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    公路桥梁检测与加固技术研究

    时间：2023-01-22 18:30:42来源：百花范文网本文已影响人

    张浩男

    （华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450011）

    改革开放以来，伴随着我国经济的高速、高质量发展，交通基础建设也在快速发展中，尤其是近30年，以桥梁工程为重要组成部分的交通基础设施建设发展得最快。而桥梁工程作为我国公路交通的重要组成部分，现已遍及大江南北，成为交通运输业的枢纽，在持续稳定地推动着我国经济发展的同时，也影响着当地与周边地域的经济发展。但是随着时代的发展，我国早期建设的桥梁，因为当时经济条件较差与施工技术还不成熟，大量既有桥梁的承载力等设计标准均已不满足如今的使用要求；
    同时在自然环境的侵蚀、车辆荷载的不断增大以及车流量增大等外部因素的影响下，导致了桥梁自身材料和结构的疲劳，使得桥梁寿命在不断缩短。如今很多仍在使用的桥梁已经发生了老化、损伤等一系列情况，承载力明显降低，已在超负荷运行，无法达到现行的规范要求，具有很大的安全隐患。

    如果对这些已损伤桥梁均采用拆除重建的方法，不仅会造成很大的经济损失，也不符合我国可持续发展的战略方针，而且桥梁的拆除重建所需时间长、工程量大、耗费的人力物力较多，对社会、交通等造成的影响非常巨大，其背后的间接损失也是不可估量的［1］。因此，对既有已损伤桥梁的加固就显得尤为重要，利用现有可行手段，尽量恢复、提升既有桥梁的承载能力，使其能够继续为社会服务，既对桥梁的安全运营有着重要的意义，又有巨大的社会利益和经济效益。

    本研究所加固的桥梁为左右分离式桥，左幅桥梁全长2 329 m，桥宽12.25 m，净宽11.25 m。跨径组合为：（24×40+3×30+24×40+5×30+4×40）m，右幅桥梁全长2 319 m，桥宽12.25 m，净宽11.25 m。跨径 组 合 为：（24×40+3×30+24×40+3×30+3×40+3×30）m，上部结构为预应力混凝土T梁，下部结构型式为柱式墩、薄壁式墩和U型台，桥墩基础采用桩基础，桥台基础采用扩大基础。伸缩缝为D160伸缩缝。支座为板式支座、盆式支座。设计荷载为公路Ⅰ级。

    通过检测得出该桥主要有以下病害。一是上部结构主要病害为上部承重构件T型梁斜向裂缝、竖向裂缝、纵向开裂渗碱、纵向裂缝、钢筋锈胀、破损露筋、渗水碱化、有水侵害痕迹、T梁纵向偏位；
    横隔板竖向裂缝、斜向裂缝、蜂窝露筋、破损露筋、锈胀露筋、模板未拆除，湿接缝破损露筋、蜂窝露筋、孔洞露筋、渗水碱化，湿接头蜂窝露筋、模板未拆除；
    支座局部脱空、老化开裂、纵向偏位、剪切变形、局部外鼓、垫石破损。二是下部结构主要病害为盖梁竖向裂缝、斜向裂缝、横向裂缝、钢筋锈胀、破损露筋、蜂窝麻面、垃圾堆积，立柱破损露筋。三是桥面系主要病害为伸缩缝装置锚固区混凝土纵向开裂；
    防排水系统泄水孔堵塞。

    根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）对上述检测结果进行评定，该桥评定结果为：左幅上部结构3类，下部结构2类，桥面系2类。总体3类。右幅上部结构3类，下部结构2类，桥面系2类。总体2类。

    根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）中对运营阶段公路桥梁技术状况等级评定的有关规定，该桥左幅桥梁技术状况评分为60≤Dr＜80，技术状况评定为3类。

    综上所述，该桥梁左幅处于较差状态，需进行中修；
    右幅处于较好状态，需进行小修。因此本研究主要针对大桥左幅进行加固。

    2.1 加固建议

    结合桥梁病害检测结果及桥梁评定等级，对病害原因进行了分析，根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11—2004）提出以下养护及维修建议。

