高速公路桥梁项目的检测与加固技术分析

吴龙

摘要 公路桥梁工程在行車荷载及外部环境长期影响下，不可避免地会产生质量病害，严重影响桥梁运营安全和使用年限。为有效提高公路桥梁使用性能，保证交通运输安全，加强公路桥梁检测与加固显得尤为关键。鉴于此，文章结合某桥梁工程实际情况，针对高速公路桥梁项目检测与加固技术展开综合研究，通过试验检测确定了桥梁病害情况及评定等级，提出了针对性的加固技术方案，同时借助Midas Civil系统构建有限元模型，对桥梁加固前后挠度及应力变化实施对比分析，科学验证了CFRP加固技术的可行性和有效性，具有重要的参考价值。

关键词 公路桥梁项目；T梁桥；损伤检测；桥梁加固技术

中图分类号 U445.72文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0105-03

0 引言

近年来，随着经济的快速发展，交通运输行业取得显著进步，交通量、载重量大幅度提升，部分现役桥梁工程运营能力显著降低，已无法满足正常使用要求；同时，在行车荷载及外部环境共同作用下，造成桥梁结构产生一系列疲劳破坏，严重影响桥梁使用寿命。若将此部分桥梁拆除重建，会造成严重资源浪费，且对社会经济发展带来极为不利的影响。因此，采用科学手段对其实施加固处理，全面提升桥梁结构承载性能，使其满足正常使用要求，对保证桥梁安全稳定运营具有重要意义[1]。

1 工程概况

某高速公路桥梁工程采用分离式设计，左半幅设计长度为2 329 m，设计宽度为12.25 m，净宽11.25 m。桥跨组合形式为（24×40+3×30+24×40+5×30+4×40）m；右幅桥梁总长度为2 319 m，宽度12.25 m，净宽度11.25 m。其上部结构采用预应力混凝土T梁，下部结构较为复杂，包括柱式墩、薄壁式墩、U型桥台。桥梁墩和台基础形式分别为桩基础和扩大基础。设计荷载为公路-I级。试验检测结果显示该桥梁主要病害如下所述。

（1）上部结构病害：①T梁病害表现为竖向、纵向及斜向开裂、混凝土剥落、钢筋锈蚀、渗水碱化、纵向位移等；②横隔板病害表现为竖向、斜向开裂和钢筋锈胀；③湿接缝病害表现为表面存在大量蜂窝和孔洞，局部存在露筋现象；④湿接头病害表现为局部钢筋裸露，木模未拆除；⑤支座系统病害表现为变形、老化、脱空、垫石损坏[2]。

（2）下部结构病害：盖梁存在竖、横向及斜向裂缝，钢筋锈蚀严重，墩柱局部钢筋裸露。

（3）桥面系病害：①伸缩缝位置混凝土产生纵向裂缝；②排水体系失效。

按照最新实施的《道路桥梁工程施工质量评定标准》对桥梁质量状况实施评价，其评定结果如下：①左幅桥梁上部结构为3类，下部结构及桥面系均为2类；综合评定为3类；②右幅桥梁上部结构为3类，下部结构及桥面系均为2类；综合评定为2类；整体评价结果为该桥梁工程左半幅综合评分为60≤Dr＜80，为3类桥。由此可知，该桥梁左半幅质量状况相对较差，应实施中修处理；左半幅质量状况良好，可实施小修。现重点分析左半幅加固处理情况[3]。

2 加固处理方案

根据桥梁质量状况检测及评定结果，对质量缺陷成因实施综合分析，制定了针对性维修加固方案，具体情况如下：

2.1 上部承重构件加固建议

（1）对于T梁混凝土结构质量病害，如蜂窝、麻面、孔洞等，应先对病害部位实施处理，凿除附近松散混凝土，并对钢筋实施除锈，除锈完成后采用高标号混凝土进行修复；若钢筋保护层厚度较小时，应采用水泥基防水结晶材料制备水泥浆液进行涂刷[4]。

