1、前言
ROslautal桥原设计为两车道公路桥，是联邦德国B303号公路位于ROslautal河谷处的桥梁。由于该桥位于德国靠近捷克共和国边境，是欧洲E48号公路的组成部分，是连接东西欧国家之咽喉。该桥上重型货物运输车辆通行不断增长，交通运输瓶颈效应显著。2002年该桥上通行车辆达到45万辆。为缓解由于交通量大导致车辆过境通关检查造成的经常性交通堵塞，以及小车驾驶员要长距离穿梭于卡车之间所带来的不断增长的交通隐患，联邦德国公路局出台在该桥通往捷克共和国方向增加一个车道的改造方案。
R6slautal桥建造于1992～1995年间，采用施工过程有辅助墩支撑的顶推法施工，桥梁跨径组成为56+68+72+68 m（图1）。该桥设计荷载标准及预应力计算方法遵循现行联邦德国公路设计规范。桥梁上部箱梁纵向配置直曲线预应力钢束，箱梁桥面板横向没有配置预应力钢柬。原桥基于两车道车辆荷载需求设计，桥面板行车道总宽9．60 m（E图2（a）]。
2、加宽要求与制约因素
增加附加车道通过压缩桥面两侧人行道宽度并增设钢筋混凝土防撞护栏予以实现，桥面行车道总宽达到1o．68 mE图2（b）]。桥面行车道加宽结构安全评价基于联邦德国公路研究所推荐的车辆荷载布置方案。增加为三个车道的每个车道的车辆荷载为纵向连续行驶的5轴440 kN卡车，可以携带欧洲委员会规定的12．19 m长最大载重标准集装箱。在增加后的车道总宽度及桥长范围内有增加的上述车辆荷载，要求对原有桥梁纵向、竖向、横向3个方向实施加固。
由于该桥在泛欧交通运输中充当着重要角色，因此，在整个施工期间必需开放一个车道保障车辆通行。此外，施工车道完全关闭通行的可能时间间隔非常有限，同时，计划施工期限仅为3个月。重要的是，环保部门要求施工方案应对R6slautal河谷内动植物干扰尽可能小。
鉴于上述要求及限制，联邦德国公路局决定采用体外预应力束，及保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条两项革新技术实施桥梁加固。由于采用碳纤维增强聚合材料（CFRP）进行桥面板加固可参考利用的经验十分有限，因此，对桥面板加固的综合性监测研究工作也同步进行。
3、桥梁纵向箱梁加固及竖向加固要点
桥面增加一个车道汽车荷载致使箱梁跨中梁底最大活载弯矩在原有基础上增加了46％。为满足突然增大的箱梁正常使用极限状态需求，在箱梁内每个腹板侧向增加2束体外预应力钢柬，每束采用17股钢绞线，分别锚固于每跨1／3跨径和2／3跨径横隔板上。每跨箱梁内附加横隔板类似箱梁内增设腹板间支撑梁，采用C45号自密实混凝土浇筑。浇筑方式采用在箱梁顶板开凿灌浆小孔实施。尽管有诸如普通钢筋较密、横隔板上有预应力预埋件等各不利因素，由于采用的混凝土质量上佳，浇筑的横隔板混凝土内空隙率比预期的要小。
其他竖向加固工作包括：抽换支座；增加使墩台基础承载与梁底双支撑相适应的基础混凝土圈梁，用于增强墩台基础承载能力等。
4、桥横向箱梁悬臂桥面板加固
原桥上增加一个车道意味着增加的车辆荷载使箱梁悬臂桥面板负弯矩急剧增加。由于原桥面板横向普通钢筋抗弯强度储备不足以抵抗新增负弯矩，因此横桥向箱梁悬臂桥面板加固成为必需。
4．1 加固结构方案选择
有两种结构加固理念用于增强箱梁横向悬臂板抗弯强度。
第一种理念：沿桥纵向在悬臂板外侧采用附加支撑压杆[图3（a）]。依此理念有投标商的设计方案是：压杆的一端锚固于悬臂板下缘，另一端在箱梁腹板外侧下端与锚固于箱梁腹板上的钢系杆固结。考虑到此加固方案不仅外形景观令人失望，同时，由于系杆要锚固于箱梁腹板之上，腹板上要大量钻孔，对箱梁结构损伤大，此外，钢构件加工量较大，不经济。由此，放弃第一种理念。
第二种理念：增强悬臂板自身抗弯强度。在第二种理念基础上派生出以下几种不同的加固方案：
（1）桥面板顶面覆盖附加钢筋混凝土层。
（2）桥面板顶开槽埋置普通钢筋或后张预应力钢柬。
（3）碳纤维增强聚合材料（CFRP）平铺粘结于桥面板顶面，或开槽嵌入粘结于桥面板混凝土保护层内。
