加固；碳纤维布；验算

近年来，由于高速公路和铁路里程均在迅猛增加，高速公路和铁路在空间上的交叉产物——铁路跨线桥的安全性能和有效的使用期限变得尤为重要。这类铁路跨线桥既要受到列车动力增大以及各种环境因素的作用和影响，还要受到高速公路本身日益繁重的车辆荷载，这类铁路跨线桥梁在使用期内极容易产生一系列病害，如混凝土材料的劣化、梁底纵向开裂、钢筋锈蚀等病害。同时，随着时间的推移，桥梁将步入老化期，这些因素对桥梁结构的安全性、适用性及耐久性产生了较大的影响。当这类跨线桥梁出现问题时，如不同程度地造成桥梁承载潜力降低，将会对高速公路和铁路线路运营产生双重的影响。因此对于这些桥梁来说，及时进行维修加固是非常重要的。碳纤维加固就是一种理想的桥梁加固技术，在桥梁加固中应用比较成熟。下面笔者将结合宣广高速公路宣航铁路跨线桥加固工程实例探讨碳纤维在铁路跨线桥梁加固中的应用。

1 碳纤维加固技术

1.1 碳纤维加固的特点

碳纤维布加固是将碳纤维片材用专用的树脂类粘结胶粘贴在待加固混凝土构件的表面，使碳纤维布、树脂胶、钢筋砼有机地组合成一个完整结构，通过其与结构或构件共同工作，充分发挥碳纤维的高强度及对砼变形的约束作用，达到对结构构件补强加固、改善结构或构件受力性能的目的。由于碳纤维有以上所述的特点以及施工简单、加固工程结束后养护方便的特点，使其成为一种很有优势的结构加固补强材料。

1.2 碳纤维加固结构机理

碳纤维布沿纤维方向具有很高的强度，它是一种正交异性材料，在单向加固情况下，通常沿加固混凝土梁体的纵向布置碳纤维布的主拉应力方向，这就与受力钢筋方向一致，碳纤维布粘贴在梁底受拉区，其作用与受拉钢筋作用相当。碳纤维布和混凝土固构件通过粘结层传递剪应力和粘结正应力，以达到共同工作的目的，黏贴碳纤维布对提高桥梁承载力是有一定效果的。

2 碳纤维加固铁路跨线桥梁实例

2.1 工程实例

宣杭铁路桥跨线桥（桩号K277+959）是宣广高速公路上一座中桥，下穿铁路宣杭线（K3+100），桥梁全长50.04 m，桥面全宽26 m，车行道宽15 m。上部结构形式为（13+20+13）m，20 m跨上部结构每孔采用10片预应力空心板梁，预制吊装施工。下部结构型式为钻孔灌注桩柱式桥墩、重力式桥台；桥面铺装为沥青混凝土结构。通过桥梁定期检查发现该桥梁梁底部有6条长度超过3m的纵向裂缝，裂缝部位冒白浆和滴水，存在安全隐患。

2.2 加固方案

针对宣杭铁路跨线桥的特点，出现纵向裂缝，并发现横向裂缝，可以认为在一定程度上预应力钢筋作用已经丧失，强度也在逐步丧失。贯通性纵向裂缝影响钢筋的截面面积，因此，粘贴碳纤维布较强的抗拉强度能够有效地弥补钢筋受拉作用，并起到封闭裂缝的作用。考虑到粘贴碳纤维材料相比其他施工技术措施更加容易实现，宣杭铁路桥采用全桥梁底粘贴碳纤维布加固处理。

（1）全桥所有裂缝对宽度大于0.15 mm的裂缝进行压力灌注法，宽度小于0.15 mm的裂缝采用表面封闭法。

（2）采用环氧砂浆对全桥钢筋外漏、蜂窝、麻面和混凝土剥落进行修补，钢筋外露修补前应进行除锈处理。

（3）宣杭铁路跨线桥采用全桥梁底粘贴二层碳纤维布加固处理。

2.3 施工工艺

加固施工工艺流程为：基层处理—涂底层涂料—修正找平—黏贴碳纤维布—结构表面防护处理。

3 加固效果的验算

文章的验算采用上海同豪公司开发的桥梁结构分析软件“桥梁博士”对原桥梁结构进行分析计算。将结构离散为平面梁单元杆系，并对承载能力极限状态下的正截面抗弯承载能力进行验算。该桥20 m跨上部结构每孔采用10片预应力空心板梁，1～10

