碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層在橋梁加固中的應(yīng)用

■黃志龍

（福建陸海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，福州 350008）

1 引言

碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層是由碳纖維網(wǎng)格及其配套高強(qiáng)砂漿組合而成的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)層薄、自重輕、施工簡(jiǎn)便無(wú)需設(shè)置模板、施工周期短、耐久性好等特點(diǎn)。 目前國(guó)內(nèi)對(duì)于采用碳纖維用于橋梁結(jié)構(gòu)加固的研究已經(jīng)相對(duì)完善，但是針對(duì)碳纖維網(wǎng)格結(jié)合高強(qiáng)砂漿對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)加固的應(yīng)用研究較少。 本文以福建省某國(guó)道橋梁加固工程為依托，通過碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層加固后的橋梁結(jié)構(gòu)承載力提升效果計(jì)算分析結(jié)果， 提出了采用碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層加固的方法，為后期類似橋梁加固工程提供參考。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

該橋位于福建省某國(guó)道上，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20，掛車-100，上部結(jié)構(gòu)采用1 m×13 m 鋼筋混凝土現(xiàn)澆空心板，橋梁全長(zhǎng)28.4 m，橋臺(tái)采用U 型橋臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ)。 橋梁全寬9.4 m，橋面橫向布置為：0.2 m（護(hù)欄）+9.0 m（行車道）+0.2 m（護(hù)欄）。 橋梁上部結(jié)構(gòu)為：空心板梁，簡(jiǎn)易支座。 橋梁下部結(jié)構(gòu)為：重力式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。 橋面系為：水泥混凝土鋪裝，暗埋縫。 橋型總體立面如圖1 所示。

圖1 橋型總體立面圖

2.2 橋梁專項(xiàng)檢測(cè)情況

根據(jù)橋梁專項(xiàng)檢測(cè)顯示： 空心板板底共出現(xiàn)179 多條裂縫，裂縫寬度分布區(qū)間為0.03～0.13 mm；其中，縱向裂縫18.1 m（共2 條），斜向裂縫1.6 m（共2 條），橫向裂縫100.8 m（共175 條）；經(jīng)動(dòng)靜載試驗(yàn)表明該橋承載能力滿足原設(shè)計(jì)要求。 板底裂縫病害展開情況如圖2～3 所示。

圖2 板底裂縫展開情況

圖3 空心板底面橫向裂縫情況

3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 模型計(jì)算分析

本次有限元計(jì)算采用橋梁博士軟件建模，以一聯(lián)1 m×13 m 為對(duì)象，建立上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（圖4）。橋梁上部結(jié)構(gòu)斷面如圖5 所示。

圖4 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖5 橋梁上部結(jié)構(gòu)斷面

本次計(jì)算按兩種工況進(jìn)行，即考慮原設(shè)計(jì)荷載的工況與現(xiàn)狀交通量下的荷載提高之后的工況，具體驗(yàn)算方式如下： 工況一為按原設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行驗(yàn)算，工況二為按公路-I 級(jí)荷載進(jìn)行驗(yàn)算[1]。工況一與工況二計(jì)算結(jié)果如表1～3 所示，原設(shè)計(jì)承載能力驗(yàn)算內(nèi)力圖如圖6 所示，考慮超載承載能力驗(yàn)算內(nèi)力圖如圖7 所示。

表1 工況一、工況二下緣裂縫計(jì)算結(jié)果

表2 工況一承載能力正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

表3 工況二承載能力正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

圖6 原設(shè)計(jì)承載能力驗(yàn)算內(nèi)力圖

圖7 考慮超載承載能力驗(yàn)算內(nèi)力圖

根據(jù)表1～3 計(jì)算結(jié)果，得出結(jié)論如下：（1）通過工況一與工況二的裂縫計(jì)算顯示， 由于荷載的增加，主梁下緣的裂縫計(jì)算值明顯增大；（2）通過工況一與工況二的承載能力計(jì)算分析得出原設(shè)計(jì)主梁的承載能力安全儲(chǔ)備偏低。

3.2 成因分析

由于該橋梁位于進(jìn)入城區(qū)的主要通道，交通量大，特別近年來(lái)重載車輛的增加，該橋原設(shè)計(jì)荷載汽車-20，掛車-100 已難以滿足通行需求。 從上述計(jì)算結(jié)果可以看出， 按現(xiàn)行公路-I 級(jí)荷載計(jì)算后，該橋現(xiàn)澆空心板下緣裂縫寬度明顯增大。 這說(shuō)明導(dǎo)致現(xiàn)澆空心板下緣出現(xiàn)大量橫向裂縫的原因主要是近年來(lái)交通量的增大及超重車輛在橋面的通行。

