株洲市政建设有限公司
摘要：随着科技的进步，各项工程建设的质量也不断提高，尤其是道路桥梁工程，不断与时俱进，极大地促进了经济的增长和生活便捷度的提高。但是，在桥梁施工的过程中，桥梁结构裂缝问题一直是阻碍桥梁施工质量和使用寿命提高的关键问题，也是全世界人们最为关注的问题。为了不断提高桥梁的强度等级，需要桥梁工程人员不断努力，不断寻找更加经济实惠的加固措施。本文对桥梁结构裂缝进行了详细分析，并探讨了碳纤维加固技术在桥梁加固中的应用，希望能够对相关工作人员有所启发。
关键词：桥梁结构；裂缝问题；碳纤维；加固技术
经济的发展，使得对道路交通的需要不断扩张，为此，道路桥梁工程不断获得发展机遇。在道路桥梁工程中，桥梁有着独特的地位和作用。在实际建设过程中，由于设计、施工或者其他方面的原因，在桥梁的使用过程中经常会受到病害威胁。
一、桥梁结构裂缝分析
纵观当今世界，大多数的桥梁结构均已混凝土为材料，根据不同配比、不同性能和形状形成各种混凝土结构物，且具有良好的耐久性。但是，裂缝问题一直是混凝土桥梁的关键问题，绝大多数的桥梁结构也均处于裂缝状态，维持工作。严重的混凝土裂缝能够引起保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土碳化，甚至对桥梁的正常运行造成威胁。
1.桥梁混凝土结构的微观裂缝和宏观裂缝
微观裂缝，顾名思义，即细而短，无法凭肉眼看到的裂缝。主要分布于砂浆中或骨料与砂浆的界面上[2]。通过荷载试验，混凝土在受压后，如果荷载在极限强度的30%以内，裂缝不会发生变动，如果在极限强度的30%-70%之间，裂缝则会处于扩展或增加状态，如果在极限强度的70%-90%之间，裂缝会显著扩展和增加，很多微裂缝会相互串联，直至完全破坏。当裂缝超过0.05mm，则称之为宏观裂缝。
2.裂缝的成因
荷载裂缝是混凝土桥梁在受到常规静荷载和动荷载以及次应力的情况下产生的，主要又可以细分为直接应力裂缝和次应力裂缝两种。直接应力裂缝产生的原因设计设计、施工和使用的各个阶段，比如，设计计算过程中结构受力假设与实际不符、荷载漏算、结构安全系数不够等，施工阶段由于不了解预制结构的受力特点，随意起吊和安装等，使用过程中允许超出设计荷载的重型车辆通过桥梁等。关于次应力裂缝的形成原因，主要有中心受拉、受压、受弯，大偏心/小偏心受压，受剪，受扭，受冲切等[3]。
温度裂缝也是混凝土桥梁结构常见的裂缝问题之一。混凝土在大气温度及其水化热的作用下，内外温差增大，在内部拉应力的作用下产生约束裂缝，常出现在浇筑后的2-3个月内裂缝较深，容易对结构的整体性造成严重破坏，见图1。受坚硬基岩及老混凝土约束是产生裂缝的主要原因。基础在温度的作用下收缩变形，但是受到地基的约束，最大约束应力位于位于约束边，越往上，约束力会衰减[4]。水平应力随着高度的变化呈现出如下的函数关系：
在工程实践中，收缩裂缝也是最常见的裂缝，主要分为塑性收缩裂缝和干缩裂缝，此外，自生收缩和碳化收缩裂缝也是存在的。塑性收缩裂缝容易发生在施工过程中或者混凝土浇筑完成后的半天以内，此时，混凝土水化反应激烈，分子链逐渐形成，水分急剧蒸发，混凝土结构失去水分后收缩，骨料下沉，混凝土尚未硬化，成为塑性收缩，裂缝也因此形成[5]。而干缩裂缝是随着混凝土表面水分的蒸发，而内部水分损失慢，内外产生的收缩量不均匀，从而导致表面混凝土承受拉力，当拉力超过抗拉强度，干缩裂缝也因此产生[6]。