（2）对于渗水返碱质量病害，应将碱化区域松散混凝土凿除，对损坏部位实施修复处理，并选择适当时机对桥面破损防水混凝土实施修复。

（3）对于T梁结构性竖向开裂，应先采用科学方式闭合裂缝，再实施加固；其他形式裂缝直接实施闭合处理。

（4）对于T梁纵向裂缝，应根据缝宽选择科学合理的修补方式；当缝宽超过0.15 mm时，通过注浆加固方式实施修补处理；而当缝宽小于0.15 mm时，则采用封闭法实施处理。

（5）对于T梁纵向位移部位，应加强位移监测，实时监控位移情况，适时采取处治措施。

2.2 上部一般构件加固建议

（1）对于横隔板、湿接缝混凝土质量病害，如蜂窝、麻面、孔洞等，与T梁混凝土病害处治方式相同，先凿除附近松散混凝土，并对钢筋实施除锈，然后采用高标号混凝土进行修复；若钢筋保护层厚度较小时，应采用水泥基防水结晶材料制备水泥浆液进行涂刷[5]。

（2）对于模板未拆部位应将其拆除；而对于渗水返碱质量病害，应将碱化区域松散混凝土凿除，对损坏部位实施修复处理，并选择适当时机对桥面破损防水混凝土实施修复。

（3）对于横隔板开裂，应先采用科学方式封闭裂缝，并监测裂缝变化情况，当裂缝再次发展时，应采用黏钢加固、设置系梁、增设预应力筋等方式实施处理。

2.3 支座

（1）部分脱空的支座应进行加垫处理，保证受力均衡。

（2）垫石损坏的情况，应采用环氧砂浆进行修复处理。

（3）对于老化开裂、变形严重的支座，应实施更换。

（4）部分出现移位的支座，应实施复位。

2.4 桥墩

（1）对于桥墩混凝土结构缺陷、蜂窝、麻面、孔洞、露筋等质量病害，应先对病害部位实施处理，凿除附近松散混凝土，并对钢筋实施除锈后再采用高标号混凝土进行修复；若钢筋保护层厚度较小时，应采用水泥基防水结晶材料制备水泥浆液进行涂刷[6]。

（2）对于桥墩存在的裂缝病害，应根据缝宽选择科学合理的修补方式；当缝宽超过0.15 mm时，通过注浆加固方式实施修补处理；而当缝宽小于0.15 mm时，则采用封闭法实施处理；封闭完成后应采用水泥砂浆进行抹面处理，保持与周边混凝土颜色一致[7]。

2.5 伸缩缝

（1）对于桥梁伸缩装置锚固位置混凝土开裂，应采用灌缝处理方式实施封闭。

（2）对于泄水孔堵塞问题，应完善排水系统，全面清理泄水孔，保持排水通畅。

（3）强化桥梁维护和保养工作，合理设置限载标识，安排专人负责伸缩装置及泄水孔清理工作，并定期进行巡查，科学处理存在问题，提高桥梁运营能力[8]。

2.6 碳纤维材料加固法

碳纤维布加固法（Carbon Fi-ber Reinforced Polymer，简称CFRP）是一种新型加固方式，加固材料包括基体和纤维两部分，通过对强度及模量较大的连续碳纤维排布成束，浸润树脂材料后，将其置于模具中固化，并经过反复拉挤而成。相较于钢材，碳纤维复合材料弹性较大，不产生塑性变形，强度高、耐久性强，其应力变化情况如图1所示。采用黏贴碳纤维复合材料加固时，碳纤维材料与构件形成整体结构，共同参与受力，有效约束裂缝扩展，提高构件强度、刚度和承载性能。同时，碳纤维复合材料能显著增强构件抗剪性能，有效控制构件变形[9]。

碳纤维复合材料加固法主要是采用黏结剂将复合材料黏结在桥梁表面裂缝处，与桥梁构件形成整体结构，使其与桥梁构件共同工作，从而有效提高桥梁结构承载性能。该方法主要用于对桥梁承重构件的补强加固，如主梁、墩柱等，同时也能用于对一般构件的加固处理。

碳纤维复合材料性能稳定，强度高、密度小、抗老化能力强，加固后无须长时间养护。此加固方法施工简便、快捷，且当纤维材料密度为200～300 g/mm3时，其厚度仅为0.111～0.167 mm，不影响桥梁构件截面尺寸及自重，且不会改变桥下净空高度，是目前最为理想的加固方式。相较于普通加固方式，采用该加固方法对桥梁结构实施处理，不改变结构受力状态，且能与桥梁构件共同承受荷载作用。但由于碳纤维材料价格昂贵，其加固成本较高，同时对施工人员专业技能提出了更加严苛的要求，因此必须由综合能力较强的技术人员完成加固任务。

