1、前言
ROslautal橋原設計為兩車道公路橋，是聯(lián)邦德國B303號公路位于ROslautal河谷處的橋梁。由于該橋位于德國靠近捷克共和國邊境，是歐洲E48號公路的組成部分，是連接東西歐國家之咽喉。該橋上重型貨物運輸車輛通行不斷增長，交通運輸瓶頸效應顯著。2002年該橋上通行車輛達到45萬輛。為緩解由于交通量大導致車輛過境通關檢查造成的經(jīng)常性交通堵塞，以及小車駕駛員要長距離穿梭于卡車之間所帶來的不斷增長的交通隱患，聯(lián)邦德國公路局出臺在該橋通往捷克共和國方向增加一個車道的改造方案。
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）。該橋設計荷載標準及預應力計算方法遵循現(xiàn)行聯(lián)邦德國公路設計規(guī)范。橋梁上部箱梁縱向配置直曲線預應力鋼束，箱梁橋面板橫向沒有配置預應力鋼柬。原橋基于兩車道車輛荷載需求設計，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人行道寬度并增設鋼筋混凝土防撞護欄予以實現(xiàn)，橋面行車道總寬達到1o．68 mE圖2（b）]。橋面行車道加寬結構安全評價基于聯(lián)邦德國公路研究所推薦的車輛荷載布置方案。增加為三個車道的每個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規(guī)定的12．19 m長最大載重標準集裝箱。在增加后的車道總寬度及橋長范圍內(nèi)有增加的上述車輛荷載，要求對原有橋梁縱向、豎向、橫向3個方向?qū)嵤┘庸獭?br />
由于該橋在泛歐交通運輸中充當著重要角色，因此，在整個施工期間必需開放一個車道保障車輛通行。此外，施工車道完全關閉通行的可能時間間隔非常有限，同時，計劃施工期限僅為3個月。重要的是，環(huán)保部門要求施工方案應對R6slautal河谷內(nèi)動植物干擾盡可能小。
鑒于上述要求及限制，聯(lián)邦德國公路局決定采用體外預應力束，及保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條兩項革新技術實施橋梁加固。由于采用碳纖維增強聚合材料（CFRP）進行橋面板加固可參考利用的經(jīng)驗十分有限，因此，對橋面板加固的綜合性監(jiān)測研究工作也同步進行。
3、橋梁縱向箱梁加固及豎向加固要點
橋面增加一個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)每個腹板側向增加2束體外預應力鋼柬，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)增設腹板間支撐梁，采用C45號自密實混凝土澆筑。澆筑方式采用在箱梁頂板開鑿灌漿小孔實施。盡管有諸如普通鋼筋較密、橫隔板上有預應力預埋件等各不利因素，由于采用的混凝土質(zhì)量上佳，澆筑的橫隔板混凝土內(nèi)空隙率比預期的要小。
其他豎向加固工作包括：抽換支座；增加使墩臺基礎承載與梁底雙支撐相適應的基礎混凝土圈梁，用于增強墩臺基礎承載能力等。
4、橋橫向箱梁懸臂橋面板加固
原橋上增加一個車道意味著增加的車輛荷載使箱梁懸臂橋面板負彎矩急劇增加。由于原橋面板橫向普通鋼筋抗彎強度儲備不足以抵抗新增負彎矩，因此橫橋向箱梁懸臂橋面板加固成為必需。
4．1 加固結構方案選擇
有兩種結構加固理念用于增強箱梁橫向懸臂板抗彎強度。
第一種理念：沿橋縱向在懸臂板外側采用附加支撐壓桿[圖3（a）]。依此理念有投標商的設計方案是：壓桿的一端錨固于懸臂板下緣，另一端在箱梁腹板外側下端與錨固于箱梁腹板上的鋼系桿固結?？紤]到此加固方案不僅外形景觀令人失望，同時，由于系桿要錨固于箱梁腹板之上，腹板上要大量鉆孔，對箱梁結構損傷大，此外，鋼構件加工量較大，不經(jīng)濟。由此，放棄第一種理念。
第二種理念：增強懸臂板自身抗彎強度。在第二種理念基礎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。
?。?）橋面板頂開槽埋置普通鋼筋或后張預應力鋼柬。
?。?）碳纖維增強聚合材料（CFRP）平鋪粘結于橋面板頂面，或開槽嵌入粘結于橋面板混凝土保護層內(nèi)。
由于覆蓋鋼筋混凝土層和開槽埋置鋼筋（或后張預應力鋼束）均需要養(yǎng)護混凝土而臨時關閉交通，因此，這一類方案被放棄。
碳纖維增強聚合材料（CFRP）平鋪于橋面板頂面的粘結強度非常有限，尤其是在反復的車輛荷載作用下很容易脫粘。此外，由于碳纖維增強聚合材料
