1、前言
ROslautal橋原設(shè)計(jì)為兩車道公路橋，是聯(lián)邦德國(guó)B303號(hào)公路位于ROslautal河谷處的橋梁。由于該橋位于德國(guó)靠近捷克共和國(guó)邊境，是歐洲E48號(hào)公路的組成部分，是連接?xùn)|西歐國(guó)家之咽喉。該橋上重型貨物運(yùn)輸車輛通行不斷增長(zhǎng)，交通運(yùn)輸瓶頸效應(yīng)顯著。2002年該橋上通行車輛達(dá)到45萬(wàn)輛。為緩解由于交通量大導(dǎo)致車輛過境通關(guān)檢查造成的經(jīng)常性交通堵塞，以及小車駕駛員要長(zhǎng)距離穿梭于卡車之間所帶來的不斷增長(zhǎng)的交通隱患，聯(lián)邦德國(guó)公路局出臺(tái)在該橋通往捷克共和國(guó)方向增加一個(gè)車道的改造方案。
R6slautal橋建造于1992～1995年間，采用施工過程有輔助墩支撐的頂推法施工，橋梁跨徑組成為56+68+72+68 m（圖1）。該橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)應(yīng)力計(jì)算方法遵循現(xiàn)行聯(lián)邦德國(guó)公路設(shè)計(jì)規(guī)范。橋梁上部箱梁縱向配置直曲線預(yù)應(yīng)力鋼束，箱梁橋面板橫向沒有配置預(yù)應(yīng)力鋼柬。原橋基于兩車道車輛荷載需求設(shè)計(jì)，橋面板行車道總寬9．60 m（E圖2（a）]。
2、加寬要求與制約因素
增加附加車道通過壓縮橋面兩側(cè)人行道寬度并增設(shè)鋼筋混凝土防撞護(hù)欄予以實(shí)現(xiàn)，橋面行車道總寬達(dá)到1o．68 mE圖2（b）]。橋面行車道加寬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)基于聯(lián)邦德國(guó)公路研究所推薦的車輛荷載布置方案。增加為三個(gè)車道的每個(gè)車道的車輛荷載為縱向連續(xù)行駛的5軸440 kN卡車，可以攜帶歐洲委員會(huì)規(guī)定的12．19 m長(zhǎng)最大載重標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。在增加后的車道總寬度及橋長(zhǎng)范圍內(nèi)有增加的上述車輛荷載，要求對(duì)原有橋梁縱向、豎向、橫向3個(gè)方向?qū)嵤┘庸獭?br />
由于該橋在泛歐交通運(yùn)輸中充當(dāng)著重要角色，因此，在整個(gè)施工期間必需開放一個(gè)車道保障車輛通行。此外，施工車道完全關(guān)閉通行的可能時(shí)間間隔非常有限，同時(shí)，計(jì)劃施工期限僅為3個(gè)月。重要的是，環(huán)保部門要求施工方案應(yīng)對(duì)R6slautal河谷內(nèi)動(dòng)植物干擾盡可能小。
鑒于上述要求及限制，聯(lián)邦德國(guó)公路局決定采用體外預(yù)應(yīng)力束，及保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條兩項(xiàng)革新技術(shù)實(shí)施橋梁加固。由于采用碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）進(jìn)行橋面板加固可參考利用的經(jīng)驗(yàn)十分有限，因此，對(duì)橋面板加固的綜合性監(jiān)測(cè)研究工作也同步進(jìn)行。
3、橋梁縱向箱梁加固及豎向加固要點(diǎn)
橋面增加一個(gè)車道汽車荷載致使箱梁跨中梁底最大活載彎矩在原有基礎(chǔ)上增加了46％。為滿足突然增大的箱梁正常使用極限狀態(tài)需求，在箱梁內(nèi)每個(gè)腹板側(cè)向增加2束體外預(yù)應(yīng)力鋼柬，每束采用17股鋼絞線，分別錨固于每跨1／3跨徑和2／3跨徑橫隔板上。每跨箱梁內(nèi)附加橫隔板類似箱梁內(nèi)增設(shè)腹板間支撐梁，采用C45號(hào)自密實(shí)混凝土澆筑。澆筑方式采用在箱梁頂板開鑿灌漿小孔實(shí)施。盡管有諸如普通鋼筋較密、橫隔板上有預(yù)應(yīng)力預(yù)埋件等各不利因素，由于采用的混凝土質(zhì)量上佳，澆筑的橫隔板混凝土內(nèi)空隙率比預(yù)期的要小。
其他豎向加固工作包括：抽換支座；增加使墩臺(tái)基礎(chǔ)承載與梁底雙支撐相適應(yīng)的基礎(chǔ)混凝土圈梁，用于增強(qiáng)墩臺(tái)基礎(chǔ)承載能力等。
4、橋橫向箱梁懸臂橋面板加固
原橋上增加一個(gè)車道意味著增加的車輛荷載使箱梁懸臂橋面板負(fù)彎矩急劇增加。由于原橋面板橫向普通鋼筋抗彎強(qiáng)度儲(chǔ)備不足以抵抗新增負(fù)彎矩，因此橫橋向箱梁懸臂橋面板加固成為必需。
4．1 加固結(jié)構(gòu)方案選擇
有兩種結(jié)構(gòu)加固理念用于增強(qiáng)箱梁橫向懸臂板抗彎強(qiáng)度。
第一種理念：沿橋縱向在懸臂板外側(cè)采用附加支撐壓桿[圖3（a）]。依此理念有投標(biāo)商的設(shè)計(jì)方案是：壓桿的一端錨固于懸臂板下緣，另一端在箱梁腹板外側(cè)下端與錨固于箱梁腹板上的鋼系桿固結(jié)?？紤]到此加固方案不僅外形景觀令人失望，同時(shí)，由于系桿要錨固于箱梁腹板之上，腹板上要大量鉆孔，對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)損傷大，此外，鋼構(gòu)件加工量較大，不經(jīng)濟(jì)。由此，放棄第一種理念。
