石拱桥加固中碳纤维棒的应用

2023-01-08王涛

交通世界 2022年22期

王涛

（中建路桥集团有限公司，河北石家庄 050001）

1 工程概况

某桥梁工程为石拱桥，该桥上部结构为24m单孔，主拱圈的宽度和厚度分别为8.0m和0.7m，腹拱的跨径为2.0m。该石拱桥兴建的年代比较久远，在长时间的使用中，桥面出现多处破损，主拱圈严重风化。此前相关部门对该桥检测评估，并根据评估结果对石拱桥维修加固。随着交通流量的不断增多，加之受到重载车辆的影响，加固后的石拱桥又出现新的问题，包括桥台裂缝、主拱圈砌块脱落、侧墙开裂、腹拱渗水、护栏破损、桥面排水不畅。由于该石拱桥所在路段为交通要道，无法长时间中断交通，经过研究后，决定采用碳纤维棒对主拱圈的拱脚区域全面加固，以最短的时间修复石拱桥，保证车辆通行。本文重点对石拱桥加固中碳纤维棒的应用展开分析。

2 石拱桥加固中碳纤维棒的应用

2.1 主要材料的特性

2.1.1 碳纤维棒

碳纤维棒是一种新型材料，是将碳纤维复合材料用乙烯基树脂浸渍后，经高温固化后，用石榴石灌注于表面制成。该材料的特性体现在如下几个方面：

（1）碳纤维棒比较轻，是钢筋比重的1/5左右，但却具备非常高的强度，试验结果表明，其抗拉强度为普通钢筋的7～10倍，直径6.0mm的碳纤维棒最大抗拉强度能够达到2 000MPa[1]。因此，将碳纤维棒作为加固材料使用，可以减少材料的用量，经济效益比较高。

（2）碳纤维棒具有良好的耐腐蚀性，与金属相比，它的使用寿命更长。不仅如此，其耐水性和抗老化性能也比较好，不会受到潮湿环境的影响，与砂浆之间有极强的黏附力。

2.1.2 聚合物砂浆

聚合物砂浆是一种与混凝土具有较高相似性的材料，黏度和强度高是聚合物砂浆的突出特点。其由以下原材料混合而成：水泥、聚合物、碎石、添加剂、水等。在桥梁结构加固中，聚合物砂浆与混凝土可以黏结到一起，从而使碳纤维棒能够与原结构一并受力，达到加固效果。

2.2 加固方案

在石拱桥加固中，为达到预期中的加固效果，通过反复比较，最终拟定以下加固方案：

2.2.1 主拱圈加固

采用高强聚合物砂浆，以喷射的方法，对石拱桥主拱圈的拱腹部位进行加固，砂浆的喷射厚度控制在20mm左右。同时，用高强聚合物砂浆，喷射主拱圈上对称的四个腹拱拱背，沿着桥梁的纵向加装直径6.0mm的碳纤维棒，间距为60mm。根据计算，每个腹拱处需要布设的碳纤维棒为133根。

2.2.2 腹拱圈加固

采用喷射厚度为20mm高强度聚合物砂浆的方法，对腹拱圈及立墙加固，提高腹拱圈的结构稳定性。

2.2.3 基础加固

基础冲坑用强度等级为C50的混凝土水下浇筑，以片石填塞，通过环氧砂浆修补，在基础表面上，喷射厚度为20mm的高强度聚合物砂浆，达到加固基础表面的目的。同时，将旧的填料全部挖除，新填料选用强度等级为C20的石子混凝土。

2.3 确定加固前后的承载力

2.3.1 加固前的承载力

在承载力的确定中，要选取适宜的计算模型，按照石拱桥的受力特点分节段计算承载力，具体如下：

（1）主拱圈采用梁单元，原结构作为第一施工阶段，第二施工阶段为新增加的加固层。分析结构内力时，要充分考虑加固时，石拱桥本身的应力水平及加固后的结构二次受力特性。新增的加固层可以作为石拱桥后续施工阶段，加固前和加固后的石拱桥结构模型基本相同，发生变化的部位是主拱圈截面。

