G 30線橋梁預防性養護工程幾種加固措施比較與分析

盧羿良

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

我國現役橋梁多為20 世紀中后期和21 世紀初期修建，受當時建設條件，理論技術，工藝材料等因素的影響，設計和施工存在不完善的地方。在當時條件的交通量和車輛荷載下橋梁病害問題不會暴露得那么突出，但隨著我國經濟快速發展，帶來的是交通運輸量和車輛荷載等級的雙重增長，大部分橋梁長期處于超負荷承載狀態，尤其是那一時期的橋梁，很大一部分不能滿足不斷增加的負荷要求，橋梁病害情況日益加劇，如梁板裂縫、混凝土剝落、掉塊、露筋、滲水，泛堿、鋼筋銹蝕、支座剪切變形超限等等，但橋梁主體狀況還較好，拆除重建既不經濟亦不環保[1]。因此，選擇合理的維修加固方式對橋梁進行預防性養護，減緩病害惡化趨勢，以延長橋梁使用壽命，對保證交通運輸安全具有十分重要的意義。

1 工程實例

以G30 連霍高速公路清水中橋004 等8 座橋梁預防性養護工程為例，G30 線K2428+464 黑山湖立交橋上部結構為4 m×16 m鋼筋混凝土整體現澆板，下部構造為柱式臺、薄壁墩，橋梁全長77.1 m。汽車荷載：汽車-超20級、掛-120。該橋于2007年9月建成通車。梁底1/4~3/4處存在橫向裂縫，腹板存在斜向裂縫，底板保護層不足、部分露筋，寬度小于0.15 mm的裂縫共80 m，寬度大于0.15 mm的裂縫共340 m。

G30 線K2441+020 S 小橋7 上部結構為1 m×10 m 鋼筋混凝土空心板，下部構造為混凝土U 型臺、擴大基礎，橋梁全長17.54 m。汽車荷載：汽車-超20級、掛-120。該橋于2007年9月建成通車。梁底板存在多條縱向裂縫，寬度小于0.15 mm 的裂縫共16 m，寬度大于0.15 mm的裂縫共37 m。

1.1 病害原因分析

（1）梁板混凝土非結構性裂縫

1）混凝土干燥收縮時，水泥體積會隨著水分蒸發而體積縮小，產生干縮裂縫；

2）大體積混凝土澆筑中，結構內部水化熱無法及時散去，與表面混凝土存在溫差應力而產生溫度裂縫；

3）堿骨料反應、鋼筋銹蝕等產生的化學反應裂縫；

4）伸縮縫滲水或橋面鋪裝透水，滲入空心板腹腔，形成積水，導致鋼筋銹脹產生的裂縫。

（2）梁底1/4~3/4處存在橫向裂縫

板梁在荷載作用下產生的正彎矩裂縫，是正常的荷載裂縫，此類病害往往出現在板梁對應的橋面鋪裝出現縱向貫通裂縫，梁間剪力鉸遭到破壞。

（3）腹板斜向裂縫

斜向裂縫是橋梁結構中常見的一種裂縫類型，主要是由于橋梁在使用中受到外力作用，導致梁體產生變形和應力集中，從而引起裂縫的產生。其中，腹板斜向裂縫是指在橋梁梁體的腹板上出現的斜向裂縫。

腹板斜向裂縫通常表現中間寬兩端細，與梁體順橋向呈45°夾角，被稱為腹剪斜裂縫；另一種是上細下寬，由豎向裂縫引伸而成的斜向裂縫，裂縫從主應力軌跡圖上看，在剪彎區段截面的下邊緣，主拉應力還是水平向，為彎剪斜裂縫。

1.2 加固方案比選

（1）方案一碳纖維網格加固

碳纖維網格是通過非結晶二氧化硅進行處理的，并且在砂漿內含有一種活性成分，所以在砂漿中出現的硅酸鈣水合物會生長嵌固進碳纖維網格的碳纖維絲間隙內。這樣就使碳纖維網格與砂漿之間形成了耐剪切的嵌鎖效果，產生足夠的握裹力和錨固力。這種特殊加工處理的碳纖維網格以及配套開發的噴射砂漿構成了整個系統的技術核心，使普通的碳纖維網格和普通的砂漿配合使用無法達到相同的效果[2]。

