纤维薄板加固混凝土刚架拱桥的工程实践

1、纤维薄板加固混凝土刚架拱桥的工程实践由于设计等级偏低、结构老化、环境恶劣、施工不当和超载等人为因素，混凝土桥梁的损坏日益严重，全国已出现了为数不少的危桥。其中，仅省急需加固维修的大中型旧危桥就有二千多座。为了经济、高效 地对这些旧危桥进行加固和维修，高强纤维布或纤维薄板粘贴加固技术由于其具有强度高、耐腐蚀、重量轻、施工方便、工期短等优点而在国内外备受关注1W。近年来，国外尤其是日本和欧美的专家、学者对纤维薄板或纤维布粘贴加固混凝土桥梁结构的机理做了大量的研究，并在工程中予以大力推广应用。在国内，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、天津大学、东南大学、同济大学和理工大学等单位在碳纤

2、维布或碳纤维薄板加固混凝土构件方面也做了不少工作，有的已应用于工程实践中7。另一方面，混凝土旧危桥中受拉构件容易产生裂缝，采用纤维薄板或纤维布对有裂缝混凝土构件进行加固后，构件的破坏模式及其强度与无裂缝加固构件有别。为此，本课题组在国家自然科学基金项目、省自然科学基金项目和省科委重点攻关项目等的支持下，对此类构件的承载能力、破坏机理等进行了一系列的研究，得到了一些阶段性的成果812。为了能将上述研究成果迅速地应用于工程实践，省交通厅于去年对省公路旧危桥承载能力的检测、评定方法及加固技术研究进行立项，并委托省公路管理局和理工大学交通学院承担此课题。国道上某一混凝土刚架拱桥由于损坏严重急需加固维修

3、，故被列为本课题组的试验桥。今年一月份，为了保证春运，本课题组采用自行编制的碳纤维、芳纶纤维和高强玻璃纤维薄板，对该刚架拱桥（半幅）进行了加固，加固后经动静载试验确认加固效果后即开通运行，至今情况良好。本文介绍该桥的加固技术和方法。1 工程概况国道上某一刚架拱桥分为新旧两幅，旧桥建成于1993 年，新桥建成于1999 年，设计荷载为汽20、挂一100;新旧桥均为双车道钢筋混凝土刚架拱结构，桥面宽各为 9.5m,跨径为70m。该桥建成通车以来运营情况良好。然而，由于近年来交通量的不断增长，尤其是超载车辆的大量涌现，致使该桥出现了较严重的病害。经管辖市公路局于2008 年 9 月检查，发现该桥的新

4、桥上弦杆和节点等部位出现较多裂缝，而且扩展迅速，部分裂缝已贯穿上弦杆；虽然桥面铺装层基本完好，但大部分肋掖板损坏严重。为保证交通运输安全，该市公路局于同年11 月初将该桥的新桥部分（半幅）实行交通管制。201 年 月，该桥的新桥部分经理工大学交通学院检测后认为，新桥病害较严重，承载能力明显下降，为保证交通安全，必须进行加固处理。此外，自从新桥被实行交通管制后。所有车辆都从旧桥上行驶。经过 1 个多月的通行，旧桥的上弦杆等部位也出现的裂缝。为了尽快使该桥全面恢复设计通行能力，并保证201 年的春运，必须尽快对该桥进行加固。2 加固方案刚架拱桥的加固方案是在本课题组的前期研究基础上，经过理论和有限

5、元分析、模拟实验、并与国内外参考资料比较后确定。其中，上弦杆等构件的抗弯拉、抗剪模拟实验简述如下。2.1 模拟实验模拟实验的试件尺寸为 0.1m x 0.2m x 1.8m,计算尺寸为 0.1m x 0.2mx 1.6m ;试件所用混凝土材料为C40中砂碎石混凝土，其弹性模量Ec=30Gpa,剪切模量Gc=0.43 X Ec （MPa）,泊松比为0.20,混凝土抗拉强度Rt=5.15 MPa ；碳纤维材料是采用日本东丽公司生产的碳纤维丝T300-3K编制成0.1m宽X 0.5 mm厚（长度任意，下同）的碳纤维薄板（预浸带），其弹性模量Ecf=240 Gpa,抗拉强度Rt=2100 MPa ,泊

6、松比为0.29; 芳纶纤维薄板采用日本东丽公司生产的芳纶纤维丝K49,高强玻璃纤维带采用日本东丽公司生产的玻璃纤维丝，由本课题与合作研究单位编制而成。本拟采用的芳纶纤维薄板规格为0.1mX0.4 mm厚；高强玻璃纤维带规格为0.1m X 0.4 mm厚。为使模拟实验更加接近实际情况，试件分为3组：无加固钢筋混凝土梁；底部粘贴碳纤维薄板的加固梁；先对无加固钢筋混凝土梁施加静载使其出现足够长的裂缝，再按图1所示加固方法分别粘贴碳纤维薄板和芳纶纤维薄板。在MTS-810试验机上进行静载试验，试验结果列于表1。由表1可知，图2所示加固试件的极限承载力是无加固试件的1.52倍。表1 试验结果试件类型及编

