外部粘贴预应力碳纤维板技术加固桥梁结构的工程应用分析

曹正川

（邢台路桥建设总公司，河北 邢台 054001）

1 试验主要涉及的技术——碳纤维板加固

目前我国主要的建筑材料中，在气候方面耐腐性能最突出的一种是碳纤维板材。现有研究得出的分析结果表明：弱碱、弱酸、长时间的日照以及冻融的长期循环等环境方面的因素对于碳纤维的耐老化性能以及力学性能的影响较小。弹性钢材与碳纤维板的综合性能比较如表1所示。

表1 碳纤维与弹性钢材性能比较

在碳纤维板工作（作用环境规定为与构建内部钢材协同进行工作）情况下，忽略钢筋初始应变系数大小的情况下碳纤维发挥抗性强度的大小也仅为8.8%；而如果是在同等条件下，混凝土结构的建筑表面将会有极大的裂缝以及变形现象发生。

而预应力碳纤维板的加固技术则是指对碳纤维板的作用中施加了一定程度的预应力，这样可以使得碳纤维板预先发挥出具有相当程度的硬度，从而达到对碳纤维板强度的有效利用。通过这种技术，一方面可以减少加固以及维护系统的成本，达到节省材料的目的；另一方面可以使结构变形的作用减小，使得承载力增加时其结构强度也可以得到一定的提升。本文对此项技术进行研究以及实验，以此来进行试验桥的结构加固，并进行一定的应用分析、评估。

2 试验桥梁情况及具体加固方案

试验桥至今已工作40年，长度为49.5m，整体结构分为2跨，其中一跨的长度为19.5m，每一跨是由t型主梁以及桥面的面板组成，其主梁主要材料为钢筋混凝土，在t型梁之间，都假设了联系较强的横隔梁，其设定的荷载量为挂—80以及汽—15。存在的主要问题在于桥梁主体出现了许多的受力裂缝，桥梁本身的抗弯强度因时间长久而退化严重，桥梁出现了很明显的变形现象。根据其承载能力的大小决定对其按照挂—100和汽—20的通行荷载标准来进行加固以及修复。

对试验桥的承载能力进行的验算，得出结论：主梁部分从中间到两侧的3.8m区域，其内部的抗弯能力明显不足，根据荷载试验得出的结果表明：其抗弯能力与标准荷载力差距约为800kN／m。必须进行一定程度的加固以提高其抗弯能力。主要施工方法为在试验桥主梁的中低部分以及梁肋距离梁底30cm处，都粘贴应力大小为1 000MP a和截取面积为140mm2的碳纤维板，加固主材料的碳纤维板以及胶粘剂的主要性能如表2所示。

表2 碳纤维板以及胶粘剂的主要性能

3 主要施工工艺

3.1 对混凝土的表面进行一定程度上的处理。为了使碳纤维板与桥梁接触部分的粘贴性能较好，必须对混凝土表面进行一定程度的处理，首先就是详细的外观检查，在此过程中，务必将风化程度较为严重的地方以及产生的裂缝处的异物以及阻碍物（木屑、多余混凝土）清理干净，并且在空隙处涂抹一定量的环氧树脂来填平缝隙，其次用直尺对其表面的平整程度进行检查，如果缝隙过大或无法使用环氧树脂的方式填平，就要采用整体结合性能突出的砂浆进行整平，最后为了保证混凝土和砂浆保证足够的界面结合力，选择在混凝土上埋置剪力集合器（规格：8mm），共2 100个，埋深的尺度为50mm。

3.2 在需要进行加固的梁体两端分别安装碳纤板锚具和张拉机具（见图1），步骤如下：

a）首先在锚具的安装位置切出一个比锚具底板部分稍深和稍大的方形槽；

b）其次在方形槽的底部螺丝的对应部分植入锚栓；

c）将环氧胶泥适量填入到方槽内部；

d）在锚具的底板位置套入锚栓，并且安入到方孔中间，使结构混凝土与表面达到一定的平整度。

图1 碳纤板锚具的安装示意图

3.3 在预应力碳纤维板的粘贴面部分以及混凝土的表面均匀的涂抹上专用规格的胶粘剂（8mm规格），然后安装碳纤维板到张拉机具以及锚具上并且进行固定。

3.4 张拉碳纤维板的设计初始应力如图4a）所示。

3.5 在张拉机具的一方将碳纤板锚具进行固定，并且释放出预应力，其次切断碳纤板，主要内容如图4b）所示。

3.6 当温度比胶粘剂的固化温度低的时候，需要采用电辅助加热设备对预应力碳纤维板加热，以使得胶粘剂能够正常固化。

3.7 将张拉机具进行拆除处理，并且对碳纤维板安装的锚具进行一系列的防护处理。

4 荷载试验

4.1 荷载试验设计

需要对汽—20以及汽—15级分别进行荷载试验。根据两种不同级别的试验结果进行比价，并且分别用来对加固效果以及承载性能进行评价。其中汽—15以及汽—20级别的对象采用如表5所示。

表3 汽-15以及汽-20级别的对象采用

4.2 测量手段、测点布置以及分析结果

在每一根主梁的中间位置粘贴标尺，同时将第二跨的10根主梁进行1～10的编号。

在荷载试验的中采用了三种测量的手段：

a）通过高精度的水准仪对试验桥的每个主梁在静载作用中的变形进行观测；

b）通过在跨中底部位置粘贴3mm×100mm规格的应变片测量其拉伸应变；

c）通过粘贴一些光纤光栅的方法，对跨中部位以及锚具部分的碳纤板应变力进行测量。

图2描述了各主梁部分在预应力过程中的挠曲变形的情况。

图2 张拉碳纤板时各部分主梁挠曲变形度

其中每一条曲线都代表了某根主梁受力时所产生的具体变形大小，朝上的是负值，朝下表示的是正值。

表4列出了各种型号的主梁在汽—20级别以及汽—15级别的荷载作用下产生的挠度，并给出了相应的反拱量。

表4 主梁中的跨中挠度 单位：mm

根据表4可以看出，当碳纤板对主梁施加一定的预应力之后，使得主梁有了一个较为明显的反方向挠度。将预应力与汽—15级荷载作用中的主梁跨中挠度进行叠加，发现最大的变形为2.5mm，此现象在6＃梁发生。其次将预应力与汽—20级下的跨中主梁相叠加，其产生的最大的变形也仅仅是4.5mm，这一挠度与规范的限制相比也要小很多。表5以及表6分别表示了碳纤维板与底部混凝土的应变以及主梁底部的碳纤维板的应变。

表5 碳纤维板与底部混凝土的应变表

表6 主梁底部的碳纤维板的应变

根据表5及表6中的综合数据来看，主梁在经过了碳纤板的加固以后，试验桥在汽—15级的荷载作用下，其底部的混凝土和碳纤维应变都小于加固之前的应变。另外，从设置在锚具部分的光纤光栅所显示的结果看，汽—20级别的荷载作用下的锚具周围的碳纤维应变极小，这表明了结构和碳纤板之间的粘接很好，并且与混凝土的相互应变十分的协调。

[1]彭晖，尚守平，金勇俊，等.预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究[J].工程力学，2008，25（5）：142-151.

[2]邓朗妮，陈华，燕柳斌，等.侧贴预应力CFRP板加固混凝土梁抗弯性能的试验研究[J].中国铁道科学，2010，31（5）：28-34.