纖維薄板加固混凝土剛架拱橋的工程實(shí)踐

1、纖維薄板加固混凝土剛架拱橋的工程實(shí)踐由于設(shè)計(jì)等級(jí)偏低、結(jié)構(gòu)老化、環(huán)境惡劣、施工不當(dāng)和超載等人為因素，混凝土橋梁的損壞日益嚴(yán)重，全國(guó)已出現(xiàn)了為數(shù)不少的危橋。其中，僅省急需加固維修的大中型舊危橋就有二千多座。為了經(jīng)濟(jì)、高效 地對(duì)這些舊危橋進(jìn)行加固和維修，高強(qiáng)纖維布或纖維薄板粘貼加固技術(shù)由于其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、重量輕、施工方便、工期短等優(yōu)點(diǎn)而在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注1W。近年來(lái)，國(guó)外尤其是日本和歐美的專家、學(xué)者對(duì)纖維薄板或纖維布粘貼加固混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的機(jī)理做了大量的研究，并在工程中予以大力推廣應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、清華大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和理工大學(xué)等單位在碳纖

2、維布或碳纖維薄板加固混凝土構(gòu)件方面也做了不少工作，有的已應(yīng)用于工程實(shí)踐中7。另一方面，混凝土舊危橋中受拉構(gòu)件容易產(chǎn)生裂縫，采用纖維薄板或纖維布對(duì)有裂縫混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固后，構(gòu)件的破壞模式及其強(qiáng)度與無(wú)裂縫加固構(gòu)件有別。為此，本課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和省科委重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目等的支持下，對(duì)此類構(gòu)件的承載能力、破壞機(jī)理等進(jìn)行了一系列的研究，得到了一些階段性的成果812。為了能將上述研究成果迅速地應(yīng)用于工程實(shí)踐，省交通廳于去年對(duì)省公路舊危橋承載能力的檢測(cè)、評(píng)定方法及加固技術(shù)研究進(jìn)行立項(xiàng)，并委托省公路管理局和理工大學(xué)交通學(xué)院承擔(dān)此課題。國(guó)道上某一混凝土剛架拱橋由于損壞嚴(yán)重急需加固維修

3、，故被列為本課題組的試驗(yàn)橋。今年一月份，為了保證春運(yùn)，本課題組采用自行編制的碳纖維、芳綸纖維和高強(qiáng)玻璃纖維薄板，對(duì)該剛架拱橋（半幅）進(jìn)行了加固，加固后經(jīng)動(dòng)靜載試驗(yàn)確認(rèn)加固效果后即開通運(yùn)行，至今情況良好。本文介紹該橋的加固技術(shù)和方法。1 工程概況國(guó)道上某一剛架拱橋分為新舊兩幅，舊橋建成于1993 年，新橋建成于1999 年，設(shè)計(jì)荷載為汽20、掛一100;新舊橋均為雙車道鋼筋混凝土剛架拱結(jié)構(gòu)，橋面寬各為 9.5m,跨徑為70m。該橋建成通車以來(lái)運(yùn)營(yíng)情況良好。然而，由于近年來(lái)交通量的不斷增長(zhǎng)，尤其是超載車輛的大量涌現(xiàn)，致使該橋出現(xiàn)了較嚴(yán)重的病害。經(jīng)管轄市公路局于2008 年 9 月檢查，發(fā)現(xiàn)該橋的新

4、橋上弦桿和節(jié)點(diǎn)等部位出現(xiàn)較多裂縫，而且擴(kuò)展迅速，部分裂縫已貫穿上弦桿；雖然橋面鋪裝層基本完好，但大部分肋掖板損壞嚴(yán)重。為保證交通運(yùn)輸安全，該市公路局于同年11 月初將該橋的新橋部分（半幅）實(shí)行交通管制。201 年 月，該橋的新橋部分經(jīng)理工大學(xué)交通學(xué)院檢測(cè)后認(rèn)為，新橋病害較嚴(yán)重，承載能力明顯下降，為保證交通安全，必須進(jìn)行加固處理。此外，自從新橋被實(shí)行交通管制后。所有車輛都從舊橋上行駛。經(jīng)過(guò) 1 個(gè)多月的通行，舊橋的上弦桿等部位也出現(xiàn)的裂縫。為了盡快使該橋全面恢復(fù)設(shè)計(jì)通行能力，并保證201 年的春運(yùn)，必須盡快對(duì)該橋進(jìn)行加固。2 加固方案剛架拱橋的加固方案是在本課題組的前期研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)理論和有限