?。–FRP）力學性能原因，在平面粘結期間，或防水層、瀝青混凝土路面大規(guī)模重新鋪筑期間，CFRP有被損傷的風險，因此，該方案被排除。
鑒于加固方案選擇原則基于重點考慮保通、時間、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聚合材料（CFRP）條嵌入粘結于混凝土保護層開槽內(nèi)的加固方案，即所謂的保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條方案[圖3（b）]。
4．2 關于保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚（CFRP）條
保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條技術運用始于2O世紀90年代后期，該技術采用源于用此項技術加固混凝土構件，與慣例混凝土體外粘結鋼材相比，該技術的粘結強度及延伸性更強。
碳纖維增強聚合材料（CFRP）典型橫斷面為2Omm×2 ITlm，抗拉強度廠一2 800 MPa，彈性模量E一170 GPa，該材料條嵌入粘結于混凝土保護層上開出的切槽內(nèi)用于加強混凝土構件。需要加固的混凝土構件，首先需要對其現(xiàn)存混凝土保護層是否可以開槽進行綜合評價。
環(huán)氧粘結劑是一種“冷養(yǎng)護雙組分”環(huán)氧樹脂粘結材料。試驗表明置入槽內(nèi)的該材料粘結強度不會在養(yǎng)護期間因為行車振動而降低，因此，本橋整個加固工作可以在橋面單側保通情況下實施。
保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條加固構件的加固強度與構件的混凝土抗拉強度密切相關，而混凝土抗拉強度能否得到充分利用，又完全取決于環(huán)氧粘結劑的抗剪強度。因此，若環(huán)氧粘結層粘結失敗會直接導致混凝土構件加固失敗。故本橋箱梁橫向懸臂板抗彎強度加固，及懸臂板頂面拉應力區(qū)混凝土裂縫控制是否滿足加固需求，完全取決于環(huán)氧粘結劑是否將碳纖維增強聚合材料（CFRP）與混凝土高效粘結。
本橋加固設計中特別強調(diào)，必須對環(huán)氧粘結層在運營荷載長期作用下的最大可能剪應力下的環(huán)氧粘結劑的長期力學特性予以高度關注。
在德國，雖然保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條技術運用在國內(nèi)獲得認可，但是，其技術運用依然受一些實用特性的制約，諸如本案，碳纖維增強聚合材料（CFRP）嵌入粘結橋面板頂后，其上覆防水層之上瀝青混凝土橋面鋪裝時，可能會導致對碳纖維增強聚合材料（CFRP）的溫度限制被突破，因此，針對此項特點的研究計劃也與加固工作同步實施。
4．3 溫度與加固功效
像所有熱化環(huán)氧材料一樣，環(huán)氧粘結劑的力學性能與溫度密切相關。室內(nèi)溫度下環(huán)氧粘結劑處于玻璃體狀態(tài)，材料力學特征呈線彈性變化狀態(tài)。通過試驗觀察注意到，在特定的溫度升高區(qū)間，環(huán)氧粘結劑的硬度、強度隨之降低，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 被認為是環(huán)氧粘結劑力學性質(zhì)的突變指標。一般“冷養(yǎng)護雙料混合”環(huán)氧樹脂粘結劑
在55℃左右，其力學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℃ 之間作為技術運用指標被業(yè)內(nèi)廣泛認同。環(huán)氧粘結劑徐變率與其力學性能及施工養(yǎng)護質(zhì)量有關。一般采用環(huán)氧樹脂作為填充料達到70％時，在室內(nèi)溫度情況下環(huán)氧粘結劑徐變系數(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。荷載作用時，若壓應力不超過環(huán)氧粘結劑實際強度的20％，其材料徐變被認為呈線性變化。
本橋箱梁懸臂橋面板加固，設定兩種溫度狀況對環(huán)氧粘結劑實施評價，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營期炎熱夏季。
瀝青混凝土鋪筑期間環(huán)氧粘結層的溫度大大超過
