碳纤维加固桥梁的施工工艺及荷载试验研究

吴 壮 张孝千

(武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430070)

近年来，随着交通事业的快速发展和交通量的迅速增长，通过桥梁的载重量也在不断增加，同时，已建桥梁在多年的运营使用过程中会受到自然因素和人为因素的影响而损坏，这些都会对桥梁结构产生影响[1]。由于历史原因，如建桥时资金紧缺，设计荷载及泄洪能力偏低，技术力量的缺乏，设计、施工管理的粗放，以致在设计上或施工中留下不同程度的缺陷[2]。对于危桥、旧桥，如果选择全部拆除重建，显然是不现实且不经济的。依据检测结果对这些桥梁进行维修加固以恢复其工作能力，将节省大量的人力物力，同时也满足了桥梁的运营要求。其中，碳纤维是一种具有极高抗拉强度和弹性模量的工程材料，其轻质高强特点对提高承载力而不允许增加过多恒载的桥梁加固工程特别适用[3-4]。

现以大冶市君山桥为研究对象，介绍碳纤维加固方法的施工工艺，并利用有限元分析软件midas Civil对加固后的君山桥进行建模，设计桥梁静载加载方法进行加载试验，使依据试验结果对君山桥的加固效果进行评定。

1 工程概况

君山桥位于大冶市还地桥军山路，于2006年建成。桥梁为钢筋混凝土无桥台斜腿刚架桥，主梁全长25.7 m，孔跨布置为6.65 m+12.4 m+6.65 m。桥梁总宽17.5 m，桥面布置为2.25 m人行道+13 m行车道+2.25 m人行道。该桥经检测发现存在许多病害，2016年有关方对全桥进行了加固。加固措施包括全桥7片主梁底部及侧面采用粘贴2层碳纤维布加固，以增加主梁正弯矩承载能力；每片主梁中间支点两侧各增设1道横隔梁以加强桥梁横向整体性；更换桥面铺装；重做搭板；桥台锥坡、护坡砌体结构破损处理；裂缝处理；表面裂缝封闭处理。改造后的桥梁荷载等级为公路-II级，人群荷载3.0 kN/m2。桥梁加固总体立面布置见图1。

图1 君山桥加固总体布置及测试断面示意图(单位：cm)

2 碳纤维加固施工工艺

通过粘贴碳纤维进行加固的施工工艺流程通常为：裂缝压浆→基底处理→找平底层→贴纤维布→表面防护→验收。

2.1 混凝土裂缝压浆封闭

在进行碳纤维加固前，需要对混凝土表面进行外观检查，对于可见的裂缝均需要进行处理。对于裂缝宽度大于2 mm的，通常进行压浆处理。对于裂缝宽度小于2 mm，但混凝土较为破碎的，也需要进行封闭处理。裂缝压浆分为高压注浆和低压注浆2种方法，两者相比，低压注浆的方法效果较好且操作方便[5]。对于表面封闭方法，通常先用工具将裂缝表面扩大成宽3～5 mm的沟槽，再用腻子将处理后的沟槽刮平即可。

2.2 混凝土基底处理及底层找平

在进行粘贴碳纤维布前，应首先对混凝土的缺陷部分进行处理。对于锈蚀钢筋应进行除锈工作，然后利用砂轮、脚磨机等工具对混凝土表面的浮浆及油污等杂质进行打磨处理。最后混凝土表面需满足平整、粗糙的要求[6]。

底层胶对于碳纤维粘贴的牢固程度十分关键，因此涂刷必须严密，涂刷时混凝土表面不能有水分。施工时将胶均匀涂在混凝土表面，待底胶固化后进行下一工序。

2.3 粘贴碳纤维布及表面防护

碳纤维布粘贴时应沿其受力方向用橡皮滚筒多次滚压压实，将气泡赶出，保证碳纤维布粘贴密实，与混凝土表面紧密结合。第一层碳纤维布粘贴完成后，应及时进行第二层黏结剂的涂抹，待黏结剂固化到一定程度后，进行第二层碳纤维布的粘贴[7]，重复上述步骤直到层数达到设计要求的数量。碳纤维的端部通常较难固定，可以采用钢板固定等方法进行处理。