号梁的编号方向为从外侧主梁到内侧主梁。按铰接板法利用桥梁博士V3.03软件程序计算的各片空心板梁的横向分布系数，计算结果可以看出，10号梁受力较为不利，故以下恒载及活载内力计算时，仅考虑10号梁。

3.1 黏贴碳纤维布前桥梁验算

3.1.1 结构离散与边界条件

图1 结构三维模型示意图

图2 结构有限元模型离散图

全桥共划分为27个单元，28个节点。其中，2号节点约束沿桥纵向和竖向位移，27号节点约束竖向位移。

3.1.2 验算结果

根据《公路桥涵设计通用规范》进行荷载内力组合，桥梁博士可自行考虑。图3给出的是承载能力组合I弯矩图，图4为单元承载能力极限组合最大抗力及对应内力图。

图3 承载能力组合I弯矩图

图4 单元承载能力极限组合最大抗力及对应内力图

宣杭铁路桥的内力计算结果见表1。

表1 宣杭铁路桥内力验算结果

基于以上分析可得，在公路I级作用下，主梁正截面抗弯承载能力不满足规范要求。因此，需要对结构进行加固补强以提高其承载能力。

3.2 黏贴碳纤维布加固后验算

3.2.1 加固方案

主梁梁底粘贴碳纤维布进行加固。

3.2.2 验算结果

（1）承载能力极限状态正截面强度验算。图5中红、黑分别代表最大弯矩对应抗力及最大弯矩。

图5 最大抗力及抗力对应内力图

图6中红、黑分别代表最小弯矩对应抗力及最小弯矩。

图6 最小抗力及抗力对应内力图

根据上述原则，宣杭铁路桥的内力计算结果见表2。

表2 宣杭铁路桥内力验算结果

（2）斜截面抗弯承载力验算。根据宣杭铁路跨线桥检测报告裂缝位置分析，抗剪承载力满足要求，可不必进行斜截面加固。

（3）正常使用极限状态挠度验算。预应力混凝土受弯构件的长期挠度值，在消除结构自重产生的长期挠度后，梁式桥主梁的最大挠度处不应超过计算跨径的1/600。

图7 正常使用极限状态挠度值验算图

表3 正常使用极限状态挠度值验算表 /mm

（4）正常使用极限状态抗裂验算。

表4 正常使用极限状态抗裂验算表 /mm

4 结论

通过对加固前后桥梁承载力验算结果分析，可以得到以下结论：

（1）用碳纤维加固结构技术对桥梁进行加固，操作简便，工程周期较短。施工主要考虑到既有铁路通行问题，本工程在与铁路部门沟通协调报地区铁路局审批后采用每天封锁2 h的方式进行施工，本工程完成后，经检查与验收发现碳纤维与混凝土黏结良好，达到了预期效果，保证了重车安全过桥。

（2）宣杭铁路跨线桥在采取底板粘贴碳纤维布抗弯加固后，结构正截面抗弯强度和斜截面抗剪强度均满足公路I级荷载标准要求。

（3）针对宣杭铁路跨线桥的特点，如出现纵向裂缝，并发现横向裂缝时，可以认为在一定程度上预应力钢筋作用已经丧失，强度也在逐步丧失。贯通性纵向裂缝影响钢筋的截面面积，因此，粘贴碳纤维布较强的抗拉强度能够有效地弥补钢筋受拉作用，并起到封闭裂缝的作用。

（4）碳纤维材料耐腐蚀性强，可以应用于特殊环境下构筑物的加固。

[1] 碳纤维布在桥梁加固处理中的应用[J].公路与汽运，2009（6）.

[2] 公路桥梁加固设计规范，JTG/T J22-2008.人民交通出版社，2008：38-48.

[3] 桥梁病害诊断与改造加固设计[M].北京：人民交通出版社，2006：193-196.

The Application of Carbon Fiber Sheet in Bridges Overpassing the Railway

Wang ying，Lu ningning，Ma youcheng

Combining with the example of bridges’reinforcement overpassing the railway in xuanguang highway，this article introduces Characteristics and mechanism of carbon fiber sheet reinforcement，contrasts and verifies the two results of using the carbon fiber sheet in bridges or not by the appliaction software of“bridge’docter”，and Confirms that the carbon fiber reinforcement to effectively improve the carrying capacity of the bridge.this application ensures that bridges overpassing the railway on the highway and railway lines on the double security needs

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TV532.61

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1000-8136(2011)08-0001-02