，根據(jù)本橋防水層的厚度，試驗結果表明環(huán)氧粘結層溫度可達到100℃ 。如此高的溫度幾乎使環(huán)氧粘結層所有強度喪失。然而，通過試驗觀測結果表明，溫度回落后，環(huán)氧粘結層力學性質(zhì)可以恢復到原有環(huán)氧粘結劑力學性質(zhì)初始狀態(tài)，不僅其強度沒有發(fā)生變化，溫度指標t 也沒有發(fā)生變化。試驗同時表明，當溫度達到
時，環(huán)氧粘結劑的抗壓強度、抗拉強度跌至接近室內(nèi)溫度時初始強度的50％。
為估算運營期間夏季最高氣溫，根據(jù)地方氣象資料，利用非線性有限元模擬程序?qū)嵤y算。測算結果揭示碳纖維增強聚合材料（CFRP）條在炎熱夏季最高溫度可能達到45℃ 。溫度分析結果表明，本橋與類似氣候區(qū)奧地利國的實橋溫度觀測結果吻合。這些分析研究成果在本橋加固設計中的兩種不同設計狀態(tài)下分別予以考慮：
?。?）承載能力極限狀態(tài)設計，環(huán)氧粘結劑粘結強度采用其設計強度的65％，這一數(shù)值相當于環(huán)氧粘結劑50℃時的強度值。
?。?）正常使用極限狀態(tài)設計，裂縫寬度限制修訂值基于環(huán)氧粘結劑徐變系數(shù)的增加。同步漸變粘結定律（圖5）被用于對裂縫寬度的分析評價，此項分析評價基于混凝土構件內(nèi)埋置的鋼筋與碳纖維增強聚合材料（CFRP）條之間有良好的兼容性。圖5同步漸變粘結定律及徐變系數(shù)建立在試驗成果基礎之上。
綜合考慮承載能力和正常使用極限狀態(tài)計算結果，本橋碳纖維增強聚合材料（CFRP）條沿縱橋向采用200 mm 間距布置。
4．4 設計要點
懸臂板加固設計要點是要保障保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條加固特性在橫向拉應力區(qū)域得以充分發(fā)揮，即：全部承擔懸臂板負彎矩區(qū)拉應力。試驗結果表明，基于環(huán)氧粘結劑特性及碳纖維增強聚合材料（CFRP）力學特性，保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條加固區(qū)拉應力傳遞中混凝土的抗拉強度可以忽略不計。由于碳纖維增強聚合材料（CFRP）條抗拉強度，以及環(huán)氧粘結劑膠粘強度明顯超過混凝土的抗拉強度，因此，懸臂板頂面負彎矩區(qū)較高拉應力導致混凝土表面裂縫特征不會妨礙混凝土正常安全工作。混凝土表面出現(xiàn)裂縫情況時，除機械咬合作用邊界條件以外，碳纖維增強聚合材料（CFRP）嵌入粘結條邊界條件，類似鋼筋與混凝土結合其余邊界條件。
4．5 監(jiān)測
由于橋面板頂采用環(huán)氧粘結劑粘結碳纖維增強聚合材料（CFRP）實施橋梁加固的經(jīng)驗不多，有必要對該橋加固使用情況實施長期觀測。重要的是加固區(qū)域有效強度若損失或環(huán)氧粘結層徐變增加可能導致懸臂板豎向變形增加。因此，對嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條相關溫度特征點；溫度沿橋橫向懸臂板的分布情況；以及與箱梁腹板相關的懸臂板豎向變形點的觀測同步定期實施。
圖6展示了鋪筑兩層瀝青混凝土時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。
本橋加固后運營第一年觀測結果表明，保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料（CFRP）條依然保持有效加固強度。
5、結語
本文通過ROslautal橋加固案例，介紹了體外后張預應力鋼束錨固于現(xiàn)澆自密實混凝土橫隔板實施縱橋向加固，以及采用保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料條加固橋橫向箱梁懸臂橋面板兩項革新技術。
此兩項技術的采用，基于需要滿足聯(lián)邦德國公路局在諸多方面的高標準要求及苛刻限制，以至加固后的橋梁服務狀態(tài)要達到優(yōu)良服務品質(zhì)。
本文通過對上述兩項革新技術介紹，特別是對后者技術特點的敘述，揭示了本橋加固是在盡可能小的干擾原有結構的前提下，以最簡單的方式和最小的施工時間消耗，獲取最大橋梁加固的經(jīng)濟效益。此外，通過對橋面懸臂板加固獲取的經(jīng)驗及監(jiān)測研究成果，對本橋保護層內(nèi)嵌粘碳纖維增強聚合材料條加固構件的長期服務性給予了綜合評價。