4 橋梁加固實(shí)證分析

4.1 加固方案

早期施工建設(shè)的橋梁因受到當(dāng)時(shí)荷載標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)水平及施工工藝等因素的限制，在現(xiàn)有重載車輛通行情況下， 上部結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)了裂縫等病害。 隨著橋梁加固技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，目前針對(duì)此類病害所采取的加固措施也呈現(xiàn)了多元化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，如傳統(tǒng)置換梁板法、粘貼鋼板、加大截面法、預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固等。 其中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固和預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固為主動(dòng)加固技術(shù)，若考慮采用這2 種加固技術(shù)來(lái)提升橋梁承載力，對(duì)施工工藝要求較為嚴(yán)格，預(yù)應(yīng)力張拉施工不到位有可能無(wú)法起到提升橋梁承載力的效果，甚至對(duì)原結(jié)構(gòu)造成損傷導(dǎo)致承載力下降；而采用粘貼鋼板的被動(dòng)加固措施會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重，且僅是起到減緩裂縫的發(fā)展速度。

本文采用的碳纖維網(wǎng)格是一種全新的具備質(zhì)量輕、高強(qiáng)度等優(yōu)質(zhì)特性的復(fù)合材料，主要通過抗裂性能好、無(wú)收縮的配套高強(qiáng)砂漿來(lái)實(shí)現(xiàn)碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層與混凝土構(gòu)件界面的牢固粘接和共同受力, 起到提升混凝土構(gòu)件剛度和承載能力及增強(qiáng)混凝土構(gòu)件整體的限裂能力的效果。 該加固技術(shù)同上述幾種加固技術(shù)對(duì)比具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）碳纖維網(wǎng)格是一種縱橫向交錯(cuò)的雙向碳纖維編織網(wǎng)，網(wǎng)格間距參數(shù)約為2 cm×2 cm， 可形成一個(gè)強(qiáng)有力的整體狀網(wǎng)格，滿足拉應(yīng)力均勻傳遞的要求。 （2）因碳纖維網(wǎng)格體積小，在與配套高強(qiáng)砂漿組合而成的復(fù)合層加固結(jié)構(gòu)體系中可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行多層布置。（3）碳纖維網(wǎng)格具有高抗拉強(qiáng)度，在該復(fù)合層加固結(jié)構(gòu)體系所需配套高強(qiáng)砂漿厚度薄，可忽略對(duì)原結(jié)構(gòu)尺寸的影響和原結(jié)構(gòu)自重的增加。 （4）碳纖維網(wǎng)格的耐久性能好、耐腐蝕性強(qiáng)，適用于各種惡劣環(huán)境下的加固施工。 （5）配套高強(qiáng)砂漿具有防火性能好、粘結(jié)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效地粘結(jié)在原結(jié)構(gòu)表面，更能保證與碳纖維網(wǎng)格握裹力，同時(shí)可彌補(bǔ)碳纖維網(wǎng)防火性能不足的問題。 （6）碳纖維網(wǎng)格屬于柔性復(fù)合物材料，具備一定的變形能力[2]，可以輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)表面，使應(yīng)力傳遞更加均勻，有效避免局部應(yīng)力過于集中。 （7）該復(fù)合層加固結(jié)構(gòu)體系施工工藝簡(jiǎn)單，有利于施工質(zhì)量控制。

方案具體措施如下：（1）施工前先對(duì)梁板裂縫進(jìn)行注膠填充封閉的修復(fù)。 （2）裂縫修復(fù)完成后對(duì)擬布置碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層的區(qū)域進(jìn)行人工鑿毛處理。 （3）按圖紙植入抗剪鋼筋，增強(qiáng)網(wǎng)格復(fù)合層與既有混凝土層的銜接。 （4）清理界面表面雜物及灰塵后充分濕潤(rùn)并涂抹界面劑。 （5）待界面劑干燥之前（可在施工前， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體施工情況進(jìn)行小面積試驗(yàn)，確定界面劑干燥時(shí)長(zhǎng)），將拌好的高強(qiáng)砂漿涂抹至混凝土表面作為基層，厚約5 mm。 （6）敷設(shè)碳纖維網(wǎng)格，網(wǎng)格敷設(shè)過程應(yīng)用力壓入基層并用植入的抗剪鋼筋鉤住[3]，應(yīng)注意碳纖維網(wǎng)格搭接應(yīng)沿受力方向不小于20 cm。（7）待網(wǎng)格敷設(shè)完成后再涂抹一層高強(qiáng)砂漿面層厚約10 mm，并壓光找平。 最后灑水養(yǎng)護(hù)至齡期。 加固方案如圖8 所示，碳纖維網(wǎng)格性能和配套高強(qiáng)砂漿性能指標(biāo)如表4、5 所示。

