颜家学

（贵州省交通科学研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550000）

经济高速、高质量发展的同时，我国交通基础建设也在快速发展。经济的繁荣导致道路通行压力增大，很多早期服役的桥梁，其结构性能、承载能力等指标已无法满足当前交通运输的要求。加之自然环境侵蚀、车辆荷载及流量增加，导致结构材料出现疲劳，缩短了桥梁使用寿命。目前，我国很多仍在运行的桥梁出现了结构老化、路用性能降低等一系列问题，已经超出了现行规范，存在一定的安全隐患[1]。如果全部拆除或改建，不仅会带来巨大的经济损失，也有悖于国家的可持续发展战略。在已建桥梁的基础上，利用已有的技术手段，尽量提高和修复服役桥梁的承载能力，使其能继续满足运营安全需求，而且具有很大的社会效益和经济效益。

某桥梁项目由左、右两部分组成，其中左幅大桥全长2 329 m，而右幅桥长则为2 319 m，桥面全宽24.50 m，桥面净宽22.50 m。此桥上部结构为T梁，下部结构为柱或墩、基础为桩基。荷载等级为一级公路标准，经质量检验发现该桥梁存在下列主要问题：

（1）上部结构的主要病害是梁体裂缝，主要包括T形梁斜向裂缝、垂直裂缝、纵向裂缝；
钢筋锈蚀，断裂露筋、渗透碱化，水侵痕迹，梁体位移变形。

（2）横隔板结构件的主要病害有竖直向开裂、斜方向开裂；
表层构造的各种露筋破损、渗水部位碱化，附属件模板未拆除。

（3）支座处脱空、老化发展裂缝、移动偏位，以及支座部位出现剪切变形、局部凸起、垫石损坏甚至断裂。

（4）桥梁下部结构存在的质量问题包括竖直、斜向、横向都产生了一定程度的裂缝，钢筋存在锈蚀、露筋病变，混凝土表面有蜂窝状麻面，立柱局部断裂。

（5）桥面系主要质量问题：伸缩缝范围内产生了纵裂，伸缩缝区域的防排水设备出水口处存在一定堵塞。

按照现行《公路桥梁技术状况评定标准》的规定，对该桥梁工程进行质量评定，得出如下结论：①左幅上部结构质量等级为3类，下部结构质量等级为2类，桥面结构的质量等级为2类；
该桥梁项目左幅整体质量安全等级为3类；
②右幅上部结构质量等级为3类，下部结构质量等级为2类，桥面结构的质量等级为2类，该桥梁项目右幅整体质量安全等级为2类；
③按照现行公路桥梁技术状况评定以及运营阶段技术状态评定标准，其技术状态得分范围是“60分≤Dr＜80分”，等级确定为3类。质量检测评定显示，该服役桥梁项目左幅质量状况不佳，应采用中修方案；
右幅的质量情况比较好，需要可采用小修措施。

2.1 加固建议

结合此桥梁项目的健康监测、质量评定等级，分析了造成质量病害的主要原因，并按现行桥梁养护标准，提出了如下加固建议：

2.1.1 上部承重构件

（1）T梁混凝土施工阶段存在的主要缺陷为蜂窝、麻面。对于损坏、孔洞、露筋等病害，应首先将松散的病害混凝土清除、锈蚀损伤的钢筋除锈，再用环氧水泥砂浆复合材料进行补强。钢筋保护层厚度不充分的质量问题，以水泥基渗透结晶性物质为原料，在构件混凝土表面涂覆水泥浆复合材料。

（2）针对渗透碱化的病害：先清除碱基区域的松散混凝土，然后对受损的混凝土进行修补，并及时修补防水混凝土。

（3）针对梁体的结构性竖向裂缝：应先进行封闭处理，并采取适宜的加固措施；
对非结构的垂直裂缝，也必须采取封闭措施[2]。

（4）针对横梁结构的纵裂：裂纹宽度在0.15 mm以上的，宜采用压浆修复；
对于裂纹宽度＜0.15 mm的裂纹，宜采取表面封堵方法。

（5）针对T梁的纵向偏移质量问题，要加强观察，并采取相应的治理方案。

2.1.2 上部一般构件

（1）针对横隔板结构件、湿接缝混凝土的质量问题，如蜂窝、麻面、露筋等，应首先将松散的病害混凝土清除、锈蚀损伤的钢筋除锈，再用环氧水泥砂浆复合材料进行补强。

（2）钢筋保护层厚度不够的质量问题：利用以水泥为基础的渗透性晶体材料制成浆液，在构件的混凝土表面进行涂敷治理。

（3）针对未拆除的模板，应及时进行模板拆除。

（4）针对渗透碱化病害：先清除碱基区域的松散混凝土，然后对受损的混凝土进行修补，并及时修补其防水混凝土。

（5）横隔板结件间存在裂缝的质量问题：可先采用封堵、灌缝方案，如裂缝继续发展，可利用粘贴钢板、增加系梁、增设外部预应力筋等方案，进行维修。

2.1.3 支座

脱空病害支座，可采用填补措施；
支座垫石损坏，可采用环氧复合砂浆修补；
老化及剪切开裂、局部凸起的支座，可采用顶升更换方案；
偏位问题的支座，可采用顶升复位办法恢复[3]。

2.1.4 桥墩

桥墩混凝土缺陷，如蜂窝、麻面、孔洞、露筋等病害，应先将松散的病害混凝土清除、锈蚀损伤的钢筋除锈，再用环氧水泥砂浆复合材料进行补强；
钢筋保护层厚度不充分的情况下，以水泥基渗透结晶性物质为原料，在构件混凝土表面进行涂覆治理。

