G 30线桥梁预防性养护工程几种加固措施比较与分析

卢羿良

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

我国现役桥梁多为20 世纪中后期和21 世纪初期修建，受当时建设条件，理论技术，工艺材料等因素的影响，设计和施工存在不完善的地方。在当时条件的交通量和车辆荷载下桥梁病害问题不会暴露得那么突出，但随着我国经济快速发展，带来的是交通运输量和车辆荷载等级的双重增长，大部分桥梁长期处于超负荷承载状态，尤其是那一时期的桥梁，很大一部分不能满足不断增加的负荷要求，桥梁病害情况日益加剧，如梁板裂缝、混凝土剥落、掉块、露筋、渗水，泛碱、钢筋锈蚀、支座剪切变形超限等等，但桥梁主体状况还较好，拆除重建既不经济亦不环保[1]。因此，选择合理的维修加固方式对桥梁进行预防性养护，减缓病害恶化趋势，以延长桥梁使用寿命，对保证交通运输安全具有十分重要的意义。

1 工程实例

以G30 连霍高速公路清水中桥004 等8 座桥梁预防性养护工程为例，G30 线K2428+464 黑山湖立交桥上部结构为4 m×16 m钢筋混凝土整体现浇板，下部构造为柱式台、薄壁墩，桥梁全长77.1 m。汽车荷载：汽车-超20级、挂-120。该桥于2007年9月建成通车。梁底1/4~3/4处存在横向裂缝，腹板存在斜向裂缝，底板保护层不足、部分露筋，宽度小于0.15 mm的裂缝共80 m，宽度大于0.15 mm的裂缝共340 m。

G30 线K2441+020 S 小桥7 上部结构为1 m×10 m 钢筋混凝土空心板，下部构造为混凝土U 型台、扩大基础，桥梁全长17.54 m。汽车荷载：汽车-超20级、挂-120。该桥于2007年9月建成通车。梁底板存在多条纵向裂缝，宽度小于0.15 mm 的裂缝共16 m，宽度大于0.15 mm的裂缝共37 m。

1.1 病害原因分析

（1）梁板混凝土非结构性裂缝

1）混凝土干燥收缩时，水泥体积会随着水分蒸发而体积缩小，产生干缩裂缝；

2）大体积混凝土浇筑中，结构内部水化热无法及时散去，与表面混凝土存在温差应力而产生温度裂缝；

3）碱骨料反应、钢筋锈蚀等产生的化学反应裂缝；

4）伸缩缝渗水或桥面铺装透水，渗入空心板腹腔，形成积水，导致钢筋锈胀产生的裂缝。

（2）梁底1/4~3/4处存在横向裂缝

板梁在荷载作用下产生的正弯矩裂缝，是正常的荷载裂缝，此类病害往往出现在板梁对应的桥面铺装出现纵向贯通裂缝，梁间剪力铰遭到破坏。

（3）腹板斜向裂缝

斜向裂缝是桥梁结构中常见的一种裂缝类型，主要是由于桥梁在使用中受到外力作用，导致梁体产生变形和应力集中，从而引起裂缝的产生。其中，腹板斜向裂缝是指在桥梁梁体的腹板上出现的斜向裂缝。

腹板斜向裂缝通常表现中间宽两端细，与梁体顺桥向呈45°夹角，被称为腹剪斜裂缝；另一种是上细下宽，由竖向裂缝引伸而成的斜向裂缝，裂缝从主应力轨迹图上看，在剪弯区段截面的下边缘，主拉应力还是水平向，为弯剪斜裂缝。

1.2 加固方案比选

（1）方案一碳纤维网格加固

碳纤维网格是通过非结晶二氧化硅进行处理的，并且在砂浆内含有一种活性成分，所以在砂浆中出现的硅酸钙水合物会生长嵌固进碳纤维网格的碳纤维丝间隙内。这样就使碳纤维网格与砂浆之间形成了耐剪切的嵌锁效果，产生足够的握裹力和锚固力。这种特殊加工处理的碳纤维网格以及配套开发的喷射砂浆构成了整个系统的技术核心，使普通的碳纤维网格和普通的砂浆配合使用无法达到相同的效果[2]。

