灌縫膠與碳纖維布在混凝土橋梁裂縫處治中的工藝優(yōu)化研究

李莉

摘要：為解決對有安全性較低的舊橋進行加固與修復(fù)問題，研究以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為工程實例，針對橋梁梁體裂縫病害成因展開分析，設(shè)計了灌縫膠與碳纖維布協(xié)同處治的加固方案，并詳細(xì)介紹了灌縫膠與碳纖維加固的施工工藝和技術(shù)要點，最后通過對加固前、后主梁跨中截面和主墩墩頂截面抗彎承載力，以及各跨1/4截面的抗剪承載力進行驗算分析，證明了灌縫膠與碳纖維布在混凝土橋梁裂縫處治中的優(yōu)良應(yīng)用效果，值得在類似橋梁的加固工程中進行推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁；裂縫處治；灌縫膠；碳纖維布

中圖分類號：TQ437+.1文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0009-04

Research on process optimization of joint filling glue and carbon fiber cloth in the treatment of cracks in concrete bridges

LI li

（Pingdingshan Highway Engineering Quality Testing Center，Pingdingshan 467000，Henan China）

Abstract：In order to solve the problem of reinforcement and repair of the old bridge with low safety，a prestressed concrete continuous beam bridge was taken as an engineering example，and the causes of crack disease of the bridge girder were analyzed，the reinforcement scheme of joint pouring glue and carbon fiber cloth was designed，and the construction technology and technical points of joint pouring glue and carbon fiber reinforcement were introduced in detail.Finally，through the calculation and analysis of the bending bearing capacity of the midspan section of the main beam and the top section of the main pier before and after reinforcement，as well as the shear bearing capacity of the 1/4 section of each span，the excellent application effect of filling glue and carbon fiber cloth in the crack treatment of concrete bridge was proved，which was worth the promotion and application in the reinforcement project of similar bridge.

Key words：concrete bridge;crack treatment;caulking glue;carbon fiber cloth

目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁加固技術(shù)展開了大量研究，如通過研究橋梁加固原則和方法、預(yù)應(yīng)力橋梁的加固過程、橋梁加固后檢測評定來說明橋梁結(jié)構(gòu)開裂前后發(fā)生的變化[1]。根據(jù)橋梁的病害特征進一步探討了橋梁加固技術(shù)方法[2]。發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)對提升橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和抗彎剛度以及改善結(jié)構(gòu)方面有著顯著作用[3]。以某公路預(yù)應(yīng)力箱形梁橋為實例，采用粘貼鋼板對橋梁進行加固處理，發(fā)現(xiàn)加固后能夠滿足承載力要求[4]。綜合上述研究成果發(fā)現(xiàn)，橋梁加固和改造可以有效提升橋梁結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命，同時還能帶來明顯的經(jīng)濟效益[5-8]。

1工程項目研究背景介紹

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋總長（L）225 m，跨徑組合為5 m×45 m，橋面總寬18 m，雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，最高行駛速度70 km/h，橋面縱坡小于3%，橫坡為1%，活載等級為公路Ⅰ級，人群荷載3.5 kN/m。橋面橫向布置為2×0.5 m防護欄+2×1.5 m人行道+4×3.5 m防撞護欄，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+防水層+6 cmC40混凝土層。上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室截面等高度連續(xù)箱梁，梁高2.8 m，頂板寬17 m，底板寬7.8 m，箱梁采用C50混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力筋為直線束，無橫向預(yù)應(yīng)力筋，按照GB/T 5224—2003《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)要求，鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)強度為1 860 MPa，公稱直徑為15.2 mm，張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用鋼筋混凝土箱型薄壁墩，墩頂設(shè)置抗扭雙支座，采用鉆孔灌注樁混凝土群樁基礎(chǔ)，樁徑為1.8 m。橋梁總體布置如圖1所示。

2病害檢測及成因分析

2.1裂縫檢測分析

該橋自2016年正式運營至今已有6年，但在近期檢測中發(fā)現(xiàn)各跨主梁均存在較多裂縫病害，其中第三跨梁體裂縫病害較為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計梁底累計發(fā)現(xiàn)53條縱向裂縫。根據(jù)對2016、2020和2022年橋梁3次定期檢測結(jié)果進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)該橋從運營至今梁體裂縫數(shù)量在不斷增加，部分裂縫存在較大的擴張趨勢，若不及時采取治理措施，將嚴(yán)重影響橋梁的安全運營及使用壽命。橋梁3次定期檢測結(jié)果如表1所示。

2.2裂縫成因分析

（1）梁底縱向裂縫。主梁各跨梁底縱向裂縫均出現(xiàn)在L/4和3L/4附近，且存在多條裂縫擴展情況，分析可能是箱梁未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋或者實際橫向預(yù)應(yīng)力損失過大，導(dǎo)致梁體在長期荷載作用下出現(xiàn)縱向裂縫，其次是橋梁養(yǎng)護不到位，在大溫差應(yīng)力作用下同樣會產(chǎn)生裂縫;