碳纤维布粘贴完成后，需要在最外层的外面涂抹1层胶料，形成表面防护层。防护层可以采用在黏结胶料中加入少量的滑石粉的方法配制，在胶料固化后，利用无机材料进行1道表面涂装。

3 静载试验

首先利用midas Civil对加固后桥梁建模，并进行各荷载工况作用下位移、应力计算。通过桥梁静载试验对桥梁加固效果进行评定，分别测试加固后桥梁在荷载作用下的应变及挠度，以评定桥梁的承载能力。

3.1 测试断面及测点布置

根据测试桥梁的受力特点，选取5个测试断面，见图1。

B-B，C-C2处断面为斜腿与主梁处截面；A-A测试断面为主跨的跨中，测试该控制截面在试验荷载作用下的挠度和应变；D-D、E-E断面为斜腿处应变测试断面。

在A-A断面处各梁底部布置1个挠度测点，为消除支座沉降的影响，同时在B-B，C-C截面附近布置挠度测点。在A-A断面处每片梁布置3个应变测点。断面挠度测点布置见图2，断面应变测点布置见图3。

图2 A-A断面挠度测点布置示意图

图3 A-A断面应变测点布置示意图

3.2 试验荷载选用

静力试验荷载通过汽车进行加载，将控制截面最不利荷载位置的设计荷载用试验车辆按静力等效的原则模拟进行[8]。根据现场情况，选择后6轮载重车作为加载方式。静载试验共选取4辆6轮载重车，单车总重420 kN，前轴重60 kN，中后轴均重180 kN，前中轴距为3.65 m，中后轴距1.35 m。根据刚构桥梁的受力特点，选择如下4个荷载工况。

工况1：跨中截面最大正弯矩及挠度工况(偏载2号梁)。

工况2：跨中截面最大正弯矩及挠度工况(中载3号梁)。

工况3：支座B-B截面处最大负弯矩及挠度工况(偏载2号梁)。

工况4：支座B-B截面处最大负弯矩及挠度工况(中载3号梁)。

3.3 静载试验结果

3.3.1挠度测试结果及分析

A-A断面各主梁在4种工况下的挠度实测值及理论值见图4，测点挠度均已消除支座沉降影响。试验荷载作用下，主要测点挠度实测值均小于理论计算值，校验系数ζ值在0.18～0.97之间，均小于1。结构残余变形较小，最大为6.04%，小于控制值20%，说明结构处于良好的弹性工作状态[9-10]。

图4 挠度沿横向变化曲线(A-A)

3.3.2应变测试结果及分析

A-A断面各主梁在4种工况下的挠度实测值及理论值见图5，试验荷载作用下，主要测点应变实测值均小于理论计算值，校验系数ζ值在0～0.98，均小于1。这表明桥梁的实际状况优于理论状况，承载能力满足要求。

图5 应变沿横向变化曲线(A-A)

4 结论

1) 加固后桥梁在试验荷载作用下，各测点应变及挠度实测值均小于理论计算值，校验系数满足规范要求。加固后桥梁在短期静力试验荷载作用下，各测试项目数据正常，结构在静力荷载作用下承载能力满足设计要求，达到设计加固效果。

2) 利用碳纤维布进行加固效果良好，能够有效提高桥梁的承载能力，但需严格控制施工工艺。

[1] 史迎青.桥梁加固的研究与应用[D].合肥：合肥工业大学,2010.

[2] 侯林平.现行桥梁检测与加固的反思[J].交通科技,2007(1):4-6.

[3] 何辉,刘永红,许建军,等.碳纤维在桥梁加固中的应用研究[J].交通科技,2007(3):104-106.

[4] 王静.连续钢构桥成桥荷载试验实施方案研究[J].中国安全生产科学技术,2011(8):93-97.

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[6] 李明哲.现役超限桥梁碳纤维加固技术[J].施工技术,2012,41(17):28-30.

[7] 滕秀元,李厚海,杨晋,等.某钢筋混凝土空心板桥的检测及加固建议[J].工程抗震与加固改造,2011,33(1):89-93.

[8] 公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG/T J21-2011[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9] 张璇.纳米碳纤维改性沥青混凝土试验研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(2):335-338.

[10] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.