（2）方案二碳纤维布加固方案

碳纤维复合材料，适用于混凝土结构、木质结构的加固，可有效提高构件的承载力、抗震性能和耐久性[3]。

（3）方案三预应力碳纤维板加固系统

对于需要加固的构件，用涂有碳板胶的碳纤维板进行预应力张拉，修复构件问题，让碳纤维板与构件形成统一整体，形成新的受力平衡，提高构件承载能力。

对以上3 种加固方案进行对比分析，分析结果如表1。

表1 加固方案对比分析表

2 碳纤维网格加固

2.1 工艺流程

原结构表面处理→聚合物砂浆制作→初次涂抹聚合物砂浆→剪裁碳纤维网格→安装碳纤维网格→碳纤维网格固定→第二次涂抹聚合物砂浆→平整表面→养护[4]。

2.2 碳纤维网格施工流程

（1）原结构表面处理

在进行涂抹聚合物砂浆前，需要对旧混凝土表面进行凿毛处理，确保原结构表面光洁、无浮尘、疏松物和油污等。涂抹前应将涂抹面充分湿润，时间根据基材吸水性和环境条件而定。基层处理的要求是：将工作面的混凝土表面凿掉3~4 mm的面层，露出里面的骨料，以增加砂浆与基材件的粘结强度。对于特别坚硬的基材，可使用电锤凿磨。在处理完基材表面后，需使用高压水枪进行清洗，充分去除灰尘、杂物和松散层，并检查表面是否有裂缝、孔洞、凹凸不平等问题，进行必要的修补。涂抹聚合物砂浆时，应按照设计要求和施工规范进行操作，涂抹均匀、厚度均一，并在涂抹后及时进行表面处理，以避免出现裂缝、鼓泡等问题。

（2）聚合物砂浆制作

为了制备优质的聚合物砂浆，需要按照一定的配比和工艺要求进行拌制。通常情况下，制砂浆所需的水量应为砂浆重量的14.3%~16.7%，但具体的用水量应根据施工环境温度进行适当调整。混合好的砂浆需静置1 min，并在施工前重新搅拌10 s，以确保砂浆的均匀性和稳定性。在施工过程中，切勿添加额外的水，以免影响砂浆的性能和施工质量。

（3）初次涂抹聚合物砂浆

在粗糙的结构表面涂抹第一层的聚合物砂浆，第一层砂浆的厚度依据设计要求而定，一般为0.5~1.0 cm，不宜过厚，要确保涂抹后砂浆的平整度。一定要注意涂抹的均匀程度，不要漏底。

（4）剪裁碳纤维网格

碳纤维网格需要按照工程实际需求进行裁剪，同时要注意碳纤维丝的分布方向，确保与设计要求一致。

（5）碳纤维网格固定

在第一层聚合物砂浆指干后（即施工完1~2 h之后），铺设预先按照设计要求裁剪好的碳纤维网格，按照设计要求摆放，碳纤维丝方向与设计要求一致，搭接宽度为20 cm。在铺设碳纤维网格时，需对端部进行临时固定，使其不会移动或松动。同时，用泥抹将碳纤维网格按压入砂浆中，使其陷入聚合物砂浆中，保证纤维尽可能地拉紧。

（6）第二次涂抹聚合物砂浆

第二次涂抹聚合物砂浆时，需要等待第一层聚合物砂浆初凝后开始施工。施工时，涂抹砂浆的厚度应根据设计要求而定，一般为1.0 cm。过厚的涂抹会导致网格纤维外漏并影响整个混凝土表面的平整度。为确保效果，需要保证两层砂浆在同一天进行施工。若不能在当天施工第二层砂浆，需用砂纸或低压水枪对第一层砂浆进行粗糙化处理，直到骨料可见。这是因为第一层砂浆表面会出现因水泥水分蒸发而形成的锈皮，粗糙化处理可以加强第二层砂浆与第一层砂浆的黏结力。

