论文部分内容阅读
[摘要]利用碳纤维材料特性，对久远年代修建的桥梁进行加固补强。
[关键词] 桥梁 病害 碳纤维材料 加固 补强
一、概述
海拉尔中央桥位于呼伦贝尔市海拉尔区的市中心，跨越伊敏河。桥梁长330米，宽7米，桥梁上部结构形式为13孔带挂梁的双悬臂梁桥，跨径组合为13+26+9×28+26+13m，下部为重力式桥墩，刚性扩大基础。桥梁横向由两道纵梁组成，中间设置横隔板进行横向连接，沿梁体纵向共设8道横隔梁。
该桥始建于1944年，在伪满洲国时期，日本帝国主义基于战争的需要，由侵华日军修建。由于年代久远图纸丢失，考虑当时战争武器坦克的重量，设计荷载等级应为汽-10标准。到目前中央桥已经投入使用67年的时间，多年来桥梁损伤逐渐积累，特别是近年来，过桥车辆重量的迅速增大，该桥呈现出一系列严重病害，具体如下：
（1） 主梁和挂梁在跨中出现竖向裂缝，裂缝宽度达0.5mm，为抗弯破坏裂缝；
（2） 挂梁支点处和悬臂梁根部出现斜裂缝，裂缝宽度达0.4mm，为抗剪破坏裂缝；
（3） 重力式墩台出现若干条裂缝，刚性扩大基础开裂严重；
（4） 牛腿处支座锈蚀严重，不能纵向滑动；
（5） 旧桥与新桥桥面间有较大空隙，最这宽达到10厘米，桥面板有露筋现象。
1996年根据城市交通发展的需要，在原中央桥（我们称旧桥）两侧紧靠旧桥又新建了两座新桥，桥梁为连续无梁板结构。新桥通行后，考虑将旧桥退役，并停止使用。近年来由于交通迅猛发展，我们考虑是否延长旧桥的使用寿命。于是，2010年4月我们委托哈尔滨工业大学对该桥进行了荷载试验，通过对试验数据和实桥运营情况的分析，哈尔滨工业大学提出了改造方案和加固维修措施。
二、维修加固依据
（1）《海拉尔中央桥（旧桥）荷载试验报告》，哈尔滨工业大学，2010年5月；
（2）《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004；
（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004；
（4）《混凝土结构加固技术规范》CECS 25:90；
（5）《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS 146：2003。
三、维修加固原则与考虑
加固原则：
① 主次分明，重点突出；
② 考虑全面：较为严重的病害得到可靠的处理，轻度病害进行一般性处理；
③ 不增加桥梁自重；
④ 保持原有桥面；
⑤ 结构维持原来荷载等级；
⑥ 节约成本，便于施工。
该桥修建于伪满时期，详细设计图纸丢失，结构内部配筋、各部件详细尺寸及施工过程不详，给加固设计带来了很大困难，通过采用全面的无损检测技术和荷载试验，主要考虑了如下实际情况：
① 主梁混凝土年代较久，但是表观状况较好，混凝土强度现场测试也表明原混凝土质量良好，具有加固的潜力和价值；
② 主梁的裂缝发展比较严重，一般可以采用预应力加固或者粘贴碳纤维片加固两种方法。考虑到如果外加预应力钢筋，会对原梁造成损伤，可能出现意想不到的问题，为安全起见，选用外贴碳纤维布的方法，该方法对结构无损伤，但是荷载提高的幅度相对较小，维持原来荷载等级（汽-10）；
③ 牛腿处支座锈蚀严重，支座上的挂梁在纵向无法移动，加固时必须清理支座，保证其纵向滑动能力。同桥面铺装沿纵向连续现浇，不留缝隙；
④ 牛腿处有斜裂缝，沿与斜裂缝垂直的方向贴碳纤维布处理；
⑤ 部分重力式桥墩的墩身有竖向裂缝和少量的横向裂缝，加固时，先封闭裂缝，再在墩身环向粘贴碳纤维布。
⑥ 部分刚性扩大基础表面混凝土破损严重，加固时将基础顶面以下两米内风化和开裂的混凝土凿除，在核心混凝土表面缠绕环向箍筋，然后浇筑密实性好的高耐久性混凝土。