（2）梁底橫向裂縫。主梁各跨梁底橫向裂縫大部分出現(xiàn)在L4～3L4位置，分析可能是結(jié)構(gòu)性裂縫，由于預(yù)應(yīng)力張拉不到位，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量有所下降，同時對模板支架等施工質(zhì)量的控制不嚴(yán)格，在不均勻沉降作用下產(chǎn)生橫向裂縫;

（3）腹板豎向裂縫。主梁各跨腹板豎向裂縫主要分布在L4位置和墩頂位置，分析可能是結(jié)構(gòu)性裂縫，原因是施工者對預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量把控不嚴(yán)或者后期養(yǎng)護不到位，從而導(dǎo)致腹板出現(xiàn)豎向裂縫;

（4）翼板橫向裂縫。梁體翼板橫向裂縫主要分布在L5位置和墩頂位置，多條既有裂縫存在擴展情況，主要原因是前期預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量和模板支架施工質(zhì)量存在較大缺陷，加上后期養(yǎng)護不到位，導(dǎo)致出現(xiàn)多處翼板橫向裂縫;

3加固方案設(shè)計

3.1加固改進方案

設(shè)計時加固修復(fù)耐久性裂縫計算寬度值小于0.15 mm，并根據(jù)裂縫寬度分別采取不同的處治措施，最終確定加固方案。

（1）對于小于0.15 mm裂縫的處理采用裂縫封閉膠進行封閉處理，修復(fù)采用表面環(huán)氧封閉法，先清除混凝土表面灰層和油污，再采用壓縮空氣清除槽內(nèi)浮塵，氣壓在0.2 MPa以上，清理完畢后依次涂刷底膠和混凝土表面修補膠，底膠采用改性環(huán)氧樹脂類膠粘劑，表面修補采用環(huán)氧膠泥，具體工藝流程如圖2所示。

（2）對于大于等于0.15 mm裂縫的處理采用壓力灌注的方式進行注膠封閉處理，修復(fù)采用灌漿施工法，先齊縫開設(shè)V槽，然后清除混凝土槽內(nèi)灰層和油污，清理完畢后對V槽進行封閉，最后采用專業(yè)灌縫膠進行灌縫處理，具體工藝流程如圖3所示。

（3）梁底裂縫采用粘貼橫向碳纖維布方式進行補強加固處理，纖維粘貼長度與梁底板寬度一致，碳纖維布置寬度為50 cm，設(shè)置層數(shù)為2層，為方便后期對裂縫情況的觀察，纖維布布置間距為10 cm，碳纖維布的單位面積質(zhì)量為300 g/m2，具體布置方式如圖4所示。

3.2施工工藝優(yōu)化及要點

3.2.1寬度小于0.15 mm裂縫修補施工要點

（1）為保證裂縫修復(fù)質(zhì)量，環(huán)氧封閉膠配膠重量應(yīng)進行精確稱量，A、B膠設(shè)計配膠比為100∶30，該配膠比下25 ℃的凝結(jié)時間為50～60 min，因此在施工階段單次配膠量不宜過大，需保證在凝結(jié)前及時使用，以防止浪費材料；

（2）在底膠涂刷施工時，應(yīng)沿裂縫進行多次涂刷，以保證底膠充分滲透混凝土表面和充分填充微裂縫，同時為保證填縫質(zhì)量，底膠涂刷長度應(yīng)沿裂縫方向超出10 cm長度和5～6 cm寬度，以確保底膠涂刷充分、到位；

（3）在封縫施工完成后，應(yīng)及時對修復(fù)過的混凝土表面進行質(zhì)量檢查，以確保封縫表面無開裂、塌陷情況，對于出現(xiàn)質(zhì)量問題的表面應(yīng)及時進行返工處理，直到到達施工要求。

3.2.2寬度大于等于0.15 mm裂縫灌漿施工要點

（1）為保證裂縫灌漿質(zhì)量，先對混凝土表面松散灰砂、油垢進行清理，在采用干燥、無油的壓縮空氣對縫隙粉塵、浮渣進行清除，以保證注漿嘴和封縫膠帶粘貼在平整、潔凈的混凝土表面；

（2）在埋設(shè)注漿嘴時，對于深度較大的結(jié)構(gòu)性裂縫，應(yīng)齊縫或斜向由下而上鉆孔至裂縫深處，并與裂縫表面呈交叉狀態(tài)。注漿嘴埋設(shè)應(yīng)設(shè)置在裂縫端部、交叉處以及較寬位置，布置間距40 cm，對于貫穿性深裂縫應(yīng)增設(shè)注漿管，間隔1～2 m；

