桥梁裂缝碳纤维加固与效果评定

杨海红

（山西交通控股集团有限公司 运城南高速公路分公司，山西 运城 044000）

0 引言

由于交通量不断增长，车辆载重量增加，公路桥梁在运营使用过程中出现了不同程度的开裂现象。桥梁结构开裂维修不及时，雨水渗入桥梁内部会进一步造成混凝土侵蚀和钢筋锈蚀破坏，降低桥梁结构的强度和刚度，甚至影响行车安全。采取有效的措施对桥梁裂缝进行修补加固，提高桥梁结构的稳定性，延长使用寿命，提高行车舒适性和安全性[1]。结合风陵渡黄河公路特大桥养护维修实践，根据桥梁病害调查结果，制定养护措施对桥梁裂缝、露筋、钢筋锈蚀、接缝破坏等病害进行维修加固。为提高桥梁梁体抗拉强度，在箱梁底部满贴碳纤维布进行加固。通过分析碳纤维加固原理，在桥梁加固前后开展静载试验，收集试验数据对比分析桥梁挠度、静载应变等指标的变化情况，作为评定加固效果的主要依据。

1 碳纤维加固原理

碳纤维材料是一种新型建筑材料，可用于加固桥梁钢筋混凝土结构。钢筋与混凝土材料结合效果较好，在外力作用下共同受力产生变形，且二者变形具有相同的协调性。钢筋遇到酸性物质会产生腐蚀破坏，而混凝土中没有酸性物质，还可以对钢筋起到保护作用。钢筋的弹性模量和抗拉强度较混凝土好，一般为混凝土的5.56～6.67倍。另外，混凝土和钢筋的温度线性膨胀系数相差不大，在外界温度变化时不会再产生附加的温度应力。

在混凝土结构表面涂抹一层树脂，粘贴碳纤维布，随着树脂逐步渗入混凝土结构内部使碳纤维布与混凝土结合为一个整体，有效提高了钢筋混凝土结构的强度，对桥梁结构起到加固作用[2]。与钢筋类似，碳纤维具有较高的强度和弹性模量，可有效弥补由于混凝土内部钢筋抗拉强度不足造成的结构缺陷。

碳纤维材料受热后变形量较小，比钢筋和混凝土的变形量小很多，在外界温度变化较大时，碳纤维材料所产生的温度应力较小，对混凝土结构影响很小。在桥梁结构受拉部位粘贴碳纤维，树脂固化后与桥梁结构成为一个整体，与混凝土结构共同受力，可有效提高桥梁结构的抗拉强度[3]。碳纤维片虽然质量很轻，但是可以承受较大的荷载，从而降低钢筋的应力，对桥梁起到加固作用。但是所选用的碳纤维材料强度也不能过高，也要考虑与桥梁混凝土强度的匹配性，强度过高不能充分发挥碳纤维材料张力。另外，碳纤维的组成材料为碳原子，质地坚硬，耐化学腐蚀，抗高温，摊铺沥青混合料也不会影响其性能[4]。总之，碳纤维材料可以对桥梁结构起到补强作用，和钢筋具有较好的相容性，可与钢筋混凝土结构形成一个整体，不仅可以有效提高桥梁结构的承载力和耐久性，还可提高混凝土结构的抗拉强度，有效抑制裂缝，对桥梁结构起到加固作用。

2 桥梁基本状况调查

2.1 依托桥梁简介

风陵渡黄河公路特大桥全长1 409.64 m，由主孔桥和边孔桥组成。主桥长972 m，跨径组成为（87+7×114+87）m，边孔桥长435 m，跨径组成为5×87 m，主桥上部结构采用三向预应力混凝土变截面连续箱梁，下部结构采用空心薄壁墩，基础钻孔灌注桩基础。桥面净高8 m，净宽44 m。特大桥1994年末建成通车，运营以来经过多次维修加固，先后对梁端的腹板内侧梁段施作混凝土进行补强，裂缝处理，体内预应力，采用钢箱拱主提高边跨刚度。在桥梁运营使用过程中，对桥面、桥梁上部结构和下部结构开展调查，发现桥面出现多处横向裂缝、纵向接缝，局部出现车辙、沉陷等病害，桥梁接缝破损，桥墩露筋等病害。其中桥梁结构开裂较严重，需要对桥梁结构进行补强加固。

2.2 桥梁病害调查

经过多年运营通车，在车辆荷载和自然因素的综合作用下，桥梁结构产生了很多病害。通过现场调查、检测，对桥面、上部结构、下部结构破损情况进行调查，桥梁结构病害以裂缝为主，各部位病害统计如下：

