碳纤维棒在桥梁加固中的应用★

刘 恒 孙 强 曹晓斌

(1.湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院，湖南 衡阳 421002； 2.中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

桥梁结构物在长期运营过程中受到多种因素的影响，不可避免地会产生某些损伤，这就会影响到桥梁结构的正常使用功能，甚至会引起安全事故或缩短结构寿命。随着国民经济的发展，交通流量不断增加，交通荷载不断增大，桥梁损伤越来越严重。因此，对损害严重的桥梁进行加固，使其处于良好的工作状态，延长其使用年限显得尤为重要。

针对桥梁上部结构损伤进行加固的常用方法有增大截面法、粘贴钢板法、施工体外预应力法、改变结构体系法、粘贴碳纤维材料法等。相对于其他传统材料，碳纤维材料具有质量轻、强度高、体积小、耐腐蚀的优点。因此，碳纤维材料在旧桥加固当中的研究和应用越来越多。目前，对使用碳纤维布加固的研究比较多，而对于应用碳纤维棒加固比较少。

1 工程概况及桥梁病害

某大桥地处湖南省境内某省道上，于1992年建成通车，桥梁全长578 m。主桥为45 m+6×46 m+62 m+45 m单箱单室预应力混凝土等截面连续箱梁，采用顶推法施工，南岸与北岸引桥分别为6×16 m和3×16 m钢筋混凝土简支空心板，下部结构采用桩柱式墩台基础。车道布置为双向两车道，设计荷载等级为公路—Ⅱ级。桥梁现场照片见图1。

该桥建设期由于缺少资金、质量监管不到位，工艺粗糙，混凝土表面蜂窝麻面、剥落、露筋较多。同时该桥也是当地矿产资源运输的主要通道，经过二十几年的运营后，混凝土表面裂缝、钢筋锈胀严重，桥面及桥面人行道、栏杆破损严重。经桥梁承载能力和安全性检查评估检测发现，该桥引桥简支空心板存在较多的病害，需进行维修处治，主要病害如下：

1)上部结构主要承重构件混凝土存在多处裂缝、表面麻面、剥落、露筋和钢筋锈蚀；

2)采用有限元软件Midas/Civil对桥梁主梁的承载能力进行检算，检算结论为：空心板结构安全储备已不足。

2 碳纤维棒加固设计

本桥位于省道上跨越湘江，交通量较大，最近的过江通道距该桥约25 km，大型车辆需绕行将近100 km。主桥跨越湘江，引桥下方为当地小城镇道路和农贸市场。经方案比选，对引桥空心板采用粘贴碳纤维棒加固法提高其承载能力。

2.1 加固材料

本次加固所用碳纤维棒的直径为6 mm，经取样检测，碳纤维棒实测技术指标见表1。

表1 碳纤维棒实测技术指标

聚合物砂浆实测技术指标见表2。

表2 聚合物砂浆实测技术指标

2.2 加固原理

利用空间有限元计算软件Midas Civil中的梁格法建立结构有限元计算模型，对该桥进行结构分析。计算模型中主梁采用梁单元模，支座用边界条件模拟。全桥共离散为128个单元，136个节点。

经计算分析，加固设计方案采用在空心板梁底跨中15 m范围沿纵向布置直径6 mm的碳纤维棒，间距60 mm。采用20 mm宽、1 mm厚不锈钢压条锚固碳纤维棒，钢板用螺栓固定。压条方向沿空心板横向布置，间距1 m，螺栓间距12 cm。碳纤维棒安装示意图见图2。