5、元分析、模擬實(shí)驗(yàn)、并與國(guó)內(nèi)外參考資料比較后確定。其中，上弦桿等構(gòu)件的抗彎拉、抗剪模擬實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述如下。2.1 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)的試件尺寸為 0.1m x 0.2m x 1.8m,計(jì)算尺寸為 0.1m x 0.2mx 1.6m ;試件所用混凝土材料為C40中砂碎石混凝土，其彈性模量Ec=30Gpa,剪切模量Gc=0.43 X Ec （MPa）,泊松比為0.20,混凝土抗拉強(qiáng)度Rt=5.15 MPa ；碳纖維材料是采用日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維絲T300-3K編制成0.1m寬X 0.5 mm厚（長(zhǎng)度任意，下同）的碳纖維薄板（預(yù)浸帶），其彈性模量Ecf=240 Gpa,抗拉強(qiáng)度Rt=2100 MPa ,泊

6、松比為0.29; 芳綸纖維薄板采用日本東麗公司生產(chǎn)的芳綸纖維絲K49,高強(qiáng)玻璃纖維帶采用日本東麗公司生產(chǎn)的玻璃纖維絲，由本課題與合作研究單位編制而成。本擬采用的芳綸纖維薄板規(guī)格為0.1mX0.4 mm厚；高強(qiáng)玻璃纖維帶規(guī)格為0.1m X 0.4 mm厚。為使模擬實(shí)驗(yàn)更加接近實(shí)際情況，試件分為3組：無(wú)加固鋼筋混凝土梁；底部粘貼碳纖維薄板的加固梁；先對(duì)無(wú)加固鋼筋混凝土梁施加靜載使其出現(xiàn)足夠長(zhǎng)的裂縫，再按圖1所示加固方法分別粘貼碳纖維薄板和芳綸纖維薄板。在MTS-810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表1。由表1可知，圖2所示加固試件的極限承載力是無(wú)加固試件的1.52倍。表1 試驗(yàn)結(jié)果試件類型及編

7、號(hào)極限荷載（KN ）極限承載力增幅無(wú)增強(qiáng)試件 A-1、A-2、A-335.57-纖維薄板增強(qiáng)試件 C-1、C-2、C-349.6539.6%先開裂后增強(qiáng)試件 D-1補(bǔ)、D-3補(bǔ)54.1952.3%2.2 加固方案為恢復(fù)、甚至提高該橋的承載能力，本方案擬對(duì)該橋的新橋（下游側(cè)）的上弦桿、節(jié)點(diǎn)、斜撐、拱肋的頂部等構(gòu)件的加固方案如下：對(duì)已出現(xiàn)的部分裂縫采用環(huán)氧化學(xué)壓力灌漿的方法進(jìn)行加固處理；在上弦桿的底面和側(cè)面、節(jié)點(diǎn)的側(cè)面、斜撐的側(cè)面和拱肋的頂部底面（都為彎拉區(qū)）粘貼一層碳纖維薄板，并在上弦桿的底面和側(cè)面粘貼芳綸纖維箍或高強(qiáng)玻璃纖箍（見圖3）。碳纖維薄板規(guī)格為：0.1m寬X 0.5 mm厚（長(zhǎng)度任意，