3.裂缝对混凝土桥梁构件的危害
一方面，混凝土裂缝会加速混凝土的碳化，空气中的CO2会通过裂缝渗透到混凝土结构内部，与水泥中的物质发生反应，如果条件充分，会不断中和水泥的碱性，降低混凝土的pH值，破坏钢筋表膜，随着空气的渗入，钢筋锈蚀的问题也会不断加剧，破坏桥梁结构[7]。在非侵蚀性介质和正常的大气环境下，混凝土碳化深度D与时间t的关系为：
D=a ，a表示碳化速度系数。
另一方面，裂缝的存在，会使得混凝土的抗腐蚀能力下降，会对混凝土结构的强度和稳定性产生不利影响。随着裂缝的发展，桥梁的美观和耐久性会受到破坏，严重的话，由于管穿性裂缝的存在，桥梁可能因此被完全破坏。
二、碳纤维桥梁加固技术的应用
1.碳纤维桥梁加固技术的优越性分析
第一，碳纤维加固技术在桥梁加固工程的应用过程中，具有薄而轻的特点，对于桥梁结构的尺寸和重量没有增加，对于层高有限的施工场所十分适用。
第二，碳纤维加固技术具有施工便捷的优点。碳纤维片能够直接在建筑物表面粘贴和包裹，工序简单，不需要适用模板或者其他大型吊装设备，对施工场地也没有过高的要求，尤其是对于狭窄空间的施工，优势更加明显[8]。此外，碳纤维加固技术的应用，能够有效缩短工期，减少投资。
第三，碳纤维材料的抗腐蚀能力强，尤其是对于近海或近化学工业的桥梁结构，能够起到有效的防护作用。
第四，通过碳纤维加固技术的使用，桥梁结构得以保持原有的结构样貌，有效弥补了外包混凝土使桥梁结构增加的不足之处，同时，对于不规则桥梁结构的加固优化也有重要意义，弥补了粘钢补强法的不足。由此可见，碳纤维加固方法的使用，对于保持原有结构的特点和外观，适应周围环境要求，减少修补痕迹有着重要意义。
2.碳纤维加固桥梁结构的具体实例分析
某地桥梁跨度为37m，跨中梁底面与水面的距离为4.5m，桥梁整体结构为拼装式等截面斜腿钢架桥，桥面两端简支，斜腿上端与桥面刚接。该桥梁始建于1987年，设计的承载为100t，但是随着经济发展，车辆的增加，根据实际需要，于2003年对桥梁进行了改造。经过改造，载重105t的货车均可通过桥梁。在设计过程中，考虑到实际荷载要超过设计荷载，所以要事先根据实际状况进行理论计算，尤其是对桥梁构件的压、弯、剪的计算。
根据理论分析结果，首先需要对斜梁腿进行加固，在该点的支座方向缠绕碳纤维布，提高节点的延展性。并沿梁粘贴U型碳纤维，提高抗剪性能。其次，在梁底进行抗弯加固，通过碳纤维板的运用，提高梁底的抗弯能力。在本次加固施工中，施工工艺分别为基层处理，涂刷结构胶，粘贴碳纤维，检查修补。
结语
由于水上施工环境的特殊性，在操作过程中，必须保证施工人员具有较高的专业素质，以专业技术人员为主，本次加固并没有影响交通，加固效果也基本上达到预期目标。由此可见，碳纤维加固技术在桥梁加固的工程实践中有着广泛的应用前景。
参考文献：
[1]毛建灿，徐光来，毛育庆，等.试论桥梁结构裂缝的维护与加固[J].黑龙江科技信息，2011，（4）：281.
[2]刘兴连.桥梁结构裂缝的维修与加固技术探析[J].交通标准化，2013，（2）：91-93.
论文作者:秦建新
论文发表刊物:《基层建设》2015年28期供稿
论文发表时间:2016/3/31
标签：裂缝论文; 桥梁论文; 碳纤维论文; 混凝土论文; 结构论文; 荷载论文; 应力论文; 《基层建设》2015年28期供稿论文;