a）桥面系 桥面铺装层多处出现横向裂缝和纵向裂缝，局部分布有块状裂缝，个别位置出现车辙、凹陷。

b）桥梁上部结构病害主要包括箱梁接缝破损累积5处、箱梁底板露筋累积1.35 m2、接缝渗水泛白累积长度14 m、箱梁跨中混凝土脱落累积0.55 m2。

c）桥梁下部结构病害包括盖梁掉块露筋累积1.05 m2，桥墩挡块风化破损3处。

另外，桥梁主梁和盖梁部分泄水管破损缺失，局部箱梁梁体由于雨水侵蚀造成破坏，个别钢筋混凝土构件钢筋锈蚀，梁体上部分布有大量裂缝。

2.3 桥梁裂缝成因分析

桥面铺装层分布有大量纵向裂缝和横向裂缝，部分纵向裂缝为贯通缝。结合对桥梁日常运营情况的调查，分析桥梁裂缝的成因主要包括以下几个方面：

a）车辆荷载作用造成梁体接缝位置破坏，在接缝位置产生开裂破坏。由于接缝开裂后没有进行及时修补，雨水渗入桥梁结构内部，造成桥梁结构的进一步开裂破坏。

b）桥梁固有频率与部分车辆振动所产生的频率相近，引起类似桥车共振，对桥梁结构产生破坏。

c）桥梁纵向裂缝产生后，降低了桥梁结构的抗压能力，在车辆荷载作用下加速了横向裂缝的产生。

桥梁混凝土结构开裂会加快混凝土中性化速度，降低混凝土对钢筋的保护作用，雨水渗入造成钢筋锈蚀。另外，桥面浅层裂缝如果没有进行及时养护，会造成裂缝进一步发展破坏，甚至产生贯穿裂缝。接缝破坏会大大降低梁体连接强度，使桥梁出现纵向裂缝，加快梁体结构腐蚀破坏，直接影响桥梁结构的稳定性和行车安全。因此，裂缝的出现会降低强度和耐久性，使桥梁主体结构产生变形破坏，必须采取措施进行维修加固。

3 桥梁维修加固方案

结合对风陵渡黄河公路特大桥的病害调查情况，制定加固方案，对桥面和箱梁上部的裂缝进行加固。调查中发现部分桥梁接缝已经出现了破坏，进而导致产生纵向贯通裂缝。为了保证桥梁结构安全，拆除桥面铺装，在桥面结构中植筋，并重新布设钢筋网，浇筑C40钢纤维混凝土，最后再摊铺一层3～4 cm细粒沥青混凝土磨耗层。

结合桥梁预防性养护实践，桥梁各跨箱梁每年都会出现一些0.15 mm以上的裂缝，且裂缝有不断发展的趋势。对新出现的裂缝，通常采用灌缝、封缝等养护方式进行修补，但每年都会有新出现的裂缝或原裂缝破损，分析是由于梁体抗拉强度和弹性模量不足造成的。为了提高桥梁箱梁的使用寿命，进而提高桥梁的整体承载力，在箱梁底部满贴碳纤维布进行加固处理。

4 桥梁加固前后静载试验分析

4.1 静载试验方案

为了验证桥梁结构碳纤维加固效果，分别在桥梁加固前后开展静载试验，并对试验结果进行对比分析，确定加固效果。桥梁主梁跨中截面纵向应变采用GBY-125型应变式传感器进行检测，主桥跨中截面共设置16个应变传感器，传感器布置如图1所示。主梁挠度检测采用精密水准仪，在主梁跨中截面底部设置测点。

图1 应变传感器布置图

桥梁静力荷载试验选用2辆重量为350 kN的载重汽车，前轴、中轴和后轴平均轴重分别为70 kN、140 kN、140 kN。加固前后静载试验分别采用两个荷载试验工况进行加载，其中工况1和工况6为跨中对称加载，工况2和工况7为跨中偏载加载。

4.2 桥梁挠度试验结果分析

在试验荷载的作用下，对不同工况下桥梁各试验测点的挠度和沉降值进行监测，并收集数据进行对比分析。支点沉降量会直接影响桥梁跨中截面挠度，在计算跨中截面挠度时，应扣除支点沉降值，计算公式如式（1）：

式中：fs为跨中截面实际挠度值；fz为跨中截面测点挠度观测值；fa为梁左侧支点沉降观测值；fb为梁右侧支点沉降观测值。

桥梁裂缝箱梁采用碳纤维加固处理后，在不同工况下，跨中截面各测点挠度实测值和理论值如表1和表2所示，加载工况同上。

表1 各截面加固前后工况1和工况6挠度检测试验结果

表2 各截面加固前后工况2和工况7挠度检测试验结果

分析表1和表2数据，桥梁加固前后主桥跨中截面挠度观测值明显变小，且均小于理论计算值，说明采用碳纤维加固后桥梁竖向挠度变形明显降低，桥梁承载力明显提高，且有足够的安全储备。

4.3 静载应变检测结果分析

在试验荷载作用下，收集桥梁各测点应变测量数据，计算试验截面总应变St、弹性应变Se和残余应变Sp，计算公式如式（2）～式（4）：

式中：Si为加载前各测点初始读数；SL为加载稳定时测量值；Su为卸载稳定时测量值。

在桥梁加固前后，分别对不同工况下桥梁跨中截面测点应变进行检测，统计检测结果如表3和表4所示，加载工况同上。

表3 加固前工况1与加固后工况6应变试验结果

表4 加固前工况2与加固后工况7应变试验结果

分析表4和表5数据，对比分析在试验工况1、工况6和工况2、工况7的试验截面应变检测结果。采用碳纤维加固后，桥梁跨中截面应变明显下降，且实测值明显小于理论值，安全储备充足，加固后提高了桥梁结构的承载力，说明采用碳纤维加固桥梁箱梁效果显著。

5 结语

通过分析桥梁病害调查结果，有针对性地制定养护方案，设计采用碳纤维加固箱梁，并通过静载试验分析加固效果，总结得出以下结论：

a）分析桥梁挠度试验结果，加固后跨中截面挠度观测值明显变小，说明采用碳纤维加固后有效控制了主梁竖向挠度变形，桥梁承载力明显提高。

b）分析静载应变检测结果，采用碳纤维加固后桥梁跨中截面应变明显变小，且安全储备充足，说明采用碳纤维加固桥梁效果显著。