四、碳纤维材料的性能特点 碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP）加固混凝土结构技术是一种新型、高效的结构加固技术。工程中采用的碳纤维加固混凝土结构技术是利用树脂胶结材料，将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，以达到结构加固补强及改善结构受力性能的目的。 碳纤维加固技术具有以下的优良性能。 （1）高强度高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10 倍，弹性模量和钢材相近。因此，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到加固修补的目的。 （2）抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。（3）热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零，这一特性是目前其他任何材料无可比拟的，垂直于纤维方向的热膨胀系数虽然比较大，但各向同性制品与其它材料相比又最小。 （4）施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以根据设计尺寸用剪刀或刀片将其任意裁剪，操作简单，施工速度快。
（5）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。 （6）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。 （7）适用范围广。可用于不同结构类型、尤其适用于大型桥梁的桥墩、梁及桥面板等。
五、维修加固方案及施工要点
1、裂缝灌浆
对梁体、桥墩、桥台及基础等部位所有宽度大于0.2mm的裂缝用环氧浆液填充，对其它裂缝用环氧树脂胶在表面涂刷两遍进行封闭。具体施工时的优先顺序就按《海拉尔中央桥（旧桥）检测报告》要求，并结合现场实际情况，先处理宽而长的裂缝，后处理细小裂缝。
2、主梁正截面搞弯承载力加固（粘贴碳纤维布）
中央桥建造年代久远，从表面裂缝与病害可以判断出，该桥曾经承受过超过设计荷载的车辆，对该桥造成了严重的永久性结构损伤，其中跨中正截面裂缝宽度超过0.5mm（规范规定为0.2mm），裂缝高度已经接近主梁的梗掖处。
为了在保证加固效果的前提下又便于施工，在全桥主梁梁底粘贴两层碳纤维布。根据粘贴碳纤维的要求，在梁的正弯矩区域粘贴CFRP加固时，对于跨径20m以内的，一般将片材末端延伸至支座边缘。考虑到该桥主跨跨径为28m，从结构安全性和施工方便性角度出发，沿全跨通长（包括标准跨和挂梁段）粘贴CFRP。在CFRP端部采用U型CFRP条带锚固。
3、主梁斜截面抗剪承载力加固（粘贴碳纤维布）
从试验报告可知，悬臂梁和挂梁的斜截面裂缝发展都很严重，其中支点斜截面裂缝的最大宽度达到0.4mm，所以要对其进行斜截面加固。
斜截面的CFRP采用U型粘贴方式，端部采用压条的锚固措施。在粘贴碳纤维之前，必须对裂缝进行处理。
4、牛腿處理
牛腿处有斜裂缝出现。通过受力分析，牛腿处局部受力很复杂，应力变化较剧烈，角隅处有应力集中现象，牛腿上存在一个最弱斜截面，刚好是实际中斜裂缝出现的位置，所以在与斜裂缝垂直度的方向贴碳纤维片来处理。
5、新旧桥间缝隙处理
考虑到旧桥与新桥的竖向振动频率、幅度差异较大，而横向振动基本一致，处理采用以下措施：①新桥主梁侧面焊接角钢，旧桥一侧角钢端头处设置橡胶垫层，使新旧桥之间可以竖向错动；②角钢上现浇纵向连续的桥面铺装。
6、墩台与基础加固
部分重力式桥墩的墩身有竖向裂缝和横向裂缝出现，加固时，先封闭裂缝，在墩身环向粘贴碳纤维布。
六、加固效果