第二種理念：增強(qiáng)懸臂板自身抗彎強(qiáng)度。在第二種理念基礎(chǔ)上派生出以下幾種不同的加固方案：
?。?）橋面板頂面覆蓋附加鋼筋混凝土層。
（2）橋面板頂開槽埋置普通鋼筋或后張預(yù)應(yīng)力鋼柬。
?。?）碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）平鋪粘結(jié)于橋面板頂面，或開槽嵌入粘結(jié)于橋面板混凝土保護(hù)層內(nèi)。
由于覆蓋鋼筋混凝土層和開槽埋置鋼筋（或后張預(yù)應(yīng)力鋼束）均需要養(yǎng)護(hù)混凝土而臨時(shí)關(guān)閉交通，因此，這一類方案被放棄。
碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）平鋪于橋面板頂面的粘結(jié)強(qiáng)度非常有限，尤其是在反復(fù)的車輛荷載作用下很容易脫粘。此外，由于碳纖維增強(qiáng)聚合材料
?。–FRP）力學(xué)性能原因，在平面粘結(jié)期間，或防水層、瀝青混凝土路面大規(guī)模重新鋪筑期間，CFRP有被損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此，該方案被排除。
鑒于加固方案選擇原則基于重點(diǎn)考慮保通、時(shí)間、效益等因素，因此，箱梁橫向懸臂橋面板加固方案采用碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條嵌入粘結(jié)于混凝土保護(hù)層開槽內(nèi)的加固方案，即所謂的保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條方案[圖3（b）]。
4．2 關(guān)于保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚（CFRP）條
保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條技術(shù)運(yùn)用始于2O世紀(jì)90年代后期，該技術(shù)采用源于用此項(xiàng)技術(shù)加固混凝土構(gòu)件，與慣例混凝土體外粘結(jié)鋼材相比，該技術(shù)的粘結(jié)強(qiáng)度及延伸性更強(qiáng)。
碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）典型橫斷面為2Omm×2 ITlm，抗拉強(qiáng)度廠一2 800 MPa，彈性模量E一170 GPa，該材料條嵌入粘結(jié)于混凝土保護(hù)層上開出的切槽內(nèi)用于加強(qiáng)混凝土構(gòu)件。需要加固的混凝土構(gòu)件，首先需要對(duì)其現(xiàn)存混凝土保護(hù)層是否可以開槽進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
環(huán)氧粘結(jié)劑是一種“冷養(yǎng)護(hù)雙組分”環(huán)氧樹脂粘結(jié)材料。試驗(yàn)表明置入槽內(nèi)的該材料粘結(jié)強(qiáng)度不會(huì)在養(yǎng)護(hù)期間因?yàn)樾熊囌駝?dòng)而降低，因此，本橋整個(gè)加固工作可以在橋面單側(cè)保通情況下實(shí)施。
保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條加固構(gòu)件的加固強(qiáng)度與構(gòu)件的混凝土抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)，而混凝土抗拉強(qiáng)度能否得到充分利用，又完全取決于環(huán)氧粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度。因此，若環(huán)氧粘結(jié)層粘結(jié)失敗會(huì)直接導(dǎo)致混凝土構(gòu)件加固失敗。故本橋箱梁橫向懸臂板抗彎強(qiáng)度加固，及懸臂板頂面拉應(yīng)力區(qū)混凝土裂縫控制是否滿足加固需求，完全取決于環(huán)氧粘結(jié)劑是否將碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）與混凝土高效粘結(jié)。
本橋加固設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)，必須對(duì)環(huán)氧粘結(jié)層在運(yùn)營(yíng)荷載長(zhǎng)期作用下的最大可能剪應(yīng)力下的環(huán)氧粘結(jié)劑的長(zhǎng)期力學(xué)特性予以高度關(guān)注。