（2）方案二碳纖維布加固方案

碳纖維復合材料，適用于混凝土結構、木質結構的加固，可有效提高構件的承載力、抗震性能和耐久性[3]。

（3）方案三預應力碳纖維板加固系統

對于需要加固的構件，用涂有碳板膠的碳纖維板進行預應力張拉，修復構件問題，讓碳纖維板與構件形成統一整體，形成新的受力平衡，提高構件承載能力。

對以上3 種加固方案進行對比分析，分析結果如表1。

表1 加固方案對比分析表

2 碳纖維網格加固

2.1 工藝流程

原結構表面處理→聚合物砂漿制作→初次涂抹聚合物砂漿→剪裁碳纖維網格→安裝碳纖維網格→碳纖維網格固定→第二次涂抹聚合物砂漿→平整表面→養護[4]。

2.2 碳纖維網格施工流程

（1）原結構表面處理

在進行涂抹聚合物砂漿前，需要對舊混凝土表面進行鑿毛處理，確保原結構表面光潔、無浮塵、疏松物和油污等。涂抹前應將涂抹面充分濕潤，時間根據基材吸水性和環境條件而定?；鶎犹幚淼囊笫牵簩⒐ぷ髅娴幕炷帘砻骅彽?~4 mm的面層，露出里面的骨料，以增加砂漿與基材件的粘結強度。對于特別堅硬的基材，可使用電錘鑿磨。在處理完基材表面后，需使用高壓水槍進行清洗，充分去除灰塵、雜物和松散層，并檢查表面是否有裂縫、孔洞、凹凸不平等問題，進行必要的修補。涂抹聚合物砂漿時，應按照設計要求和施工規范進行操作，涂抹均勻、厚度均一，并在涂抹后及時進行表面處理，以避免出現裂縫、鼓泡等問題。

（2）聚合物砂漿制作

為了制備優質的聚合物砂漿，需要按照一定的配比和工藝要求進行拌制。通常情況下，制砂漿所需的水量應為砂漿重量的14.3%~16.7%，但具體的用水量應根據施工環境溫度進行適當調整?；旌虾玫纳皾{需靜置1 min，并在施工前重新攪拌10 s，以確保砂漿的均勻性和穩定性。在施工過程中，切勿添加額外的水，以免影響砂漿的性能和施工質量。

（3）初次涂抹聚合物砂漿

在粗糙的結構表面涂抹第一層的聚合物砂漿，第一層砂漿的厚度依據設計要求而定，一般為0.5~1.0 cm，不宜過厚，要確保涂抹后砂漿的平整度。一定要注意涂抹的均勻程度，不要漏底。

（4）剪裁碳纖維網格

碳纖維網格需要按照工程實際需求進行裁剪，同時要注意碳纖維絲的分布方向，確保與設計要求一致。

（5）碳纖維網格固定

在第一層聚合物砂漿指干后（即施工完1~2 h之后），鋪設預先按照設計要求裁剪好的碳纖維網格，按照設計要求擺放，碳纖維絲方向與設計要求一致，搭接寬度為20 cm。在鋪設碳纖維網格時，需對端部進行臨時固定，使其不會移動或松動。同時，用泥抹將碳纖維網格按壓入砂漿中，使其陷入聚合物砂漿中，保證纖維盡可能地拉緊。

（6）第二次涂抹聚合物砂漿

第二次涂抹聚合物砂漿時，需要等待第一層聚合物砂漿初凝后開始施工。施工時，涂抹砂漿的厚度應根據設計要求而定，一般為1.0 cm。過厚的涂抹會導致網格纖維外漏并影響整個混凝土表面的平整度。為確保效果，需要保證兩層砂漿在同一天進行施工。若不能在當天施工第二層砂漿，需用砂紙或低壓水槍對第一層砂漿進行粗糙化處理，直到骨料可見。這是因為第一層砂漿表面會出現因水泥水分蒸發而形成的銹皮，粗糙化處理可以加強第二層砂漿與第一層砂漿的黏結力。