7、号极限荷载（KN ）极限承载力增幅无增强试件 A-1、A-2、A-335.57-纤维薄板增强试件 C-1、C-2、C-349.6539.6%先开裂后增强试件 D-1补、D-3补54.1952.3%2.2 加固方案为恢复、甚至提高该桥的承载能力，本方案拟对该桥的新桥（下游侧）的上弦杆、节点、斜撑、拱肋的顶部等构件的加固方案如下：对已出现的部分裂缝采用环氧化学压力灌浆的方法进行加固处理；在上弦杆的底面和侧面、节点的侧面、斜撑的侧面和拱肋的顶部底面（都为弯拉区）粘贴一层碳纤维薄板，并在上弦杆的底面和侧面粘贴芳纶纤维箍或高强玻璃纤箍（见图3）。碳纤维薄板规格为：0.1m宽X 0.5 mm厚（长度任意，

8、下同）；芳纶纤维薄板规格为：0.1m宽X 0.4 mm厚；高强玻璃纤维带规格为：0.1m3范 X 0.4 mm厚;芳蛇纤维 戢肝堆在斜撑的受剪部分采用高强玻璃纤维带进行缠绕加固（图2）;IK-富强缝璃纤雉图2纤维薄板粘贴加固示意图对加固部位喷射（或涂抹）玻璃纤维环氧树脂；对要求做美观处理的施工部位做色彩处理。另一方面，由于桥面铺装层基本完好，但大部分肋掖板损坏严重，经研究决定，此次加固工程不换桥 面铺装层，只对部分损坏严重的肋掖板进行加固。经采用 ANSYS大型有限元分析程序对各部位的肋掖板 的受力进行分析后，提出加固方案如下：对拱顶附近的肋掖板，采用碳纤维薄板和芳纶纤维薄板或高强玻璃纤维薄板

9、按照图3 （a）所示方案进行加固；对上弦杆部分的肋掖板，采用碳纤维薄板和芳纶纤维薄板或高强玻璃纤维薄板按照图3 （b）所示方案进行加固。3施工工艺纤维薄板的施工工艺对加固效果影响极大，为尽可能保证加固效果，根据现场情况，本研究采用了如 下施工工艺。环氧化学压力灌浆的施工步骤为：灌浆嘴定位、封缝；灌浆（根据裂缝不同部位及不同宽度确定相应型号的AB灌浆树脂）；确认灌浆完成，树脂初凝后卸除机具。粘贴纤维薄板的施工步骤为：基底打磨处理；涂刷底层树脂；修复、填补混凝土粘结面上的缺陷及不平整部位；涂刷粘贴 环氧胶（国产神力铃牌环氧粘结剂），并粘贴纤维薄板；采用专用充气压力带或真空吸附法对纤维薄板加压。加固

10、完毕后，在纤维薄板的外表面及其附近涂抹或喷射玻璃纤维环氧树脂；对施工部位及其附近区域做色彩处理。（a）拱顶附近的肋腋板n（b）上弦杆部分的肋腋板图3肋腋板加固方案示意图4加固效果分析按照大跨径混凝土桥梁的试验方法 的要求对加固后的刚架拱桥进行了动静载试验 （详情另文报道） 试验结果表明，通过采用上述方法的加固，该桥恢复了原设计承载能力。自 2月3日通车以来，该桥运营 情况良好。上述刚架拱桥的实桥加固结果表明，与国内外同类技术相比，本文所示加固技术除了纤维材料所具有 的共同优点，即高强度、耐腐蚀和重量轻以外，还具有如下特点：纤维材料可根据工程结构的实际需要，采用进口或国产的各种性能不同的碳纤维、

11、芳纶纤维等；纤维薄板由本课题组及合作单位自编，基本材料为国产环氧树脂；粘结剂全部采用国产材料；纤维薄板加固层由受力层、防护层(防老化、防碰撞)及装饰层组成，具有结构合理、耐用、美观 等优点；本加固技术的性能价格比优于现有的加固技术，如钢板加固法、体外筋加固法等；本加固技术的单价与钢板加固技术持平，总单价约为960元/平方米；现场施工方便；所需配套设备少。因此，本文方法将对今后的旧桥加固具有重要的参考作用。参考文献1涌井一，松本信之.新素材纤维一卜仁上盲铁道高架桥内耐震补强.JSCE,1997,82(May) : 10-122荒木伸宏，松崎育弘，中野克彦等.一卜状连续纤维仁上断补强RC梁内构造性

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