现有桥面板加固方法综述

夏立鹏　郑愚

(1. 东莞理工学院　建筑工程系，广东东莞　523808；2. 华南理工大学　土木与交通学院，广州　510641)



现有桥面板加固方法综述

夏立鹏1,2郑愚1

(1. 东莞理工学院建筑工程系，广东东莞523808；2. 华南理工大学土木与交通学院，广州510641)

摘要：桥面板在桥梁结构中直接承受交通荷载是桥梁结构体系的重要组成部分。随着重型车辆的增加和桥梁服役时间的增长，发现部分桥梁结构中桥面板受损严重，因此针对桥面板发展出了一系列的加固修复方法。围绕国内外桥面板加固的技术的研究发展现状，介绍了外贴钢板加固，FRP材料加固(外贴FRP片材加固，外部FRP(筋)格栅加固，体外预应力FRP筋加固和嵌入式FRP筋材)技术的应用和研究发展情况，分析其优点与不足，以促进针对桥面板加固方法的研究工作的开展。

关键词：桥面板；结构加固技术；纤维增强复合材料

我国现有公路桥梁多为依据上世纪标准建造，设计荷载较低。近年来，随着重型车辆的逐步增加，公路桥梁的负荷日趋加重，原有设计荷载已不能满足要求。同时随着服役年限的增加，有些桥梁暴露出钢筋或钢材的腐蚀的问题，导致结构过早退化等问题[1]。桥面板作为桥梁结构体系中直接承受交通荷载的构件，其工作状态决定桥梁能否正常使用，图1为桥面板退化导致板底开裂。在桥梁结构中，无论是混凝土结构、钢结构、钢-混凝土组合机构，桥梁面板一般为钢筋混凝土材料板[2]。因此寻找一种操作方便且有效提高桥面板承载力的加固方法十分必要，针对解决桥面板承载力问题的研究是具有实际意义的。

图1　桥面板板底开裂[3]

板构件由于受力情况较梁和柱等构件更加复杂，破坏形式多样化，针对板构件加固效果的探索难度较大，因此针对板结构开展的加固技术研究要远远少于梁柱等构件。目前，针对桥面板的加固技术有：外贴钢板加固和FRP材料加固。FRP材料加固又分为：外贴FRP片材(布)加固、FRP(筋材)格栅加固、预应力FRP筋加固、嵌入式FRP筋加固。其中外贴钢板加固和外贴FRP片材加固发展较成熟，我国规范已给出相关规定，但仍然存在较多问题。其余三种加固技术仍处在研究和部分工程试用阶段，其中嵌入式FRP筋加固已经在加固梁构件研究中取得了很好的效果，美国规范(ACI 440.2R-02)中已给出嵌入式加固梁承载力计算方法。本文将具体介绍这两类加固桥面板技术的研究和应用进展，对比不同加固技术的优缺点，更好地促进桥面板加固技术研究进一步开展。

1外贴钢板加固桥面板

外贴钢板加固又称粘钢加固，通过胶结剂把钢板粘贴在构件受拉一侧，以达到增强构件抗弯、抗拉目的。在 20 世纪 60 年代中期，粘钢加固技术最先出现在南非和法国。1967 年，南非的 Fleming 和 King 完成了素混凝土梁的外粘钢板试验，这是将粘钢法用于加固的首次尝试[3]。70年代，各种新的结构胶的出现使得该技术被应用于各种结构加固。1982年，英国谢菲尔德大学的R.Jones针对少筋梁和超筋梁粘钢加固进行了试验，根据试验梁的破坏形态得出始于钢板端部的破坏裂缝会向梁跨中发展。随后，针对钢板与混凝土的粘结问题进行研究发现加固钢筋混凝土的钢板端部存在应力集中使得钢板容易发生剥离破坏[5-6]。针对这种剥离破坏，在1988年英国R.Jones等通过在钢板端部采取锚固措施的试验研究中分析了钢板与混凝土之间的粘结关系，并对锚固措施提出了改进方法[7]。我国从八十年代开始针对这一加固方式进行研究。在1990年颁布的《混凝土结构加固技术规范》[8]附录中给出了关于构件外部粘钢加固的一些规定。