3 碳纤维棒加固施工

3.1 碳纤维棒加固工艺流程

1)原构件混凝土表面处理：混凝土表面采用混凝土角磨机、凿子等工具，清除表面的浮浆、油污等杂质，并对混凝土构件加固部位表面进行凿毛处理；

2)孔洞缺损部位修补：加固部位表面如有较多孔洞或掉角，先处理干净缺损面，涂抹表面强化剂，再采用高强聚合物砂浆修补找平，保持混凝土表面的平整度；

3)涂抹界面剂：混凝土表面干燥后，用刷子或喷涂机对混凝土表面喷涂1遍～2遍界面剂，以增强原结构混凝土表面的密实性，提高与聚合物砂浆的粘结力；

4)安装锚具及纤维棒：利用锚具固定纤维棒，纤维棒应紧贴加固面；压条及螺栓均应采用不锈钢材料；

5)涂抹高强聚合物砂浆：纤维棒安装完成后，在表面涂抹聚合物砂浆，砂浆厚度应不小于20 mm，然后抹平表面，确保表面的平整与美观，施工温度保持在常温；

我们沿着街道漫无目的地走，晚风拂来，已经不会再挟裹着榕树的味道，头顶上繁多的节能路灯将人影子照成十字形，以前，昏暗无力的灯泡总会把影子拖拽得很长很长。

6)养护及保养：涂抹聚合物砂浆后，盖上养护布进行湿润养护；若条件不允许，可使用液体喷涂机、刷子或滚筒在表面涂抹液体成膜养护剂进行湿润养护，常温下养护，时间为3 d，根据天气及气温情况，可增减养护时间。

3.2 施工质量控制

1)被加固构件处理。

根据原构件混凝土表面情况，在加固前采取以下措施进行预处理：

a.针对混凝土表面病害现象，应及时修复处理；b.清除混凝土表面的浮浆、油污等杂质，保证构件表面平整和干燥。

2)断裂钢筋焊接恢复与薄弱部分处理。

对钢筋断裂或表面缺损的部分采用焊接加固处理，单面搭接焊缝长度应不小于10d，焊缝宽度应不小于0.8d，焊缝饱满密实，不得烧伤主筋，如钢筋表面生锈应做除锈处理。

碳纤维棒安装采用开槽植筋的方法进行，具体施工步骤如下：

a.在原横隔板上采用绞锚机混凝土按图纸要求进行切缝，切缝的深度宽度1 cm×1 cm，切缝必须平顺，深度必须满足；b.高压水清洗裂缝，并采用气泵进行吹干后，用植筋胶填满，将碳纤维棒按入预留缝内，并将多余的植筋胶进行刮除抹平；植筋胶质量必须满足图纸要求。

4)混凝土孔洞、掉角修补。

混凝土出现孔洞、掉角等现象，应采用先清理好混凝土表面，再用高强聚合物砂浆进行修补，并保证加固后混凝土表面的平整度。

其他施工注意内容遵照产品特殊说明规定。

4 加固效果分析

本桥加固完成以后，进行了荷载试验。按公路—Ⅱ级设计，荷载试验效率系数在0.95～1.05之间。引桥空心板荷载试验结果如下：

1)各荷载工况下的挠度和应变实测值与理论值变化规律基本一致，实际状况较好。

2)在各试验工况试验荷载作用下，各测点校验系数在0.4～0.8之间，说明加固后的引桥工作状况良好，具有足够的安全储备。

3)撤除试验荷载后，各测点残余变形和残余应变均小于20%，说明引桥基本处于弹性工作状态，结构受力合理。

4)动载试验中实测自振频率10.0 Hz，大于理论计算值7.26 Hz，说明引桥的刚度大，汽车在行驶时，结构动力性能满足设计及规范要求。跳车实测阻尼比1.654%，说明其具备一定的能量耗散性。

5)在试验荷载作用下，引桥结构未出现裂缝，结合面未出现开裂滑移现象，表明桥梁抗裂性能较好，结构承载能力满足正常使用要求。

5 结语

本文针对简支空心板承载能力不足的情况采用碳纤维棒进行加固。经理论分析提出了具体设计方案，并参照相关规范和以往工程经验提出了施工方案。加固完成以后进行了荷载试验，经检测验证了该方法的可行性，为以后相关的桥梁加固研究提供借鉴和参考。