（2）采用梁单元模拟腹拱圈、填料、桥面铺装层。依据相关规定，在对桥梁结构的承载力计算时，可将车道荷载作为汽车荷载。因加固施工需要考虑的结构承载力为极限状态，所以可按现行规范确定荷载组合，即恒荷载、车道荷载及人群荷载的总和。通过对主拱圈的承载力极限强度验算后得出如下结果：在上述荷载组合下，只有拱脚的截面强度不足。

2.3.2 加固后的承载力

（1）在建立加固模型时，采用原结构模型，在拱腹与立墙上增设一层高强聚合物砂浆，与原结构通过刚性的方式连接。用施工阶段截面法，对主拱圈建模，将加固前后定义为两个不同的施工阶段。

（2）经组合计算后得出如下结果：石拱桥加固后，总体荷载比加固前显著增加，而加固层与原结构层为共同作用，使加固层分担部分内力，结构层的应力水平随之降低。加固后，原拱圈的变形减少，说明加固有效。

2.4 碳纤维棒施工要点

2.4.1 表面处理

（1）剔除混凝土表面出现剥落、空洞、蜂窝等病害部位的混合料，对露出混凝土层的钢筋除锈处理；在原混凝土表面剔除面积较大的情况下，于原位置填补高强聚合物砂浆修复缺损部位[2]。

（2）按照技术规范要求修补混凝土表面裂缝，结合裂缝性能、所处环境采取相应的修补技术；用工具去除混凝土表面上的浮浆等杂质，打磨平整混凝土表面，在表面涂上1%的酚酞溶液，检验表面碳化程度，在保证混凝土表面无碳化现象后对加固部位凿毛。

（3）用高压水冲洗混凝土表面，去除尘土，水压为15MPa，冲洗后待混凝土自然干燥；用电锤钻对加固部位钻孔施工，将其作为碳纤维棒的锚固孔[3]。

2.4.2 坑洼修补

为使石拱桥加固表面保持平整，在碳纤维棒施工前，采用高强聚合物砂浆，对表面缺损的坑洼部位加以修补。具体做法如下：将缺损部位一定范围内的表面用清水冲洗干净，晾干后，涂抹表面强化剂，使用预先拌制好的聚合物砂浆将缺损处填平。表面强化剂最为突出的作用是能够提高石拱桥原结构与高强聚合物砂浆之间的黏结力，原结构表面的密实性也会随之显著提升，所以在聚合物砂浆修补填平前，要先涂抹表面强化剂。

2.4.3 锚具与碳纤维棒安装

（1）采用锚栓固定的方法，对碳纤维棒锚固，锚栓孔的孔径和孔深分别为6.0mm和40mm[4]。为延长锚具的使用年限，要选用不易生锈的材料，如不锈钢等制作加工。

（2）碳纤维棒要与加固面紧贴，可先用锚板对其位置加以固定，控制好锚固间距，避免碳纤维棒出现下垂的现象，影响加固效果。需要注意的是，以碳纤维棒作为植筋构件时，必须依据现行规范标准的规定要求，确保预留锚固孔达到15d以上。

2.4.4 喷涂砂浆

（1）安装碳纤维棒后喷涂高强聚合物砂浆，采用专用设备喷涂，高强聚合物砂浆喷涂厚度不小于2cm；在喷涂过程中制备砂浆试块，用于检测砂浆强度；喷涂砂浆后用工具抹平构件表面，保证喷涂的美观性和平整性[9]

（2）在高强聚合物砂浆喷涂前，将打底聚合物砂浆涂抹在原结构表面，涂抹厚度为5mm，提高砂浆与混凝土表面的黏结力，之后再用喷涂机喷涂砂浆。

（3）高强聚合物砂浆的初凝时间不超过30min，尽量保证一次喷涂完工；当气温高达30℃以上时，要在混凝土表面喷水，避免砂浆过快初凝；当气温未超过25℃时，采用分层喷涂施工工艺，保证第一次喷涂的聚合物砂浆硬化后涂抹第二次；当气温低于10℃时，停止聚合物砂浆施工，以免降低砂浆黏结性能[5]。