2003年，韩国学者JongsungSim等针对外贴钢板加固桥面板进行了试验研究[4]，由于板底整体加固面积较大，为避免发生粘结剥离失效采取锚固措施。先使用锚栓将加固钢板与桥面板锚固，待锚固措施完成后将粘结剂注入钢板和混凝土的接触面，具体的加固方案如图2所示，红色圆部分为锚栓锚固区域。通过对比试验结果发现加固后桥面板荷载提高明显，但破坏时比较突然且破坏前桥面板底部钢筋未发生屈服。由此可以看出钢板加固桥面板时，桥面板呈现出脆性破坏。目前国内针对钢板加固桥面板的研究尚未发现。

图2　桥面板底部外贴钢板加固[4]

外贴钢板加固在建筑物的梁柱构件加固中已经得到了广泛应用。采用这种方法加固构件，基本不增加构件荷载，不改变原结构体系和受力形式。胶粘剂硬化快，施工周期短，其强度高于混凝土强度保证了加固钢板和原构件共同工作。钢板与钢筋属于同种材料，性质相似，加固后相当于增加原构件配筋，从而提高了构件承载力。钢板加固后桥面板底平整，易于修饰。同时加固后钢板能有效限制裂缝开展，提高构件刚度和抗裂能力。

然而外贴钢板加固本身存在着固有缺陷。从图2的试验发现，尽管外贴钢板加固对于提高桥面板承载力的作用非常明显，但由于其加固过程中需要处理整块桥面板底部，施工时需处理作业面积远远大于梁柱构件，工作量很大。钢材易腐蚀一直是限制其耐久性的关键因素，实际中由于桥面板相对于梁构件整体外贴钢板加固面积很大，承受疲劳荷载，同时不可测因素较多，其耐久性还需进一步长期试验研究。另外钢板整体加固桥面板底部后，面板整体被覆盖，这使得后期观察桥面板底的损伤开裂变得困难，给后期桥面板的健康监测带来一定的难度，不利于及时发现面板内部产生的开裂破坏和裂缝发展等问题。

JongsungSim等采用的整体外粘钢板加固桥面板底的方法虽然承载力提高很大但破坏突然，加固整体效果一般。在1995年Swamy R N等对粘钢板梁进行的长期的耐久性试验研究，这些加固后的梁在工业区暴露了11~12年，期间无任何保护措施，发现加固梁的耐久性令人满意[9]。由此可看出减少加固钢板使用面积更加有利于加固后桥面板的耐久性。因此通过上面的优缺点对比，后期针对外贴钢板加固桥面板进行类似研究时可将钢板裁成带状，在板底间隔一定距离粘贴，并在端部锚固。这种方法可保证耐久性，有效缩小作业面积，减少工作量。

2FRP材料加固桥面板

近二十年来纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer-FRP)由于具有耐腐、轻质、高强、施工便捷等特点已经被广泛用于混凝土结构及其他结构加固领域[10]。纤维增强复合材料是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。常用的FRP的基体为树脂、金属、碳素、陶瓷等，纤维种类有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维、PBO(聚对亚苯基苯并双哑唑)纤维以及金属纤维等[11]。目前工程结构中常用的 FRP 主要为碳纤维(carbon fiber)、玻璃纤维(glass fiber)、玄武岩纤维(basalt fiber)和芳纶纤维(aramid fiber)增强的树脂基体，分别简称为GFRP、CFRP、BFRP、AFRP，具体参数见表1。

表1　常用纤维性能指标对比[12]

从FRP材料具体采用形式上来看，常见的主要有片材(FRP纤维布和FRP板)、筋材、格栅。纤维布(如图3a)是采用连续的长纤维编织而成的，通常为单向纤维布，使用前不浸润树脂。从用量上来说纤维布是目前应用最为广泛的形式，通常用于结构构件的加固，使用树脂浸润后贴于构件表面。FRP板(如图3b)通常是将纤维在工厂中经过层铺、浸润树脂、固化预成型而制成，施工中将其粘贴或锚固于结构表面。FRP 筋(如图3c)是采用单向成型工艺(如拉挤)，将单向长纤维与树脂混合成型为棒材，可对其表面进行处理，以增强其与混凝土的粘结作用。将长纤维束按照一定的间距相互垂直交叉编织，再用树脂浸润固化可形成FRP网格材或FRP格栅(图3d)。