（7）平整表面

在涂抹第二层聚合物砂浆后，需要使用泥铲或刮板将表面砂浆平整，确保表面平整度达到设计要求。如不满足要求需要进行局部修补，直到达到设计要求。最后，需要进行压光处理，使表面平整度更加均匀。

（8）养护

完成聚合物砂浆的涂抹后，需要进行养护。养护时需要保持一定的湿度，并在接下来的7 d 内进行。完成养护后，可以进行表面的外装修或涂装处理。

3 预应力碳纤维板施工

3.1 加固方案

垂直于梁方向在板底粘贴五块预应力碳纤维板，布置为中间一条，在其两边0.5 m、2.0 m 处布置四条预应力碳纤维板。碳纤维板极限抗拉强度≥2 400 MPa，极限抗拉力480 kN。本项目最大张拉力为750 MPa，张拉力150 kN。

横向梁板共9 片，宽1.24 m。板底安装固定端和张拉端支座进行施工，如图1所示。

图1 板底安装固定端和张拉端支座示意图（单位：mm）

3.2 预应力碳纤维板施工程序

（1）混凝土粘贴表面处理

在施工碳纤维板加固过程中，混凝土粘贴表面需要注意处理。由于长期暴露在湿度较大的空气中，混凝土可能会产生脆化疏松层，需要将其打凿掉，以提高黏结力。一般采用磨轮打磨，同时要清除疏松浮层。保证碳纤维板与混凝土间的设计间隙，注意对凹陷处使用修补胶进行修补。如果湿度较大时，还需要进行人工干燥处理，以确保黏结效果。

（2）钻植胶锚螺栓

在进行放线时，首先确定螺栓钻孔位置。用钢筋探测器探明混凝土内钢筋位置，遇到有冲突的钢筋位置，需进行记录，并现场调整支座板安装孔位置。其次，需要确保钻孔中心线与混凝土梁面垂直，偏差不超过中心位置3 mm。最后，保证孔内胶液饱满且螺栓垂直于梁面。这些措施能够保证钻植胶锚螺栓的施工质量和稳定性。

（3）安装锚具支座

按照设计要求，将支座放置在梁面上，确保支座中心线与碳板中心线平行或重叠。使用水平尺进行校准，确保支座水平。如果发现支座位置不平，应及时调整。在支座中心延长线上，按照碳纤维板全长计算，偏差不得超过±5 mm。

在锚具两端支座中心延长线上，也按照碳纤维板全长计算，偏差不得超过±5 mm。在安装锚具支座时，应将支座和梁面之间的空隙调整到最小，以增强支座的固定性和稳定性。

若出现钻孔偏差产生的间隙，或两端支座调平后与混凝土的空隙，可采用环氧修补胶填补或找平。

（4）碳纤维板检查

在使用碳纤维板进行加固修复时，需要对碳纤维板进行检查，包括以下2点：

直线度检查：碳纤维板的全长直线度偏差不得超过20 mm。这是因为如果碳纤维板的直线度不符合要求，会导致加固效果不理想，甚至产生新的变形，影响使用寿命。

粘贴表面处理：碳纤维复合板材粘贴表面的处理同样非常重要。如果表面残留油污，易在胶黏剂与碳纤维复合板材之间形成一层油脂状薄膜，导致黏结失效。因此，在使用碳纤维板之前，需要使用丙酮等溶剂擦拭干净，确保表面无油污。

（5）碳纤维板施加应力预张拉

为确保碳纤维板与梁表面紧密贴合，需保证张拉装置处于水平位置。加压至设计张拉应力值的15%，并保持一段时间。在保持张拉应力的情况下，检查碳纤维板和梁表面之间是否有间隙，如果发现碳纤维板与混凝土有高凸接触点或面，应泄压拆卸打磨后再进行张拉。在完成张拉后，根据设计要求和实际情况，适当调整应力值，并进行记录。在张拉过程中，需要定期检查千斤顶的压力是否稳定，并及时调整。