3 有限元数值模拟分析

Midas的中文名称为“迈达斯”，是一款与建筑、桥梁、岩土、仿真等相关的有限元分析软件。其中桥梁工程方面涉及软件有Midas Civil、Midas SmartBDS、Civil Designer。Midas Civil适用于土木工程领域，尤其适用对于悬索桥、斜拉桥、箱型桥梁等的结构分析，同时能用于非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力及动力弹塑性分析等。为确保科学、高效地完成同类结构的分析与设计，弥补现阶段土木结构分析与设计软件的短板，研制出了一套土木结构专用设计软件[10]。

3.1 利用Midas有限元軟件实施模拟分析

Midas Civil软件为Midas中的一种，操作简单、高效便捷，功能较为齐全，可满足各种目标需求。该软件是由多国工程师在C++和Windows环境研发而成。该软件的成功应用给工程施工带来诸多方便，能够较为直观、准确地从多角度反映结构模型的验证与分析，显著提升模拟结果的精确性和有效性。尤其在桥梁结构方面，Midas Civil充分考虑了国内相关标准和习惯，在建模、分析、处理、设计等不同环节提供了一系列较为方便的功能，得到了众多设计师的认可。通过该系统构建全桥整体模型，对荷载作用下桥梁结构病害状况实施模拟分析，具体如图2所示。

3.2 CFRP的模拟

在对CFRP加固状况实施模拟时，通过平面应力模块对T梁结构底部黏贴碳纤维复合材料实施模拟。利用自定义及界面功能设定CFRP加固材料性能参数，并通过设定界面间的边界条件，对复合材料与钢筋混凝土T梁间的黏接状态实施仿真模拟，选择弹性链接界面中的刚性连接方式，完成对应部位的复合材料单元节点与钢筋混凝土T梁节点的有效连接，从而实现对其变形和位移的调节，增强黏结效果，避免产生滑动破坏。

3.3 加固效应结果对比

对加固效应结果实施对比时，应选择桥梁中央位置的T量实施比较；对挠度比较时，应选取中梁及边跨的中跨跨中部位；对应力比较时，应选择中梁中央部位的T量实施对比。

（1）挠度：CFRP加固处理前后桥梁挠度变化情况，如图3所示。

（2）应力：CFRP加固处理前后桥梁应力变化情况，如图4所示。

通过图3、图4能够看出：①弯矩相同的条件下，桥梁加固处理后，中梁和边梁的挠度均显著低于加固前挠度，降幅达60%，表明CFRP加固技术能有效提升钢筋混凝土T梁刚度；②采用CFRP加固技术对桥梁实施加固处理后，T梁底部应力显著降低，中跨、边跨位置的应力依次降低30%和50%，桥梁承载性能显著增强。由此可见，采用CFRP加固技术对存在结构缺陷的桥梁工程实施加固处理，能有效地提升桥梁刚度及承载性能，增强抗变形能力，并且能够有效地控制桥梁后期裂缝病害，这充分表明采用CFRP加固技术对桥梁实施补强加固是完全可行的。

4 结论

综上所述，该文结合某桥梁工程实际情况，针对高速公路桥梁项目检测与加固技术展开综合研究，通过试验检测及加固模拟分析，得出如下结论：

（1）常规试验检测能及时发现桥梁质量病害，为桥梁加固处理提供理论依据。

（2）针对桥梁结构裂缝加固处理，应先将裂缝封闭后，再采用CFRP实施加固，能显著增强桥梁刚度和承载性能。

（3）桥梁经加固处理后，其强度、刚度、稳定性得到大幅度提升，运营能力显著增强，但在运营过程中极易产生质量病害，造成结构性能严重衰退。因此，桥梁加固处理后应加强桥梁检测与养护，以有效确保桥梁安全稳定运营。

参考文献

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[4]尉晓宁. 公路桥梁常见问题及维修加固技术研究[J]. 城市建筑， 2021（20）： 173-176.

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