图3　FRP材料的各种形式

2.1FRP片材加固桥面板

当前对桥面板加固采用FRP片材的形式较多。将桥面板底部进行表面清洁，要修补的部位混凝土打磨平整，涂刷特定环氧树脂，然后粘贴纤维布，最后再涂一层环氧树脂自然固化养护。针对不同强度的需要可以粘贴多层，但针对桥梁修补时不宜大量多层使用[14]。当前针对纤维布加固桥面板的研究主要集中在承载力，破坏模式，延性方面。

2002年，JongsungSimb，Hongseob等[4,15]针对FRP外贴加固进行了一系列的研究，主要针对碳纤维布、玻璃纤维布两种不同材料，单向和双向两种不同加固方式以及不同加固率下桥面板的承载力和破坏模式对比分析。通过对比破坏模式和承载力发现碳纤维布加固效果好于玻璃纤维布，双向粘贴FRP布好于单向粘贴FRP布，同时对加固后的面板引入理论分析建立了一套能比较准确计算加固后承载力的计算方法。考虑到加固后桥面板直接承受交通荷载，Hongseob等进一步对加固后的桥面板进行疲劳加载，发现外贴FRP布加固桥面板可显著提高桥面板的疲劳寿命，并且加固材料和混凝土表面的粘结特点是影响加固后桥面板疲劳寿命效果的主要因素[16]。

胡孔国等[17]使用FRP布加固桥面板来提高某高速公路匝道承载能力，对其进行了以连续板为原型的加固前后承载力对比模型试验。试验发现对桥面板采取加固措施时，若桥面板初始弯矩大于一定数值则随着初始弯矩的增加极限承载力显著降低，所以加固桥面板前应尽可能卸载。同时，碳纤维布加固桥面板后，对钢筋屈服前的桥面板刚度提高不大，对钢筋屈服后的桥面板刚度提高相当显著。

陈碧亮等[18]对CFRP布加固后桥面板进行了延性试验研究，发现加固后构件的延性系数不足未加固的一半。其原因是加固后构件多发生粘结破坏而非强度破坏，这很大程度上影响了构件延性。因此针对这一问题，该试验对构件采用了端部锚固措施，分别为端部压条锚固和端部螺栓锚固，试验结果发现采用压条锚固后桥面板延性系数有所提高，而采用螺栓锚固相比未采用锚固措施加固后的桥面板延性系数略有降低。所以从延性角度来看压条锚固性能要优于螺栓锚固。

外贴FRP布加固在当前的工程中应用已经比较广泛，通过上面的研究和工程实例可以看出这种加固方式对于桥面板承载力的提高显著。但这种加固方式也面临着一些问题，如加固后面板延性降低，构件多发生粘结破坏。在一些工程实例中也发现桥底通过的船只桅杆会刮破桥面板底部FRP片材(布)，造成加固材料的损坏，因此需要采取进一步的保护措施。试验中加固桥面板与加固材料的粘结破坏是造成加固后桥面板延性系数降低的主要原因，所以针对如何避免加固材料的粘结失效和提高桥面板延性还需进行进一步的研究。采用不同锚固措施对加固桥面板的影响应进行更加详细的试验对比分析。

2.2FRP(筋材)格栅加固桥面板

FRP格栅应用之初主要用于恶劣环境下替代钢筋网片，例如用作桥面板中的增强筋网片。其在结构加固中一般较少使用。韩国JongsungSimb等[4]采用CFRP格栅和双向CFRP筋对桥面板进行加固，并对比了两种方式加固桥面板后的承载力和延性。通过锚栓将加固筋材锚固于桥面板底部，并覆盖一层砂浆(如图4)，试验模型具体的锚固细节见图5。试验对比了CFRP格栅和外贴CFRP布的加固结果，发现这两种加固方式中CFRP格栅加固的桥面板延性和承载力均好于之前的双向CFRP布加固。另外由于CFRP筋双向布置其整体性不如CFRP格栅，所以试验结果发现CFRP格栅加固的桥面板延性要好于双向CFRP筋。