由于覆盖钢筋混凝土层和开槽埋置钢筋（或后张预应力钢束）均需要养护混凝土而临时关闭交通，因此，这一类方案被放弃。
碳纤维增强聚合材料（CFRP）平铺于桥面板顶面的粘结强度非常有限，尤其是在反复的车辆荷载作用下很容易脱粘。此外，由于碳纤维增强聚合材料
（CFRP）力学性能原因，在平面粘结期间，或防水层、沥青混凝土路面大规模重新铺筑期间，CFRP有被损伤的风险，因此，该方案被排除。
鉴于加固方案选择原则基于重点考虑保通、时间、效益等因素，因此，箱梁横向悬臂桥面板加固方案采用碳纤维增强聚合材料（CFRP）条嵌入粘结于混凝土保护层开槽内的加固方案，即所谓的保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条方案[图3（b）]。
4．2 关于保护层内嵌粘碳纤维增强聚（CFRP）条
保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条技术运用始于2O世纪90年代后期，该技术采用源于用此项技术加固混凝土构件，与惯例混凝土体外粘结钢材相比，该技术的粘结强度及延伸性更强。
碳纤维增强聚合材料（CFRP）典型横断面为2Omm×2 ITlm，抗拉强度厂一2 800 MPa，弹性模量E一170 GPa，该材料条嵌入粘结于混凝土保护层上开出的切槽内用于加强混凝土构件。需要加固的混凝土构件，首先需要对其现存混凝土保护层是否可以开槽进行综合评价。
环氧粘结剂是一种“冷养护双组分”环氧树脂粘结材料。试验表明置入槽内的该材料粘结强度不会在养护期间因为行车振动而降低，因此，本桥整个加固工作可以在桥面单侧保通情况下实施。
保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条加固构件的加固强度与构件的混凝土抗拉强度密切相关，而混凝土抗拉强度能否得到充分利用，又完全取决于环氧粘结剂的抗剪强度。因此，若环氧粘结层粘结失败会直接导致混凝土构件加固失败。故本桥箱梁横向悬臂板抗弯强度加固，及悬臂板顶面拉应力区混凝土裂缝控制是否满足加固需求，完全取决于环氧粘结剂是否将碳纤维增强聚合材料（CFRP）与混凝土高效粘结。
本桥加固设计中特别强调，必须对环氧粘结层在运营荷载长期作用下的最大可能剪应力下的环氧粘结剂的长期力学特性予以高度关注。
在德国，虽然保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条技术运用在国内获得认可，但是，其技术运用依然受一些实用特性的制约，诸如本案，碳纤维增强聚合材料（CFRP）嵌入粘结桥面板顶后，其上覆防水层之上沥青混凝土桥面铺装时，可能会导致对碳纤维增强聚合材料（CFRP）的温度限制被突破，因此，针对此项特点的研究计划也与加固工作同步实施。
4．3 温度与加固功效
像所有热化环氧材料一样，环氧粘结剂的力学性能与温度密切相关。室内温度下环氧粘结剂处于玻璃体状态，材料力学特征呈线弹性变化状态。通过试验观察注意到，在特定的温度升高区间，环氧粘结剂的硬度、强度随之降低，体态从玻璃体状态转化到橡皮体状态（图4），玻璃体转化温度T 被认为是环氧粘结剂力学性质的突变指标。一般“冷养护双料混合”环氧树脂粘结剂
在55℃左右，其力学性能初始变化温度在低于
以下的15℃左右，其正常工作容许温度限于40～45℃ 之间作为技术运用指标被业内广泛认同。环氧粘结剂徐变率与其力学性能及施工养护质量有关。一般采用环氧树脂作为填充料达到70％时，在室内温度情况下环氧粘结剂徐变系数可以假定为2，随着温度的增高，徐变系数成倍数增长。荷载作用时，若压应力不超过环氧粘结剂实际强度的20％，其材料徐变被认为呈线性变化。
本桥箱梁悬臂桥面板加固，设定两种温度状况对环氧粘结剂实施评价，第一种温度状况是防水层之上铺筑沥青混凝土期间；第二种温度状况是运营期炎热夏季。
沥青混凝土铺筑期间环氧粘结层的温度大大超过