    2.1.1 上部承重构件。

    ①针对T梁混凝土施工缺陷、蜂窝、麻面、破损、空洞及露筋病害，建议先凿除病害周边酥松混凝土并对外露钢筋进行除锈，然后采用环氧砂浆或环氧混凝土进行修补；
    当钢筋保护层不足时，用水泥基渗透结晶型材料配制成的浆液涂刷构件混凝土表面。

    ②针对渗水碱化病害，对渗碱部位酥松混凝土进行清理后，修复混凝土破损表面，并适时对桥面防水混凝土进行修复。

    ③针对梁体结构性竖向裂缝，应对竖向裂缝进行封闭，并进行加固；
    对于非结构性竖向裂缝应进行封闭处理。

    ④针对梁体纵向裂缝，对裂缝宽度≥0.15 mm的裂缝建议采用压浆法进行修补；
    对裂缝宽度＜0.15 mm的裂缝建议采用表面封闭法进行修补。

    ⑤针对T梁纵向偏位处，应注意加强观测，必要时进行处置。

    2.1.2 上部一般构件。

    ①针对横隔板、湿接缝混凝土施工缺陷、蜂窝、麻面、破损、空洞及露筋病害，建议先凿除病害周边酥松混凝土并对外露钢筋进行除锈，然后采用环氧砂浆或环氧混凝土进行修补；
    当钢筋保护层不足时，用水泥基渗透结晶型材料配制成的浆液涂刷构件混凝土表面。

    ②对于未拆除的模板进行模板拆除。

    ③针对渗水碱化病害，对渗碱部位酥松混凝土进行清理后，修复混凝土破损表面，并适时对桥面防水混凝土进行修复。

    ④针对横隔板裂缝，先对裂缝封闭或灌缝处理，并加强观察，若裂缝重新开展，采取粘贴钢板、增设横系梁、增加横向预应力等方法予以加固。

    2.1.3 支座。

    ①垫实局部脱空的支座。

    ②采用环氧砂浆修补破损的垫石。

    ③针对老化开裂、剪切变形、外鼓的支座，建议对其进行顶升更换。

    ④建议对偏位的的支座进行顶升复位。

    2.1.4 桥墩。

    ①针对混凝土施工缺陷、蜂窝、麻面、破损、空洞及露筋病害，建议先凿除病害周边酥松混凝土并对外露钢筋进行除锈，然后采用环氧砂浆或环氧混凝土进行修补；
    当钢筋保护层不足时，用水泥基渗透结晶型材料配制成的浆液涂刷构件混凝土表面。

    ②针对混凝土构件裂缝，对缝宽≥0.15 mm的裂缝采用压浆法进行修补；
    对缝宽＜0.15 mm的裂缝采用封闭法进行修补；
    裂缝处理完毕后，在裂缝区域混凝土表面涂刷水泥砂浆，避免色泽差异。

    ③清理盖梁上垃圾。

    2.1.5 伸缩缝。针对伸缩缝锚固区混凝土纵桥向裂缝，采用沥青灌缝胶进行封闭处理。在排水设施方面，疏通堵塞的泄水孔。加强桥梁的日常养护和维修保养，完善桥梁的限载标志、标牌，定期清理伸缩缝和泄水孔垃圾，加强巡视检查，发现问题及时处治，确保桥梁耐久性。

    2.2 加固方法

    粘贴碳纤维纤维复合材料加固法（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）是近些年才兴起的加固方法，碳纤维复合材料主要是由基体与纤维构成，是将高强度、高弹性模量的连续碳纤维单项排列成束，然后浸渍树脂，放入模型中固化，后连续拉挤成型［2］。与钢材料不同的是，其本构呈完全弹性，不存在塑性区，也无屈服点，具有良好的抗拉性能，耐腐蚀性能好，CFRP的应力应变曲线见图1。当碳纤维材料参与工作时，会和被加固构件共同受力，从而限制裂缝的发展，增强构件刚度，优化梁体受力情况。同时，CFRP不仅能够加强桥梁部件的抗剪承载力，对构件的变形程度也能大大减小。

    图1 CFRP应力应变曲线

    该方法也是通过使用黏结剂将纤维增强复合材料与原桥黏结，形成一个复合材料体，使两者协同工作从而增强桥梁刚度与整体承载力。CFRP加固法在进行加固作业时主要应用于对承重构件的加固，例如主梁等，其次也可对非承重构件进行加固。