图4　 CFRP筋加固桥面板板底处理[4]

图5　CFRP筋加固方案和锚栓位置[4]

目前，在实际工程中尚未发现使用双向FRP格栅和筋材的方式来加固桥面板的例子。从已有的试验模型加固结果上来看其效果显著。但这种体外锚固FRP格栅或筋材并覆盖砂浆层的加固方法，需要处理几乎整个板底，将筋材进行锚固，然后覆盖砂浆层，操作上较外贴钢板加固更加复杂，工序繁琐，施工的工作量很大，实际工程中推广应用难度较大。

2.3体外预应力FRP筋加固桥面板

体外预应力FRP筋加固是通过增设FRP筋对结构施加预应力，通过体外预应力筋对结构施加预压应力，用以全部或部分抵消结构受弯矩作用引起的截面受拉区应力。与其他加固方法最大的区别是这是一种主动的加固方法，预应力的施加使得原结构内部应力重新分布，降低结构原有应力水平，使其它加固方法中普遍存在的应力应变滞后现象的影响能有所降低。

目前，国外针对体外预应力FRP筋的研究已经相当丰富，并大量用于实际工程中。体外预应力的概念和方法起源于法国，由Eu-gene Freyssinet完成体外预应力的首次应用。1936年，德国Franz Dischinger工程师设计建造了世界上第一座预应力混凝土桥—Aue桥，并获得了体外无粘结预应力技术的专利。20世纪70年代末，原联邦德国首先对用玻璃纤维加劲塑料替代预应力钢材做了大量试验，并于1980年起开始用GFRP预应力筋修建人行试验桥。日本是使用碳纤维塑料筋(CFRP)和芳纶纤维塑料筋(AFRP)较早的国家，1988、1996年预应力CFRP筋和AFRP筋分别被用于公路桥梁和悬索板桥。20世纪90年代后期，用FRP预应力筋修建的桥梁已达20余座[19]。

1993年T.Kato和N.Hayashida在对配置CFRP预应力筋混凝土梁的抗弯性能试验研究中发现：将配置体内有粘结预应力CFRP筋改为配置体外无粘结预应力CFRP筋，梁的破坏形式由CFRP筋断裂转变为混凝土被压碎，破坏时结构的变形大大改善[20]。

1998年N.F.Grace等对配置体外CFRP预应力筋混凝土梁桥进行了试验研究，对4座试验桥分别进行了静载试验、循环加载试验和破坏试验。研究表明：加大转向块半径和转向块表面加垫层都可以减少体外筋在转向块处的摩擦损失，折线形体外预应力筋、体内纵向有粘结筋和体内横向无粘结筋混合配筋可以提高结构的延性[21]。

我国针对这种方法已经进行了一些相关的工程和试验研究。王鹏等[22]在淮安市何圩桥中设计建设了一跨利用CFRP筋加工的碳绞线进行体外预应力的混凝土简支梁(如图6)，为该类桥梁的研究提供参考。试验探讨了此类桥梁中挠度、延性和抗弯、抗剪的计算方法。结果表明：应用的预应力束、裂缝宽度、构件的挠度、延性以及极限抗弯承载能力各项指标均能满足设计要求。

祝玉斌[23]针对水闸桥板采用体外预应力GFRP筋进行加固。由于所用的GFRP筋与传统的钢筋、钢绞线等差别很大，属于脆性材料，即其横向抗压能力较弱，所以GFRP筋锚具采用粘结型套筒式锚具，具体锚固措施见图7。试验研究了体外预应力GFRP筋加固量以及张拉力大小对试验板开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和短期刚度的影响。研究结果发现随着GFRP筋用量的增加试验板的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均有提高且在同等荷载下试验板挠度会变小，而提高张拉力对荷载和挠度的作用不明显。最后通过试验结果分析并结合现有相关规范，基于混凝土板受弯基本理论建立了体外预应力GFRP筋加固单向板正截面承载力的计算公式。

图6　碳绞线体外预应力加固桥梁[22]

图7　体外预应力FRP筋加固桥面板锚固措施[23]