（3）封縫采用專用封縫膠，粘接強度應(yīng)不小于4 MPa，施工膠層應(yīng)均勻無氣泡和砂眼，厚度超過2 mm。封縫完成后，應(yīng)采用壓縮空氣試壓，確保注漿嘴、注漿通道密封、不漏氣；

（4）對于橫向裂縫灌漿順序采用從寬到細(xì)、從一端到另一端的順序，對于豎向裂縫采用從低到高順序進行灌漿，以確保灌漿充分、到位，在吸漿率小于50 mL/h時，立即停止灌漿，同時封閉注漿嘴。

3.2.3粘貼碳纖維布施工要點

（1）為保證碳纖維布粘貼質(zhì)量，采用角磨機對混凝土不平整的表面進行打磨處理，并使用專業(yè)工具清除表面粉塵、砂礫，以確保表面干燥、光滑[9-11]。在進行底膠涂刷時，底膠用量應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計比例進行配比，同時確保底膠攪拌均勻程度，底膠涂刷溫度應(yīng)控制在5～40 ℃，相對濕度控制在70%以下;

（2）對于混凝土表面存在明顯凹陷、段差等現(xiàn)象的位置，應(yīng)采用找平膠進行填補處理，并使用砂紙對處理過的混凝土表面進行打磨，以確保施工表明光滑、無雜物。浸漬膠的配置應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計配比及施工工藝進行均勻攪拌，攪拌過程應(yīng)做好防塵措施，以防止混入其他雜質(zhì);

（3）在粘貼碳纖維布時，粘貼數(shù)量應(yīng)按照當(dāng)天施工需求進行裁剪，并做好防潮處理。膠粘劑涂抹范圍應(yīng)大于碳纖維的大小，以確保碳纖維布粘貼均勻、到位，碳纖維布和混凝土表面粘貼的密實度應(yīng)達到100%，且碳纖維布粘貼方向無彎曲、拱起情況，碳纖維布粘貼長度、寬度及層數(shù)等設(shè)計參數(shù)均應(yīng)滿足設(shè)計要求，以保證碳纖維布最終加固效果。

4加固修復(fù)效果分析

為研究該加固方案修復(fù)橋梁裂縫的改善效果，按照J(rèn)TG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》計算要求，分別對加固前后主梁各跨跨中彎矩、四分之一截面剪力以及各主墩彎矩進行驗算分析。

4.1跨中彎矩驗算分析

針對加固前后主梁各跨跨中彎矩值進行計算，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，采用加固方案對梁體裂縫進行修復(fù)后，主梁各跨跨中的抗彎承載力均得到了明顯提升，其中一跨、二跨、三跨、四跨和五跨跨中截面的抗彎承載力分別增大了6 588、6 258、6 003、6 140和6 380 kN·m，最大增幅為12.6%，最小增幅為10.6%，說明該加固方案對于梁體裂縫修復(fù)效果良好，可有效提升各跨跨中截面的抗彎承載力。

4.2四分之一截面剪力驗算分析

針對加固前后主梁各跨1/4截面剪力值進行計算，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采用加固方案對梁體裂縫進行修復(fù)后，主梁各跨四分之一截面的抗剪承載力均得到了明顯提升，其中一跨、二跨、三跨、四跨和五跨之四分之一截面的抗剪承載力分別增大了934、794、703、704和919 kN，最大增幅為20.5%，最小增幅為13.5%，說明該加固方案對于梁體裂縫修復(fù)效果良好，可有效提升各跨四分之一截面的抗剪承載力。

4.3墩頂彎矩驗算分析

針對加固前后各主墩彎矩值進行計算，結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，采用加固方案對梁體裂縫進行修復(fù)后，橋梁各主墩墩頂截面的抗彎承載力均得到了明顯提升，其中1#墩、2#墩、3#墩和4#墩墩頂截面的抗彎承載力分別增大了13 489、9 410、11 238和13 824 kN·m，最大增幅為8.5%，最小增幅為6.1%，說明該加固方案對于梁體裂縫修復(fù)效果良好，可有效提升各墩墩頂截面的抗彎承載力。

5結(jié)語

橋梁梁體出現(xiàn)裂縫問題不僅會影響橋梁整體美觀，更會給橋梁正常運營帶來安全風(fēng)險，因此及時對橋梁裂縫成因進行分析并采取治理措施，已成為橋梁質(zhì)量控制必不可少的一部分。為進一步完善橋梁加固技術(shù)的設(shè)計，針對某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁裂縫成因進行分析，提出了灌縫膠與碳纖維布的加固方案，加固后橋梁主梁、主墩的抗彎承載力和抗剪承載力均得到了不同程度提升，使得橋梁能夠滿足正常運營要求，由此可見該加固方案對橋梁裂縫的處治效果顯著。

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