    纤维增强复合材料自身性能优秀，具有强度高、密度小、耐高温等优点，不会像钢板一样在加固后仍需进行长期的养护工作。该方法在加固过程中施工方便，并且如果碳纤维材料的密度大小范围只有200～300 g/mm2时，它的设计厚度的大小范围只有0.111～0.167 mm，对截面尺寸和结构自重不会产生影响，桥下区域的净空高度不会改变，因此能在众多加固方法中脱颖而出。与传统方法相比，通过碳纤维布对桥梁进行加固不会使结构内应力发生改变，并且还可以确保在设计载荷的区间中和原来的结构一起受力。但是，碳纤维材料的价格较高，因此加固成本也会随之水涨船高，并且该技术要求工人的工艺水平较高，所以需要专业人员来进行加固施工工作。

    Midas中文名是迈达斯，是一种有关结构设计有限元分析软件，分为建筑领域、桥梁领域、岩土领域、仿真领域四个大类，桥梁领域包含软件：Midas Civil、Midas SmartBDS、Civil Designer。

    其中Midas Civil针对土木结构，特别是分析预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以作非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析［3］。为能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计，填补目前土木结构分析、设计软件市场的空白，开发了“土木结构专用的结构分析与优化设计软件”。

    3.1 采用Midas有限元软件进行建模

    Midas Civil软件是Midas系列软件中的一种，它不仅能满足工程师的需要，而且功能强大，简单易学。它是由国内外专家经过不懈的努力，并用C++在Windows环境下开发的。Midas的开发带来了很多便利，可以更为直观地从不同的角度展示结构模型的验证与分析，大大提高了工程的准确性和高效性［4］。特别是针对桥梁结构，Midas Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。

    利用Midas Civil软件建立有限元模型，对桥梁受力状态下病害特征进行验算分析。如图2所示。

    图2 全桥整体模型

    3.2 CFRP的模拟

    在进行桥梁加固模拟时，采用平面应力单元来模拟T梁底粘贴的碳纤维布。通过自定义材料及界面功能输入加固设计所采用的碳纤维布的材料性能参数，同时设置界面间的边界条件来模拟碳纤维布与钢筋混凝土主梁之间的粘接，选用弹性链接选项中的刚性连接方式，将相应位置的碳纤维布单元节点与T梁节点向连接，来达到协调变形与位移，防止粘接失效与滑移破坏［5］。

    3.3 加固效应结果对比

    本次结果主要选取中梁最中间T梁进行比较，对挠度变化选择中梁与边跨的中跨跨中位置，对T梁应力比较选择中梁最中间T梁进行比较。

    3.3.1 挠度。桥梁加固前后挠度对比如图3所示。

    图3 桥梁加固前后挠度对比

    3.3.2 应力。桥梁加固前后应力对比如图4所示。

    图4 桥梁加固前后应力对比（单位：N/mm2）

    通过对上述结果进行分析可以得到以下结论。

    ①构件在承受相同弯矩时，加固后的T梁挠度，无论是在中梁或是在边梁，都明显小于原构件，减小了约60%，即该加固法对T梁的刚度有明显的改善。

    ②在对于桥梁进行加固后，T梁的梁底应力得到了明显改善，中跨和边跨的应力值分别减小了30%甚至50%，对桥梁承载能力有了很大的改观。

    综上，对于损伤桥梁采用碳纤维加固措施不仅可以增加桥梁的刚度与承载能力，对于桥梁后期的开裂也能得到很好的抑制，因此CFRP针对桥梁的加固是有效的。

    通过对T梁桥进行检测，并进行加固模拟分析得到以下结论。

    ①常规检测是发现桥梁的病害的有效手段，检测结果也是加固的依据。

    ②对主梁裂缝封闭处理后采用碳纤维复合材料进行加固，可以有效提高桥梁承载力。

    虽然加固后桥梁的承载能力良好，但是处于自然环境和运营状态下的桥梁结构容易发生各种病害，导致结构性能退化。因此，桥梁在加固后的管养工作应正常进行，对桥梁的检测也应跟上，以保证桥梁后续的安全运行。

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