目前，体外预应力FRP筋加固桥面板仍然存在着一些问题，如应力损失，部分试件锚固端发生破坏等，同时体外预应力FRP筋直接裸露在桥面板一段距离外，更加容易受到外部因素的干扰作用，加固筋材更容易受到损伤，影响加固后的长期效果。

2.4表层嵌贴FRP加固桥面板

表层嵌贴FRP加固(Near-surface mounted，简称NSM)法是在原有FRP表层粘贴法基础上的发展和创新，具体操作是在钢筋混凝土构件表面按照设计要求开槽，将FRP筋材或FRP板材嵌入槽中，利用粘结剂使其与构件紧密粘结(见图8)。与FRP表面外贴加固法相比嵌贴FRP可以避免磨损、碰撞等意外作用，筋材在槽内与混凝土三面均有粘结，粘结效果更好，便于与相邻构件锚固，并且减少了对构件表面的处理工作量，提高了施工效率。

图8　表层嵌贴 FRP 加固法[24]

早在1948年，瑞典的Asplund[30]曾用此项技术加固瑞典一座桥梁。他把钢筋置于混凝土结构表面的槽中，在槽中灌入水泥浆，然后用喷浆混凝土覆盖进行表面处理。然而，由于水泥浆的粘结性能较差，所以加固部分与原结构粘结效果不好，从而影响了加固效果。如今随着FRP复合材料的深入研究利用其本身的高强防腐的特点来替代钢筋，并采用新型的粘结剂替代水泥浆，使得嵌入式加固有着非常广阔的应用前景。此项技术在国外已被一些工程加固项目所采用。

1997年，Paolo Casadei等[31]分别采用了外贴FRP片材和表层嵌贴FRP筋的方法对美国密苏里州的一座损坏桥梁(Martin Spring桥，如图9所示)的不同区域面板进行加固，并针对加固前后进行了车辆荷载试验，发现两种加固方式对于桥面板都十分有效。Tarek Alkhrdaji等[32]针对一座即将拆除的损坏的桥梁(Bridge J-857)同样分别采用了外贴FRP片材和表层嵌贴FRP筋的方法进行加固，发现外贴FRP片材加固桥面板破坏时伴随着加固材料的断裂和粘结层的剥离，而表层嵌贴FRP筋加固的桥面板破坏多为筋材的断裂。试验结果表明表层嵌贴FRP筋加固的桥面板承载力要高于外贴FRP片材加固后的桥面板。

图9　Martin Spring桥面板底部嵌入式加固[31]

Christina O’Neill[33]等使用不同种类筋材：玻璃纤维筋(glass FRP)、碳纤维筋(carbon FRP)和MMFX钢(MMFX steel)对试验制作的桥面板板带进行加固，研究结果表明以MMFX钢筋作为嵌入式筋材对约束构件开裂的作用要比FRP筋嵌入式加固的板带更为显著。同时也对比不同类型粘结剂：环氧树脂(Epoxy)、水泥浆(Cement grout)对加固效果的影响，发现环氧树脂粘结剂对加固后板带承载力的提高程度要高于水泥浆作为粘结剂的板带，并且采用环氧树脂粘结剂加固后的板带延性好于以水泥浆作为粘结剂的板带。

2008年Foret和Liman开展了CFRP筋嵌入式加固混凝土双向板在局部面积荷载作用下工作机理试验和数值模拟研究。研究结果表明，相对于传统FRP片材外贴加固技术，FRP筋嵌入式加固混凝土板结构更具延性，FRP材料与混凝土粘结面积增加，不易发生加固材料剥离破坏，能有效提高结构加固效果降低加固率[34]。

当前国内针对表层嵌贴FRP筋加固方法主要集中在加固钢筋混凝土梁构件的抗弯破坏[24-29]、抗剪破坏和粘结破坏研究，未发现针对板构件尤其是针对桥面板的表层嵌贴FRP筋加固方法的研究。