（6）涂抺结构胶

将配制好的结构胶倒在碳纤维复合板的粘贴面上。用刮板将胶液均匀地刮抹在板材表面上，刮涂的厚度一般为4~10 mm，取决于原结构黏结面的平直度。碳纤维复合板贴合到结构表面上，在贴合的同时，用橡皮锤轻敲碳纤维板表面，使其与结构表面充分贴合，并排除空气和胶水。在黏结过程中，注意控制温度和湿度，以确保胶液能够充分固化，并保证黏结的强度。黏结完成后，对胶涂层进行检查，确保其均匀、密实、无空隙。

注意事项：胶液的配制应严格按照说明书的要求进行，以确保胶液质量的稳定。在刮涂胶液时，应注意控制刮涂的厚度，以保证黏结的质量和强度。在黏结碳纤维复合板和结构表面时，应注意排除空气和胶水，以避免出现空隙影响加固效果。

（7）压紧条安装

在将碳纤维板涂抹胶黏剂并初步固定就位后，根据设计要求，在板材表面上预留出压紧条的位置，一般为每隔300 mm 左右预留一个位置。在预留的位置上，用钻孔机在板材表面打孔，孔的直径应略大于压紧条的直径。将预先准备好的压紧条插入打好的孔中，使其与板材表面齐平，并用螺钉将其固定在板材表面上。在安装压紧条时，需要注意与混凝土表面保持适当的间隙，一般为1 cm左右，以便在张拉时碳纤维板可以自由滑动。安装完所有的压紧条后，进行应力预张拉，根据设计要求和实际情况，适当调整应力值，并进行记录。在张拉过程中，需要定期检查千斤顶的压力是否稳定，并及时调整。

（8）张拉碳纤维板

将张拉千斤顶安装在张拉锚具上，并调整千斤顶的位置，使其处于水平状态。先将千斤顶加压到设计张拉力值的15%左右，然后进行刻录。接着，逐步加压到30%、50%、70%、90%、100%的设计张拉力值，每次加压后都要检查锚固点的行程位移是否符合要求。在达到设计张拉力值后，保持张拉状态并进行1~2 h的监测，确保张拉稳定。泄压后，进行碳纤维板的补胶工作，使其与混凝土基层形成更加牢固的黏结关系。待胶水固化后，进行质量检查和验收。确保加固效果和强度符合设计要求[5]。

（9）隐蔽防护

隐蔽防护是指对加固碳纤维板后的锚具和碳纤维板进行保护和隐蔽处理，以提高加固效果和延长使用寿命。其中，防锈处理是重要的一环，可采用较好黏结性、耐腐蚀的环氧树脂砂浆对锚具、碳纤维板进行涂抹，其厚度不小于3 mm，以保护锚具和碳纤维板表面不受腐蚀。

除了防锈处理外，还可以进行其他隐蔽防护措施，例如在碳纤维板表面涂抹防水涂料，以防止水分渗透导致碳纤维板损坏；在碳纤维板表面涂抹防火涂料，以提高碳纤维板的防火性能等。

4 结语

综上所述，对于旧桥改造加固方案，可以采取碳纤维网格加固、碳纤维布加固和预应力碳纤维板加固等措施。其中，碳纤维网格加固方案具有较高的耐剪切性和锚固力，适用于中小型桥梁的加固；碳纤维布加固方案适用于对各类曲面、异型构件，具有抗腐蚀、耐酸碱等特点；预应力碳纤维板加固系统则可以通过预应力张拉修复构件问题，提高构件的承载能力。在进行旧桥改造加固时，需要综合考虑各种因素，如桥梁的历史、结构特点、施工条件和环境影响等，选择合适的加固方案。同时，在施工过程中需要注重安全和环保，采取相应的措施减少对周围环境的影响。建议在改造加固方案的选择和实施过程中，加强专业技术指导和监督，确保改造加固方案的有效性和施工安全。