圖8 粘貼碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層加固方案示意圖

表4 碳纖維網(wǎng)格性能指標(biāo)

表5 配套高強(qiáng)砂漿性能指標(biāo)

4.2 加固效果

目前規(guī)范針對(duì)采用碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層加固無(wú)明確的加固理論公式和推薦模型，本文參照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中粘貼纖維復(fù)合材加固法中受彎構(gòu)件的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[4]（圖9)，具體如下。

圖9 加固計(jì)算示意圖

M≤α1fc0bχ(h-χ/2)+fy0′A′s0(h-a′)- fy0As0(h-h0)

α1fc0b=fy0As0+ψfffAfe- fy0′A′s0

式中：M 為構(gòu)件加固后彎矩設(shè)計(jì)值 （kN·m）；χ混凝土受壓高度（mm）；b、h 分別為矩形截面寬度和高度 （mm）； fy0、 fy0′分別為原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；a′為縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊的距離 （mm）；h0為構(gòu)件加固前的截面有效高度 （mm）； ff為纖維復(fù)合材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；Afe為纖維復(fù)合材的有效截面面積 （mm2）；ψf為考慮纖維復(fù)合材實(shí)際抗拉應(yīng)變達(dá)不到設(shè)計(jì)值而引入的強(qiáng)度利用系數(shù)， 當(dāng)ψf＞1.0時(shí)，取值為1。

文章通過橋梁博士4.0 中的加固模塊中粘貼纖維材料加固進(jìn)行加固后計(jì)算。 加固后模型分兩種工況，工況三為僅考慮纖維材料的加固效果，工況四為考慮纖維材料和增大15 mm 截面高度的加固效果[5]。計(jì)算荷載為公路-Ⅰ級(jí)。工況三、工況四計(jì)算結(jié)果如表6～8 所示。

表6 工況三、工況四下緣裂縫計(jì)算結(jié)果

表7 工況三承載能力正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

表8 工況四承載能力正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)表6～8 計(jì)算結(jié)果，得出結(jié)論如下：（1）通過工況三、 工況四與工況二的裂縫計(jì)算結(jié)果分析，纖維復(fù)合層加固后裂縫寬度明顯降低;（2）通過工況二與工況四的承載能力計(jì)算結(jié)果可知， 荷載為公路-Ⅰ級(jí)時(shí)原橋加固前承載力正截面最小安全系數(shù)為1.031，加固后最小安全系數(shù)為1.236，加固后結(jié)構(gòu)承載力有提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以分析碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層在橋梁加固應(yīng)用前的效果計(jì)算分析為切入點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)專家及學(xué)者等在該領(lǐng)域的研究結(jié)論，通過橋梁有限元計(jì)算軟件對(duì)處于不同工況下橋梁的承載力進(jìn)行分析對(duì)比，可清晰地了解到碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層的加固體系對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)起到的提載效果，但仍存在一定的局限性。 故在實(shí)際應(yīng)用過程中提出如下建議：（1）采用該加固體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格確保錨固筋的施工質(zhì)量，保證碳纖維網(wǎng)格復(fù)合層與原基面的粘結(jié)力，同時(shí)應(yīng)做好施工后的裂縫發(fā)展監(jiān)測(cè)工作并做好數(shù)據(jù)記錄、收集、整理、分析，為后續(xù)的其他項(xiàng)目提供可靠的依據(jù)。 （2）該加固體系雖然具備施工工藝簡(jiǎn)單、施工周期短、施工質(zhì)量較易控制等特點(diǎn)，且采用相關(guān)的加固理論公式和推薦模型進(jìn)行效果分析，但在加固施工完成后對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)承載力提升效果評(píng)價(jià)中，還需結(jié)合專業(yè)檢測(cè)技術(shù)，如采用動(dòng)靜載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證， 以便確認(rèn)該加固體系是否適用，可為今后類似的工程項(xiàng)目提供參考。