针对混凝土构件的裂缝，可采用压浆进行闭合的方法修复，压浆工序完工后，应将混凝土表面涂刷灰浆，以降低修补区域混凝土外观的色差，以确保墩身混凝土的外观质量达标。

2.1.5 伸缩缝

伸缩缝范围内的纵向裂缝质量问题，可以采用灌缝剂封闭方案，需及时清理排水管堵塞段，并注意确保排水设备、排水系统的通畅。

伸缩缝、排水孔等附属结构，应定时清扫，并加强日常巡查、养护，一旦发现质量问题，应及时处理。

2.2 加固方法

碳纤维材料粘贴加固是近年来出现的一种新型加固技术。不同于钢材料，它具有完全的弹性，没有塑性区和屈服点，且碳纤维复合材料的拉伸强度、耐蚀性均有很强优势。通过试验数据分析，其应力-应变关系曲线如图1所示。

图1 CFRP应力应变曲线

由于碳纤维材料的加入，使其与受力部件共同作用，限制了裂缝病害的发展，提高了结构刚度，使梁的受力达到了最优工况[4]。同时碳纤维复合材料不但可以增强结构的抗剪承载能力，而且还可以显著降低结构变形。该复合材料利用粘结剂将纤维复合板与原桥黏合，而结合成复合结构，使二者协同作用，以提高桥梁的整体强度和承载力。碳纤维材料加固施工技术，主要用于承重构件，如主梁结构，当然非承重构件也可以采用碳纤维复合材料方案补强。

纤维复合材料强度高、韧性好，不需要像钢板加固方案一样长期维护。此加固工艺较为简单，而且当其密度值为200~300 g/mm2时，厚度范围仅为0.110~0.166 mm，此方案实施后，几乎不会改变桥下净空。采用碳纤维复合材料加固桥梁，不仅不会引起结构内部的应力变化，而且能保证在设计荷载范围内与原有结构共同承受各类荷载。碳纤维复合材料也存在一定的缺点，例如造价高，使其加固成本费用相应增加，且这项技术对工人的技术能力要求更高，方案实施需要专业技术人员操作，进一步造成维修成本增大[5]。

2.3 加强质量管理

在检测施工材料的质量时，应当严格按照各项指标，对原材料质量及规格进行全面检测。加强进场原材料检查，对进场原材料严谨核对出厂证明，严格执行现行原材料试验规程、技术规范的指标，对每批次材质合规性进行核查，按频率进行抽样检查，严禁不合格产品进场，确保项目质量达标。

完善质量监督体系，落实责任人，强化施工质量监督人员的责任意识。质检人员在项目建设过程中，应加强施工过程管控，针对施工中出现的不合格行为，应及时制止，并要求整改；
针对施工中的关键控制点，应加强旁站、巡视力度，确保工程建设质量满足规范及设计标准要求。

Midas软件是一款结构设计的有限元分析软件。MidasCivil主要用于建筑结构，尤其是箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊桥梁结构形式的受力模拟分析。

3.1 采用Midas有限元软件进行建模

Midas Civil在Windows环境下，经过国内外专家的不懈努力，采用C++技术而实现运行。Midas Civil的开发，为结构受力分析提供了许多方便，能够从多个角度对结构模型进行校验，从而使受力计算更加精确、高效[6]。尤其是在桥梁结构分析方面，Midas Civil在建模、分析和后处理过程中，结合了国内的规范和经验，在方便设计、施工等诸多领域的基础上，被广泛应用[7]。

运用Midas Civil软件建立有限元模型，对桥梁在荷载作用下的损伤特性，进行了计算分析，有限元模型见图2所示。

图2 全桥整体模型

3.2 CFRP的模拟

分析T梁梁底粘贴碳纤维复合材料加固方案效果时，利用平面应力单元对T梁底部粘贴的碳纤维材料进行了仿真[8-9]。通过输入材料性能函数，并设定界面间的边界条件，以模拟碳纤维复合材料与主梁的粘接及协同受力，从而实现变形、位移的协调，避免了黏结和滑动破坏[10]。

3.3 加固效应结果对比

研究项目以跨中、最中部的T梁为研究对象：①分析梁体挠度变化时，选择中梁和边跨中段的变形情况；
②分析T梁应力变化时，选用中梁最中部T梁，进行对比分析。

3.3.1 挠度

见图3，描述了该桥加固前后的挠度对比数据：

图3 桥梁加固前后挠度对比

3.3.2 应力

图4描述了该桥加固前后的应力对比数据。

图4 桥梁加固前后应力对比（单位：N/mm2）

综上分析，可以得出如下的结论：

（1）当各构件承受同样弯矩时，无论在中梁还是在边梁上，加固T梁挠度均比原构件小，这一研究结果显示碳纤维增强复合材料补强方案对T梁刚度有明显改善。

（2）采用碳纤维复合材料进行加固后，其底板应力显著提高，中跨和边跨应力值可降低30%~50%，从而显著提高了桥梁承载力。

分析结论表明，碳纤维加固方案既能提高结构的刚度、承载力，并能有效抑制裂缝病害进一步发展，采用CFRP技术对桥梁结构件进行加固的效果显著。

综上，对某T梁桥进行了质量检测和仿真计算，可以得出：定期质量检测作为监测桥梁健康状况的主要措施之一，做出的质量检测及评定对加固措施选用具有重要意义；
针对主梁裂缝病害，应先采用裂缝封闭技术使主梁裂缝封闭后，可采用碳纤维复合材料补强方案以有效改善结构承载力；
尽管加固后的桥梁在一定程度上具有较好的承载能力，但在自然环境、运营条件下，其结构很容易出现各种损伤，从而使其性能恶化，因此要高度重视对后期养护工作的强化，同时要跟踪检查，确保桥梁处于稳定的安全使用状态。

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