8、下同）；芳綸纖維薄板規(guī)格為：0.1m寬X 0.4 mm厚；高強(qiáng)玻璃纖維帶規(guī)格為：0.1m3范 X 0.4 mm厚;芳蛇纖維 戢肝堆在斜撐的受剪部分采用高強(qiáng)玻璃纖維帶進(jìn)行纏繞加固（圖2）;IK-富強(qiáng)縫璃纖雉圖2纖維薄板粘貼加固示意圖對(duì)加固部位噴射（或涂抹）玻璃纖維環(huán)氧樹脂；對(duì)要求做美觀處理的施工部位做色彩處理。另一方面，由于橋面鋪裝層基本完好，但大部分肋掖板損壞嚴(yán)重，經(jīng)研究決定，此次加固工程不換橋 面鋪裝層，只對(duì)部分損壞嚴(yán)重的肋掖板進(jìn)行加固。經(jīng)采用 ANSYS大型有限元分析程序?qū)Ω鞑课坏睦咭窗?的受力進(jìn)行分析后，提出加固方案如下：對(duì)拱頂附近的肋掖板，采用碳纖維薄板和芳綸纖維薄板或高強(qiáng)玻璃纖維薄板

9、按照?qǐng)D3 （a）所示方案進(jìn)行加固；對(duì)上弦桿部分的肋掖板，采用碳纖維薄板和芳綸纖維薄板或高強(qiáng)玻璃纖維薄板按照?qǐng)D3 （b）所示方案進(jìn)行加固。3施工工藝?yán)w維薄板的施工工藝對(duì)加固效果影響極大，為盡可能保證加固效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本研究采用了如 下施工工藝。環(huán)氧化學(xué)壓力灌漿的施工步驟為：灌漿嘴定位、封縫；灌漿（根據(jù)裂縫不同部位及不同寬度確定相應(yīng)型號(hào)的AB灌漿樹脂）；確認(rèn)灌漿完成，樹脂初凝后卸除機(jī)具。粘貼纖維薄板的施工步驟為：基底打磨處理；涂刷底層樹脂；修復(fù)、填補(bǔ)混凝土粘結(jié)面上的缺陷及不平整部位；涂刷粘貼 環(huán)氧膠（國(guó)產(chǎn)神力鈴牌環(huán)氧粘結(jié)劑），并粘貼纖維薄板；采用專用充氣壓力帶或真空吸附法對(duì)纖維薄板加壓。加固

10、完畢后，在纖維薄板的外表面及其附近涂抹或噴射玻璃纖維環(huán)氧樹脂；對(duì)施工部位及其附近區(qū)域做色彩處理。（a）拱頂附近的肋腋板n（b）上弦桿部分的肋腋板圖3肋腋板加固方案示意圖4加固效果分析按照大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法 的要求對(duì)加固后的剛架拱橋進(jìn)行了動(dòng)靜載試驗(yàn) （詳情另文報(bào)道） 試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)采用上述方法的加固，該橋恢復(fù)了原設(shè)計(jì)承載能力。自 2月3日通車以來(lái)，該橋運(yùn)營(yíng) 情況良好。上述剛架拱橋的實(shí)橋加固結(jié)果表明，與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)相比，本文所示加固技術(shù)除了纖維材料所具有 的共同優(yōu)點(diǎn)，即高強(qiáng)度、耐腐蝕和重量輕以外，還具有如下特點(diǎn)：纖維材料可根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際需要，采用進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的各種性能不同的碳纖維、

11、芳綸纖維等；纖維薄板由本課題組及合作單位自編，基本材料為國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹脂；粘結(jié)劑全部采用國(guó)產(chǎn)材料；纖維薄板加固層由受力層、防護(hù)層(防老化、防碰撞)及裝飾層組成，具有結(jié)構(gòu)合理、耐用、美觀 等優(yōu)點(diǎn)；本加固技術(shù)的性能價(jià)格比優(yōu)于現(xiàn)有的加固技術(shù)，如鋼板加固法、體外筋加固法等；本加固技術(shù)的單價(jià)與鋼板加固技術(shù)持平，總單價(jià)約為960元/平方米；現(xiàn)場(chǎng)施工方便；所需配套設(shè)備少。因此，本文方法將對(duì)今后的舊橋加固具有重要的參考作用。參考文獻(xiàn)1涌井一，松本信之.新素材纖維一卜仁上盲鐵道高架橋內(nèi)耐震補(bǔ)強(qiáng).JSCE,1997,82(May) : 10-122荒木伸宏，松崎育弘，中野克彥等.一卜狀連續(xù)纖維仁上斷補(bǔ)強(qiáng)RC梁內(nèi)構(gòu)造性

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