在德國(guó)，雖然保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條技術(shù)運(yùn)用在國(guó)內(nèi)獲得認(rèn)可，但是，其技術(shù)運(yùn)用依然受一些實(shí)用特性的制約，諸如本案，碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）嵌入粘結(jié)橋面板頂后，其上覆防水層之上瀝青混凝土橋面鋪裝時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）的溫度限制被突破，因此，針對(duì)此項(xiàng)特點(diǎn)的研究計(jì)劃也與加固工作同步實(shí)施。
4．3 溫度與加固功效
像所有熱化環(huán)氧材料一樣，環(huán)氧粘結(jié)劑的力學(xué)性能與溫度密切相關(guān)。室內(nèi)溫度下環(huán)氧粘結(jié)劑處于玻璃體狀態(tài)，材料力學(xué)特征呈線彈性變化狀態(tài)。通過試驗(yàn)觀察注意到，在特定的溫度升高區(qū)間，環(huán)氧粘結(jié)劑的硬度、強(qiáng)度隨之降低，體態(tài)從玻璃體狀態(tài)轉(zhuǎn)化到橡皮體狀態(tài)（圖4），玻璃體轉(zhuǎn)化溫度T 被認(rèn)為是環(huán)氧粘結(jié)劑力學(xué)性質(zhì)的突變指標(biāo)。一般“冷養(yǎng)護(hù)雙料混合”環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑
在55℃左右，其力學(xué)性能初始變化溫度在低于
以下的15℃左右，其正常工作容許溫度限于40～45℃ 之間作為技術(shù)運(yùn)用指標(biāo)被業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)同。環(huán)氧粘結(jié)劑徐變率與其力學(xué)性能及施工養(yǎng)護(hù)質(zhì)量有關(guān)。一般采用環(huán)氧樹脂作為填充料達(dá)到70％時(shí)，在室內(nèi)溫度情況下環(huán)氧粘結(jié)劑徐變系數(shù)可以假定為2，隨著溫度的增高，徐變系數(shù)成倍數(shù)增長(zhǎng)。荷載作用時(shí)，若壓應(yīng)力不超過環(huán)氧粘結(jié)劑實(shí)際強(qiáng)度的20％，其材料徐變被認(rèn)為呈線性變化。
本橋箱梁懸臂橋面板加固，設(shè)定兩種溫度狀況對(duì)環(huán)氧粘結(jié)劑實(shí)施評(píng)價(jià)，第一種溫度狀況是防水層之上鋪筑瀝青混凝土期間；第二種溫度狀況是運(yùn)營(yíng)期炎熱夏季。
瀝青混凝土鋪筑期間環(huán)氧粘結(jié)層的溫度大大超過
，根據(jù)本橋防水層的厚度，試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)氧粘結(jié)層溫度可達(dá)到100℃ 。如此高的溫度幾乎使環(huán)氧粘結(jié)層所有強(qiáng)度喪失。然而，通過試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，溫度回落后，環(huán)氧粘結(jié)層力學(xué)性質(zhì)可以恢復(fù)到原有環(huán)氧粘結(jié)劑力學(xué)性質(zhì)初始狀態(tài)，不僅其強(qiáng)度沒有發(fā)生變化，溫度指標(biāo)t 也沒有發(fā)生變化。試驗(yàn)同時(shí)表明，當(dāng)溫度達(dá)到
時(shí)，環(huán)氧粘結(jié)劑的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度跌至接近室內(nèi)溫度時(shí)初始強(qiáng)度的50％。
為估算運(yùn)營(yíng)期間夏季最高氣溫，根據(jù)地方氣象資料，利用非線性有限元模擬程序?qū)嵤y(cè)算。測(cè)算結(jié)果揭示碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條在炎熱夏季最高溫度可能達(dá)到45℃ 。溫度分析結(jié)果表明，本橋與類似氣候區(qū)奧地利國(guó)的實(shí)橋溫度觀測(cè)結(jié)果吻合。這些分析研究成果在本橋加固設(shè)計(jì)中的兩種不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下分別予以考慮：
?。?）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，環(huán)氧粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)度采用其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的65％，這一數(shù)值相當(dāng)于環(huán)氧粘結(jié)劑50℃時(shí)的強(qiáng)度值。
?。?）正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，裂縫寬度限制修訂值基于環(huán)氧粘結(jié)劑徐變系數(shù)的增加。同步漸變粘結(jié)定律（圖5）被用于對(duì)裂縫寬度的分析評(píng)價(jià)，此項(xiàng)分析評(píng)價(jià)基于混凝土構(gòu)件內(nèi)埋置的鋼筋與碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條之間有良好的兼容性。圖5同步漸變粘結(jié)定律及徐變系數(shù)建立在試驗(yàn)成果基礎(chǔ)之上。