2.4.5 养护

（1）在聚合物砂浆涂抹后进入养护阶段，用养护布覆盖到新结构层表面，实施湿润养护；也可以用刷子、滚筒在新结构层板表面涂刷养护剂，达到养护目的[10]。

（2）选用耐久性能够维持30d的液体成膜养护剂，在养护剂涂刷后，保证2h内形成一层薄膜；在养护环境较差的情况下，应涂抹2次养护剂，保证养护效果；对需要后续施工的部位，需要延长24h的养护时间，后续施工前检查混凝土表面养护情况，养护合格后再进入下一阶段施工[6]。

（3）根据天气情况确定养护时间，在常温状态下养护周期为3d，如果养护期间试块强度达到设计值要求，可以适当减少养护时间[11]。

2.5 技术措施

（1）选用质量合格的碳纤维棒，确保数量、类型及布设间距等，与设计要求相符。当对碳纤维棒的质量存在质疑时，可以采取抽样的方法检查，结果合格方可在施工中使用。使用碳纤维棒加固石拱桥的过程中，要控制好施工温度，最低不得低于10℃，最高不宜超过35℃，否则会影响碳纤维棒的性能。为进一步增加碳纤维棒与混凝土面层之间的黏结性，可在碳纤维棒表面灌注石榴石，并在正式施工前，检查表面的石榴石情况，看有无脱落，若是脱落，则可以该部位作为起点，剪切30cm后使用[7]。

（2）碳纤维棒运输时，要避免折断，由于碳纤维棒必须在连续的前提下，才能发挥出补强的作用，所以用碳纤维棒加固石拱桥时，不得在任意截面上采用搭接的方法，对碳纤维棒连接。当碳纤维棒固定好以后，要检验粘贴密实程度[12]。

（3）聚合物砂浆的标号应符合设计要求，本工程中按C60的强度等级配制，其性能要与同等级的混凝土力学性能相符。在对聚合物砂浆喷涂时，要做到表面平整、无裂缝、脱空等质量缺陷，修补后的平整度应达到现行规范标准的规定要求[8]。当聚合物砂浆施工完毕后，可以通过钻芯取样的方法，检测其黏结情况，加固时，聚合物砂浆分三次浇筑，每次施工完毕后，都要检测外观质量，确认达标后，方可进入下一道工序。

2.6 加固效果

为验证碳纤维棒在石拱桥加固中的效果，与加大截面法进行比较，据此评价加固方法的优劣。

2.6.1 方案比较

（1）采用加大截面法对本工程中的石拱桥加固时，具体的加固方案如下：主拱圈的拱腹和拱背，锚喷厚度为15cm的钢筋混凝土层，腹拱圈与立墙，锚喷厚度6.0cm的钢筋混凝土层。

（2）采用碳纤维棒对本工程中的石拱桥加固时，加固方案如下：主拱圈的拱背喷射厚度为40mm的高强聚合物砂浆，沿着桥梁的纵向加装碳纤维棒，拱腹、腹拱圈与立墙，全部喷射厚度为20mm的高强聚合物砂浆[13]。

2.6.2 加固模型

加大截面法的加固模型建立过程与碳纤维棒加固建模类似，通过定义施工阶段，模拟加固的实现，加固的截面位置采用刚性连接，由此获得的应力水平与结构加固后的受力特点相吻合。碳纤维棒加固后，拱顶的挠度变化率为-0.2%，竖向挠曲频率提高14.85%，加大截面法加固后，拱顶的挠度变化率为-0.33%，竖向挠曲频率提高29.09%。

2.6.3 效果分析

两种加固方法都使桥梁结构的刚度得到提升，说明加固方法有效，碳纤维棒加固在刚度的提升方面要高于增大截面法。同时，碳纤维棒加固对原桥结构的损伤程度比较小，因碳纤维棒本身的质量比较轻，所以并不会增加过大的自重。综合来看，碳纤维棒施工工艺简单、质量易于控制，加固效果明显。因此，可将该方法作为石拱桥加固的首选。