（7）平整表面

在涂抹第二層聚合物砂漿后，需要使用泥鏟或刮板將表面砂漿平整，確保表面平整度達到設計要求。如不滿足要求需要進行局部修補，直到達到設計要求。最后，需要進行壓光處理，使表面平整度更加均勻。

（8）養護

完成聚合物砂漿的涂抹后，需要進行養護。養護時需要保持一定的濕度，并在接下來的7 d 內進行。完成養護后，可以進行表面的外裝修或涂裝處理。

3 預應力碳纖維板施工

3.1 加固方案

垂直于梁方向在板底粘貼五塊預應力碳纖維板，布置為中間一條，在其兩邊0.5 m、2.0 m 處布置四條預應力碳纖維板。碳纖維板極限抗拉強度≥2 400 MPa，極限抗拉力480 kN。本項目最大張拉力為750 MPa，張拉力150 kN。

橫向梁板共9 片，寬1.24 m。板底安裝固定端和張拉端支座進行施工，如圖1所示。

圖1 板底安裝固定端和張拉端支座示意圖（單位：mm）

3.2 預應力碳纖維板施工程序

（1）混凝土粘貼表面處理

在施工碳纖維板加固過程中，混凝土粘貼表面需要注意處理。由于長期暴露在濕度較大的空氣中，混凝土可能會產生脆化疏松層，需要將其打鑿掉，以提高黏結力。一般采用磨輪打磨，同時要清除疏松浮層。保證碳纖維板與混凝土間的設計間隙，注意對凹陷處使用修補膠進行修補。如果濕度較大時，還需要進行人工干燥處理，以確保黏結效果。

（2）鉆植膠錨螺栓

在進行放線時，首先確定螺栓鉆孔位置。用鋼筋探測器探明混凝土內鋼筋位置，遇到有沖突的鋼筋位置，需進行記錄，并現場調整支座板安裝孔位置。其次，需要確保鉆孔中心線與混凝土梁面垂直，偏差不超過中心位置3 mm。最后，保證孔內膠液飽滿且螺栓垂直于梁面。這些措施能夠保證鉆植膠錨螺栓的施工質量和穩定性。

（3）安裝錨具支座

按照設計要求，將支座放置在梁面上，確保支座中心線與碳板中心線平行或重疊。使用水平尺進行校準，確保支座水平。如果發現支座位置不平，應及時調整。在支座中心延長線上，按照碳纖維板全長計算，偏差不得超過±5 mm。

在錨具兩端支座中心延長線上，也按照碳纖維板全長計算，偏差不得超過±5 mm。在安裝錨具支座時，應將支座和梁面之間的空隙調整到最小，以增強支座的固定性和穩定性。

若出現鉆孔偏差產生的間隙，或兩端支座調平后與混凝土的空隙，可采用環氧修補膠填補或找平。

（4）碳纖維板檢查

在使用碳纖維板進行加固修復時，需要對碳纖維板進行檢查，包括以下2點：

直線度檢查：碳纖維板的全長直線度偏差不得超過20 mm。這是因為如果碳纖維板的直線度不符合要求，會導致加固效果不理想，甚至產生新的變形，影響使用壽命。

粘貼表面處理：碳纖維復合板材粘貼表面的處理同樣非常重要。如果表面殘留油污，易在膠黏劑與碳纖維復合板材之間形成一層油脂狀薄膜，導致黏結失效。因此，在使用碳纖維板之前，需要使用丙酮等溶劑擦拭干凈，確保表面無油污。

（5）碳纖維板施加應力預張拉

為確保碳纖維板與梁表面緊密貼合，需保證張拉裝置處于水平位置。加壓至設計張拉應力值的15%，并保持一段時間。在保持張拉應力的情況下，檢查碳纖維板和梁表面之間是否有間隙，如果發現碳纖維板與混凝土有高凸接觸點或面，應泄壓拆卸打磨后再進行張拉。在完成張拉后，根據設計要求和實際情況，適當調整應力值，并進行記錄。在張拉過程中，需要定期檢查千斤頂的壓力是否穩定，并及時調整。