图10　外贴FRP板材及底部嵌入式FRP筋加固桥面板

从已有实际加固工程来看，桥面板表层嵌贴FRP筋加固方法与外贴FRP片材加固方法相比，加固材料和原构件之间的粘结更加紧密，加固时板底处理的面积更小，施工更加方便。这种加固方法在加固桥面板方面有着非常广阔的应用前景。所以针对表层嵌入FRP筋加固桥面板，研究加固后桥面板的承载力提高程度，筋材与面板之间的粘结关系，桥面板的破坏模式和延性变化，桥面板在疲劳荷载下工作状态，是当前亟需进行且非常有意义的一项工作。课题组现已针对这种加固桥面板方法展开了试验研究。为避免嵌入式加固桥面板过早发生混凝土剥离或粘结破坏，郑愚提出了桥面板横向采用嵌入式FRP筋加固，纵向采用外贴FRP片材起到约束锚固嵌入式筋材的作用(如图10)。这种方法能有效提高横向FRP筋材的稳定性和锚固程度，而且双向加固的效果对桥面的稳定性和双向抗剪抗弯性能均有提高，能较大程度提升加固效果。

3结语

本文介绍了桥梁结构中桥面板加固技术的发展应用和研究情况。桥面板在桥梁结构中直接承受交通荷载，并且荷载分布极不规律，其破坏的规律与其他构件相比更加复杂。当前，国内在桥面板加固技术的应用和研究相对国外较少。

从加固材料上来说FRP材料以其轻质高强耐腐蚀的特点，相比传统钢材在加固领域有着更好的应用前景。从加固方式上来说，外贴FRP片材在工程中的应用最为广泛，而嵌入式FRP筋材加固有着更加明显的优点并已开展了大量的研究。同时当前已经开展了针对加固技术中粘结问题的研究，锚固措施的应用提高了FRP加固材料与混凝土的协同工作性能，从一定程度上缓解了这个难题。深入研究加固构件的粘结破坏机理，针对桥面板加固材料提出更加合理的锚固措施将使这种技术得到更好的应用。

当前针对桥面板加固研究中，通常将桥面板取为板带进行抗弯性能研究，但实际中桥面板受到支撑梁的约束产生压缩薄膜效应。研究中有必要考虑面板边界支撑条件因素对其抗弯加固性能作用。应当考虑加固后桥面板内压缩薄膜效应来建立加固后桥面板承载力计算公式。另外桥面板通常承受局部面积区域荷载(轮胎荷载)，因此有必要分析加固桥面板结构在局部轮载作用下的受力性能及相应承载力和失效机理。在研究承载力和静力加载破坏模式基础上，结合桥面板实际使用状态，应对加固桥面板进行疲劳荷载下的研究。

桥面板是桥梁结构中的重要组成构件，提出合理有效的加固技术来更好更快修复破损的桥面板，提高现有桥面板的承载力，使旧桥梁结构更好的服务于交通运输，会带来不可忽视的综合经济效益。希望通过本文，能够使研究人员对桥梁面板的加固技术有更多的认识，积极参与桥面板加固研究，提升我国土木建筑加固技术水平。

参 考 文 献

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Strengthening Methods for Bridge Deck Structures

XIA Lipeng1, 2ZHENG Yu1

(1. Department of Civil Engineering, Dongguang University of Technology, Dongguan 523808, China;

2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

AbstractBridge deck in bridge structure bearing directly the traffic load is an important part of the bridge structure system. With the increase of heavy vehicles and the bridge service time, bridge decks in part of the bridge structure are found severely damaged, so a series of strengthening and repairing methods have been developed. This paper reveals the research and development of different strengthening design procedures, which are applied to improve the structural performance of bridge decks, discussing and presenting the advantage and limitation of those strengthening methods by studying the application of different strengthening methods, including external bonding steel plates and FRP material strengthening method(external FRP sheets, external FRP grid, external prestressed FRP tendons and the near surface mounted FRP rods), which can improve the researches related to strengthening technology in bridge deck structures.

Key wordsconcrete bridge deck; structural strengthening method; fiber reinforced polymer plastic

文章编号：1009-0312(2016)01-0080-10

中图分类号：U445. 7

文献标识码：A

作者简介：夏立鹏(1991—)，男，河北刑台人，硕士生，主要从事结构复合材料加固，结构数值模拟研究。

基金项目：广东省优秀青年教师培养计划(Yq2013155)；广东省交通厅科技计划(2013-02-029)。

收稿日期：2015-09-21