纖維薄板加固混凝土剛架拱橋的工程實踐

1、纖維薄板加固混凝土剛架拱橋的工程實踐由于設計等級偏低、結構老化、環(huán)境惡劣、施工不當和超載等人為因素，混凝土橋梁的損壞日益嚴重，全國已出現(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、高效 地對這些舊危橋進行加固和維修，高強纖維布或纖維薄板粘貼加固技術由于其具有強度高、耐腐蝕、重量輕、施工方便、工期短等優(yōu)點而在國內(nèi)外備受關注1W。近年來，國外尤其是日本和歐美的專家、學者對纖維薄板或纖維布粘貼加固混凝土橋梁結構的機理做了大量的研究，并在工程中予以大力推廣應用。在國內(nèi)，國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術研究中心、清華大學、天津大學、東南大學、同濟大學和理工大學等單位在碳纖

2、維布或碳纖維薄板加固混凝土構件方面也做了不少工作，有的已應用于工程實踐中7。另一方面，混凝土舊危橋中受拉構件容易產(chǎn)生裂縫，采用纖維薄板或纖維布對有裂縫混凝土構件進行加固后，構件的破壞模式及其強度與無裂縫加固構件有別。為此，本課題組在國家自然科學基金項目、省自然科學基金項目和省科委重點攻關項目等的支持下，對此類構件的承載能力、破壞機理等進行了一系列的研究，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用于工程實踐，省交通廳于去年對省公路舊危橋承載能力的檢測、評定方法及加固技術研究進行立項，并委托省公路管理局和理工大學交通學院承擔此課題。國道上某一混凝土剛架拱橋由于損壞嚴重急需加固維修

3、，故被列為本課題組的試驗橋。今年一月份，為了保證春運，本課題組采用自行編制的碳纖維、芳綸纖維和高強玻璃纖維薄板，對該剛架拱橋（半幅）進行了加固，加固后經(jīng)動靜載試驗確認加固效果后即開通運行，至今情況良好。本文介紹該橋的加固技術和方法。1 工程概況國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，設計荷載為汽20、掛一100;新舊橋均為雙車道鋼筋混凝土剛架拱結構，橋面寬各為 9.5m,跨徑為70m。該橋建成通車以來運營情況良好。然而，由于近年來交通量的不斷增長，尤其是超載車輛的大量涌現(xiàn)，致使該橋出現(xiàn)了較嚴重的病害。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)點等部位出現(xiàn)較多裂縫，而且擴展迅速，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重。為保證交通運輸安全，該市公路局于同年11 月初將該橋的新橋部分（半幅）實行交通管制。201 年 月，該橋的新橋部分經(jīng)理工大學交通學院檢測后認為，新橋病害較嚴重，承載能力明顯下降，為保證交通安全，必須進行加固處理。此外，自從新橋被實行交通管制后。所有車輛都從舊橋上行駛。經(jīng)過 1 個多月的通行，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設計通行能力，并保證201 年的春運，必須盡快對該橋進行加固。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上，經(jīng)過理論和有限

5、元分析、模擬實驗、并與國內(nèi)外參考資料比較后確定。其中，上弦桿等構件的抗彎拉、抗剪模擬實驗簡述如下。2.1 模擬實驗模擬實驗的試件尺寸為 0.1m x 0.2m x 1.8m,計算尺寸為 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（長度任意，下同）的碳纖維薄板（預浸帶），其彈性模量Ecf=240 Gpa,抗拉強度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；高強玻璃纖維帶規(guī)格為0.1m X 0.4 mm厚。為使模擬實驗更加接近實際情況，試件分為3組：無加固鋼筋混凝土梁；底部粘貼碳纖維薄板的加固梁；先對無加固鋼筋混凝土梁施加靜載使其出現(xiàn)足夠長的裂縫，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試驗機上進行靜載試驗，試驗結果列于表1。由表1可知，圖2所示加固試件的極限承載力是無加固試件的1.52倍。表1 試驗結果試件類型及編

7、號極限荷載（KN ）極限承載力增幅無增強試件 A-1、A-2、A-335.57-纖維薄板增強試件 C-1、C-2、C-349.6539.6%先開裂后增強試件 D-1補、D-3補54.1952.3%2.2 加固方案為恢復、甚至提高該橋的承載能力，本方案擬對該橋的新橋（下游側）的上弦桿、節(jié)點、斜撐、拱肋的頂部等構件的加固方案如下：對已出現(xiàn)的部分裂縫采用環(huán)氧化學壓力灌漿的方法進行加固處理；在上弦桿的底面和側面、節(jié)點的側面、斜撐的側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面粘貼芳綸纖維箍或高強玻璃纖箍（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玻璃纖維帶進行纏繞加固（圖2）;IK-富強縫璃纖雉圖2纖維薄板粘貼加固示意圖對加固部位噴射（或涂抹）玻璃纖維環(huán)氧樹脂；對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重，經(jīng)研究決定，此次加固工程不換橋 面鋪裝層，只對部分損壞嚴重的肋掖板進行加固。經(jīng)采用 ANSYS大型有限元分析程序對各部位的肋掖板 的受力進行分析后，提出加固方案如下：對拱頂附近的肋掖板，采用碳纖維薄板和芳綸纖維薄板或高強玻璃纖維薄板

9、按照圖3 （a）所示方案進行加固；對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玻璃纖維薄板按照圖3 （b）所示方案進行加固。3施工工藝纖維薄板的施工工藝對加固效果影響極大，為盡可能保證加固效果，根據(jù)現(xiàn)場情況，本研究采用了如 下施工工藝。環(huán)氧化學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型號的AB灌漿樹脂）；確認灌漿完成，樹脂初凝后卸除機具。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、填補混凝土粘結面上的缺陷及不平整部位；涂刷粘貼 環(huán)氧膠（國產(chǎn)神力鈴牌環(huán)氧粘結劑），并粘貼纖維薄板；采用專用充氣壓力帶或真空吸附法對纖維薄板加壓。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方法 的要求對加固后的剛架拱橋進行了動靜載試驗 （詳情另文報道） 試驗結果表明，通過采用上述方法的加固，該橋恢復了原設計承載能力。自 2月3日通車以來，該橋運營 情況良好。上述剛架拱橋的實橋加固結果表明，與國內(nèi)外同類技術相比，本文所示加固技術除了纖維材料所具有 的共同優(yōu)點，即高強度、耐腐蝕和重量輕以外，還具有如下特點：纖維材料可根據(jù)工程結構的實際需要，采用進口或國產(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，基本材料為國產(chǎn)環(huán)氧樹脂；粘結劑全部采用國產(chǎn)材料；纖維薄板加固層由受力層、防護層(防老化、防碰撞)及裝飾層組成，具有結構合理、耐用、美觀 等優(yōu)點；本加固技術的性能價格比優(yōu)于現(xiàn)有的加固技術，如鋼板加固法、體外筋加固法等；本加固技術的單價與鋼板加固技術持平，總單價約為960元/平方米；現(xiàn)場施工方便；所需配套設備少。因此，本文方法將對今后的舊橋加固具有重要的參考作用。參考文獻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)耐震補強.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)纖維仁上斷補強RC梁內(nèi)構造性

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