綜合考慮承載能力和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果，本橋碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條沿縱橋向采用200 mm 間距布置。
4．4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
懸臂板加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)是要保障保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條加固特性在橫向拉應(yīng)力區(qū)域得以充分發(fā)揮，即：全部承擔(dān)懸臂板負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于環(huán)氧粘結(jié)劑特性及碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）力學(xué)特性，保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條加固區(qū)拉應(yīng)力傳遞中混凝土的抗拉強(qiáng)度可以忽略不計(jì)。由于碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條抗拉強(qiáng)度，以及環(huán)氧粘結(jié)劑膠粘強(qiáng)度明顯超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此，懸臂板頂面負(fù)彎矩區(qū)較高拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土表面裂縫特征不會(huì)妨礙混凝土正常安全工作?；炷帘砻娉霈F(xiàn)裂縫情況時(shí)，除機(jī)械咬合作用邊界條件以外，碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）嵌入粘結(jié)條邊界條件，類似鋼筋與混凝土結(jié)合其余邊界條件。
4．5 監(jiān)測(cè)
由于橋面板頂采用環(huán)氧粘結(jié)劑粘結(jié)碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）實(shí)施橋梁加固的經(jīng)驗(yàn)不多，有必要對(duì)該橋加固使用情況實(shí)施長(zhǎng)期觀測(cè)。重要的是加固區(qū)域有效強(qiáng)度若損失或環(huán)氧粘結(jié)層徐變?cè)黾涌赡軐?dǎo)致懸臂板豎向變形增加。因此，對(duì)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條相關(guān)溫度特征點(diǎn)；溫度沿橋橫向懸臂板的分布情況；以及與箱梁腹板相關(guān)的懸臂板豎向變形點(diǎn)的觀測(cè)同步定期實(shí)施。
圖6展示了鋪筑兩層瀝青混凝土?xí)r防水層頂面的溫度變化，及第二層瀝青混凝土鋪筑后降溫期間懸臂板的變形情況。
本橋加固后運(yùn)營(yíng)第一年觀測(cè)結(jié)果表明，保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料（CFRP）條依然保持有效加固強(qiáng)度。
5、結(jié)語(yǔ)
本文通過ROslautal橋加固案例，介紹了體外后張預(yù)應(yīng)力鋼束錨固于現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土橫隔板實(shí)施縱橋向加固，以及采用保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料條加固橋橫向箱梁懸臂橋面板兩項(xiàng)革新技術(shù)。
此兩項(xiàng)技術(shù)的采用，基于需要滿足聯(lián)邦德國(guó)公路局在諸多方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求及苛刻限制，以至加固后的橋梁服務(wù)狀態(tài)要達(dá)到優(yōu)良服務(wù)品質(zhì)。
本文通過對(duì)上述兩項(xiàng)革新技術(shù)介紹，特別是對(duì)后者技術(shù)特點(diǎn)的敘述，揭示了本橋加固是在盡可能小的干擾原有結(jié)構(gòu)的前提下，以最簡(jiǎn)單的方式和最小的施工時(shí)間消耗，獲取最大橋梁加固的經(jīng)濟(jì)效益。此外，通過對(duì)橋面懸臂板加固獲取的經(jīng)驗(yàn)及監(jiān)測(cè)研究成果，對(duì)本橋保護(hù)層內(nèi)嵌粘碳纖維增強(qiáng)聚合材料條加固構(gòu)件的長(zhǎng)期服務(wù)性給予了綜合評(píng)價(jià)。