，根据本桥防水层的厚度，试验结果表明环氧粘结层温度可达到100℃ 。如此高的温度几乎使环氧粘结层所有强度丧失。然而，通过试验观测结果表明，温度回落后，环氧粘结层力学性质可以恢复到原有环氧粘结剂力学性质初始状态，不仅其强度没有发生变化，温度指标t 也没有发生变化。试验同时表明，当温度达到
时，环氧粘结剂的抗压强度、抗拉强度跌至接近室内温度时初始强度的50％。
为估算运营期间夏季最高气温，根据地方气象资料，利用非线性有限元模拟程序实施测算。测算结果揭示碳纤维增强聚合材料（CFRP）条在炎热夏季最高温度可能达到45℃ 。温度分析结果表明，本桥与类似气候区奥地利国的实桥温度观测结果吻合。这些分析研究成果在本桥加固设计中的两种不同设计状态下分别予以考虑：
（1）承载能力极限状态设计，环氧粘结剂粘结强度采用其设计强度的65％，这一数值相当于环氧粘结剂50℃时的强度值。
（2）正常使用极限状态设计，裂缝宽度限制修订值基于环氧粘结剂徐变系数的增加。同步渐变粘结定律（图5）被用于对裂缝宽度的分析评价，此项分析评价基于混凝土构件内埋置的钢筋与碳纤维增强聚合材料（CFRP）条之间有良好的兼容性。图5同步渐变粘结定律及徐变系数建立在试验成果基础之上。
综合考虑承载能力和正常使用极限状态计算结果，本桥碳纤维增强聚合材料（CFRP）条沿纵桥向采用200 mm 间距布置。
4．4 设计要点
悬臂板加固设计要点是要保障保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条加固特性在横向拉应力区域得以充分发挥，即：全部承担悬臂板负弯矩区拉应力。试验结果表明，基于环氧粘结剂特性及碳纤维增强聚合材料（CFRP）力学特性，保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条加固区拉应力传递中混凝土的抗拉强度可以忽略不计。由于碳纤维增强聚合材料（CFRP）条抗拉强度，以及环氧粘结剂胶粘强度明显超过混凝土的抗拉强度，因此，悬臂板顶面负弯矩区较高拉应力导致混凝土表面裂缝特征不会妨碍混凝土正常安全工作。混凝土表面出现裂缝情况时，除机械咬合作用边界条件以外，碳纤维增强聚合材料（CFRP）嵌入粘结条边界条件，类似钢筋与混凝土结合其余边界条件。
4．5 监测
由于桥面板顶采用环氧粘结剂粘结碳纤维增强聚合材料（CFRP）实施桥梁加固的经验不多，有必要对该桥加固使用情况实施长期观测。重要的是加固区域有效强度若损失或环氧粘结层徐变增加可能导致悬臂板竖向变形增加。因此，对嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条相关温度特征点；温度沿桥横向悬臂板的分布情况；以及与箱梁腹板相关的悬臂板竖向变形点的观测同步定期实施。
图6展示了铺筑两层沥青混凝土时防水层顶面的温度变化，及第二层沥青混凝土铺筑后降温期间悬臂板的变形情况。
本桥加固后运营第一年观测结果表明，保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料（CFRP）条依然保持有效加固强度。
5、结语
本文通过ROslautal桥加固案例，介绍了体外后张预应力钢束锚固于现浇自密实混凝土横隔板实施纵桥向加固，以及采用保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料条加固桥横向箱梁悬臂桥面板两项革新技术。
此两项技术的采用，基于需要满足联邦德国公路局在诸多方面的高标准要求及苛刻限制，以至加固后的桥梁服务状态要达到优良服务品质。
本文通过对上述两项革新技术介绍，特别是对后者技术特点的叙述，揭示了本桥加固是在尽可能小的干扰原有结构的前提下，以最简单的方式和最小的施工时间消耗，获取最大桥梁加固的经济效益。此外，通过对桥面悬臂板加固获取的经验及监测研究成果，对本桥保护层内嵌粘碳纤维增强聚合材料条加固构件的长期服务性给予了综合评价。