（6）涂抺結構膠

將配制好的結構膠倒在碳纖維復合板的粘貼面上。用刮板將膠液均勻地刮抹在板材表面上，刮涂的厚度一般為4~10 mm，取決于原結構黏結面的平直度。碳纖維復合板貼合到結構表面上，在貼合的同時，用橡皮錘輕敲碳纖維板表面，使其與結構表面充分貼合，并排除空氣和膠水。在黏結過程中，注意控制溫度和濕度，以確保膠液能夠充分固化，并保證黏結的強度。黏結完成后，對膠涂層進行檢查，確保其均勻、密實、無空隙。

注意事項：膠液的配制應嚴格按照說明書的要求進行，以確保膠液質量的穩定。在刮涂膠液時，應注意控制刮涂的厚度，以保證黏結的質量和強度。在黏結碳纖維復合板和結構表面時，應注意排除空氣和膠水，以避免出現空隙影響加固效果。

（7）壓緊條安裝

在將碳纖維板涂抹膠黏劑并初步固定就位后，根據設計要求，在板材表面上預留出壓緊條的位置，一般為每隔300 mm 左右預留一個位置。在預留的位置上，用鉆孔機在板材表面打孔，孔的直徑應略大于壓緊條的直徑。將預先準備好的壓緊條插入打好的孔中，使其與板材表面齊平，并用螺釘將其固定在板材表面上。在安裝壓緊條時，需要注意與混凝土表面保持適當的間隙，一般為1 cm左右，以便在張拉時碳纖維板可以自由滑動。安裝完所有的壓緊條后，進行應力預張拉，根據設計要求和實際情況，適當調整應力值，并進行記錄。在張拉過程中，需要定期檢查千斤頂的壓力是否穩定，并及時調整。

（8）張拉碳纖維板

將張拉千斤頂安裝在張拉錨具上，并調整千斤頂的位置，使其處于水平狀態。先將千斤頂加壓到設計張拉力值的15%左右，然后進行刻錄。接著，逐步加壓到30%、50%、70%、90%、100%的設計張拉力值，每次加壓后都要檢查錨固點的行程位移是否符合要求。在達到設計張拉力值后，保持張拉狀態并進行1~2 h的監測，確保張拉穩定。泄壓后，進行碳纖維板的補膠工作，使其與混凝土基層形成更加牢固的黏結關系。待膠水固化后，進行質量檢查和驗收。確保加固效果和強度符合設計要求[5]。

（9）隱蔽防護

隱蔽防護是指對加固碳纖維板后的錨具和碳纖維板進行保護和隱蔽處理，以提高加固效果和延長使用壽命。其中，防銹處理是重要的一環，可采用較好黏結性、耐腐蝕的環氧樹脂砂漿對錨具、碳纖維板進行涂抹，其厚度不小于3 mm，以保護錨具和碳纖維板表面不受腐蝕。

除了防銹處理外，還可以進行其他隱蔽防護措施，例如在碳纖維板表面涂抹防水涂料，以防止水分滲透導致碳纖維板損壞；在碳纖維板表面涂抹防火涂料，以提高碳纖維板的防火性能等。

4 結語

綜上所述，對于舊橋改造加固方案，可以采取碳纖維網格加固、碳纖維布加固和預應力碳纖維板加固等措施。其中，碳纖維網格加固方案具有較高的耐剪切性和錨固力，適用于中小型橋梁的加固；碳纖維布加固方案適用于對各類曲面、異型構件，具有抗腐蝕、耐酸堿等特點；預應力碳纖維板加固系統則可以通過預應力張拉修復構件問題，提高構件的承載能力。在進行舊橋改造加固時，需要綜合考慮各種因素，如橋梁的歷史、結構特點、施工條件和環境影響等，選擇合適的加固方案。同時，在施工過程中需要注重安全和環保，采取相應的措施減少對周圍環境的影響。建議在改造加固方案的選擇和實施過程中，加強專業技術指導和監督，確保改造加固方案的有效性和施工安全。