该桥经过强度和刚度两方面的加固补强后，效果比较明显，恢复到了原来荷载等级。
[关键词] 桥梁 病害 碳纤维材料 加固 补强
一、概述
海拉尔中央桥位于呼伦贝尔市海拉尔区的市中心，跨越伊敏河。桥梁长330米，宽7米，桥梁上部结构形式为13孔带挂梁的双悬臂梁桥，跨径组合为13+26+9×28+26+13m，下部为重力式桥墩，刚性扩大基础。桥梁横向由两道纵梁组成，中间设置横隔板进行横向连接，沿梁体纵向共设8道横隔梁。
该桥始建于1944年，在伪满洲国时期，日本帝国主义基于战争的需要，由侵华日军修建。由于年代久远图纸丢失，考虑当时战争武器坦克的重量，设计荷载等级应为汽-10标准。到目前中央桥已经投入使用67年的时间，多年来桥梁损伤逐渐积累，特别是近年来，过桥车辆重量的迅速增大，该桥呈现出一系列严重病害，具体如下：
（1） 主梁和挂梁在跨中出现竖向裂缝，裂缝宽度达0.5mm，为抗弯破坏裂缝；
（2） 挂梁支点处和悬臂梁根部出现斜裂缝，裂缝宽度达0.4mm，为抗剪破坏裂缝；
（3） 重力式墩台出现若干条裂缝，刚性扩大基础开裂严重；
（4） 牛腿处支座锈蚀严重，不能纵向滑动；
（5） 旧桥与新桥桥面间有较大空隙，最这宽达到10厘米，桥面板有露筋现象。
1996年根据城市交通发展的需要，在原中央桥（我们称旧桥）两侧紧靠旧桥又新建了两座新桥，桥梁为连续无梁板结构。新桥通行后，考虑将旧桥退役，并停止使用。近年来由于交通迅猛发展，我们考虑是否延长旧桥的使用寿命。于是，2010年4月我们委托哈尔滨工业大学对该桥进行了荷载试验，通过对试验数据和实桥运营情况的分析，哈尔滨工业大学提出了改造方案和加固维修措施。
二、维修加固依据
（1）《海拉尔中央桥（旧桥）荷载试验报告》，哈尔滨工业大学，2010年5月；
（2）《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004；
（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004；
（4）《混凝土结构加固技术规范》CECS 25:90；
（5）《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS 146：2003。
三、维修加固原则与考虑
加固原则：
① 主次分明，重点突出；
② 考虑全面：较为严重的病害得到可靠的处理，轻度病害进行一般性处理；
③ 不增加桥梁自重；
④ 保持原有桥面；
⑤ 结构维持原来荷载等级；
⑥ 节约成本，便于施工。
该桥修建于伪满时期，详细设计图纸丢失，结构内部配筋、各部件详细尺寸及施工过程不详，给加固设计带来了很大困难，通过采用全面的无损检测技术和荷载试验，主要考虑了如下实际情况：
① 主梁混凝土年代较久，但是表观状况较好，混凝土强度现场测试也表明原混凝土质量良好，具有加固的潜力和价值；
② 主梁的裂缝发展比较严重，一般可以采用预应力加固或者粘贴碳纤维片加固两种方法。考虑到如果外加预应力钢筋，会对原梁造成损伤，可能出现意想不到的问题，为安全起见，选用外贴碳纤维布的方法，该方法对结构无损伤，但是荷载提高的幅度相对较小，维持原来荷载等级（汽-10）；
③ 牛腿处支座锈蚀严重，支座上的挂梁在纵向无法移动，加固时必须清理支座，保证其纵向滑动能力。同桥面铺装沿纵向连续现浇，不留缝隙；
④ 牛腿处有斜裂缝，沿与斜裂缝垂直的方向贴碳纤维布处理；
⑤ 部分重力式桥墩的墩身有竖向裂缝和少量的横向裂缝，加固时，先封闭裂缝，再在墩身环向粘贴碳纤维布。
⑥ 部分刚性扩大基础表面混凝土破损严重，加固时将基础顶面以下两米内风化和开裂的混凝土凿除，在核心混凝土表面缠绕环向箍筋，然后浇筑密实性好的高耐久性混凝土。
四、碳纤维材料的性能特点 碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP）加固混凝土结构技术是一种新型、高效的结构加固技术。工程中采用的碳纤维加固混凝土结构技术是利用树脂胶结材料，将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，以达到结构加固补强及改善结构受力性能的目的。 碳纤维加固技术具有以下的优良性能。 （1）高强度高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10 倍，弹性模量和钢材相近。因此，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到加固修补的目的。 （2）抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。（3）热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零，这一特性是目前其他任何材料无可比拟的，垂直于纤维方向的热膨胀系数虽然比较大，但各向同性制品与其它材料相比又最小。 （4）施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以根据设计尺寸用剪刀或刀片将其任意裁剪，操作简单，施工速度快。
（5）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。 （6）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。 （7）适用范围广。可用于不同结构类型、尤其适用于大型桥梁的桥墩、梁及桥面板等。
五、维修加固方案及施工要点
1、裂缝灌浆
对梁体、桥墩、桥台及基础等部位所有宽度大于0.2mm的裂缝用环氧浆液填充，对其它裂缝用环氧树脂胶在表面涂刷两遍进行封闭。具体施工时的优先顺序就按《海拉尔中央桥（旧桥）检测报告》要求，并结合现场实际情况，先处理宽而长的裂缝，后处理细小裂缝。
2、主梁正截面搞弯承载力加固（粘贴碳纤维布）
中央桥建造年代久远，从表面裂缝与病害可以判断出，该桥曾经承受过超过设计荷载的车辆，对该桥造成了严重的永久性结构损伤，其中跨中正截面裂缝宽度超过0.5mm（规范规定为0.2mm），裂缝高度已经接近主梁的梗掖处。
为了在保证加固效果的前提下又便于施工，在全桥主梁梁底粘贴两层碳纤维布。根据粘贴碳纤维的要求，在梁的正弯矩区域粘贴CFRP加固时，对于跨径20m以内的，一般将片材末端延伸至支座边缘。考虑到该桥主跨跨径为28m，从结构安全性和施工方便性角度出发，沿全跨通长（包括标准跨和挂梁段）粘贴CFRP。在CFRP端部采用U型CFRP条带锚固。
3、主梁斜截面抗剪承载力加固（粘贴碳纤维布）
从试验报告可知，悬臂梁和挂梁的斜截面裂缝发展都很严重，其中支点斜截面裂缝的最大宽度达到0.4mm，所以要对其进行斜截面加固。
斜截面的CFRP采用U型粘贴方式，端部采用压条的锚固措施。在粘贴碳纤维之前，必须对裂缝进行处理。
4、牛腿處理
牛腿处有斜裂缝出现。通过受力分析，牛腿处局部受力很复杂，应力变化较剧烈，角隅处有应力集中现象，牛腿上存在一个最弱斜截面，刚好是实际中斜裂缝出现的位置，所以在与斜裂缝垂直度的方向贴碳纤维片来处理。
5、新旧桥间缝隙处理
考虑到旧桥与新桥的竖向振动频率、幅度差异较大，而横向振动基本一致，处理采用以下措施：①新桥主梁侧面焊接角钢，旧桥一侧角钢端头处设置橡胶垫层，使新旧桥之间可以竖向错动；②角钢上现浇纵向连续的桥面铺装。
6、墩台与基础加固
部分重力式桥墩的墩身有竖向裂缝和横向裂缝出现，加固时，先封闭裂缝，在墩身环向粘贴碳纤维布。
六、加固效果
该桥经过强度和刚度两方面的加固补强后，效果比较明显，恢复到了原来荷载等级。