预应力碳纤维板加固T梁关键设计和施工技术

窦勇芝

（柳州欧维姆工程有限公司，柳州545005）

预应力碳纤维板加固T梁关键设计和施工技术

窦勇芝*

（柳州欧维姆工程有限公司，柳州545005）

结合工程实例介绍了预应力碳纤维板加固T梁桥关键设计要点，综合利用极限平衡状态等式、有限元工具，并根据既有桥梁缺损状况及评定标度按规范考虑各分项检算系数，对既有承载力、应力状态进行加固验算；另外介绍了相关施工工法及要点。工程实践表明，该加固设计、施工方法有效，施工工艺简便，周期短，对桥面交通影响小，成本经济，可为同类梁桥预应力碳纤维板加固的设计、施工提供参考。

预应力碳纤维板，加固T梁，设计，施工

1 工程概述

洋河桥建于1992年1月20日，竣工于1994年10月20日。桥梁全长456.91 m。上部结构为18 m×25 m预应力混凝土简支T形梁，下部结构为双柱式桥墩、轻型桥台。沥青混凝土桥面铺装，毛勒伸缩缝，板式橡胶支座。

经过16年的运营，洋河桥已出现不同程度的病害。在2011年9月的定期检查和特殊检查中，发现T梁马蹄缘开裂、下挠变形、横隔板混凝土破损、局部钢筋锈胀以及铺装层开裂和车辙等病害。2012年7月，检测单位又对该桥进行了专项检查，其中T梁预应力管道专项检查表明大部分钢束的张拉力小于设计值的10%～20%。检查结果表明，部分病害发展迅速，结构力学性能进一步恶化，严重影响桥梁结构的运行安全。洋河桥左、右幅综合技术状况评定等级均为四类，存在较大安全隐患。

为确保桥梁的安全运营，需对洋河桥进行维修加固。对一般病害的三类、四类T梁采用预应力碳纤维板加固方案。三类T梁加固通过T梁侧面各布置1片预应力碳纤维板进行承载力加固；四类T梁加固侧面、底面各布置1片预应力碳纤维板进行加固（图1、图2），预应力碳纤维板加固采用柳州欧维姆机械股份有限公司生产的专用成品锚具CFP100-20、夹具、碳纤维板及张拉机具。如下以四类T梁预应力碳纤板加固介绍为主。

图1 半跨T梁预应力碳纤维板加固立面图（单位：mm）Fig.1 Vertical plan of the T-beam strengthened with prestressed CFRP plates（Unit：mm）

图2 T梁加固剖面图（单位：mm）Fig.2 Cross-section of T beam strengthened with prestressed CFRP plates（Unit：mm）

2 关键设计技术

2.1 预应力碳纤维板锚具

柳州欧维姆机械股份有限公司生产的专用成品夹片式锚具（图3、图4）采用摩阻锚固原理设计［1］，通过夹片式锚具将碳纤维板锚固在简支梁梁端［2，3］梁底和侧面，一端为固定端，一端为张拉端，侧面及底面固定端或张拉端错开布置。通过依次张拉锚固底面、侧面粘贴碳纤维板对T梁施以预加力，达到主梁承载力加固和提高构件刚度［4］的目的。

图3 固定端锚具示意图（单位：mm）Fig.3 Schematic diagram of CFRP plate fixed anchor（Unit：mm）

图4 张拉端锚具示意图（单位：mm）Fig.4 Schematic diagram of CFRP plate tensioning anchor（Unit：mm）

2.2 持久状况承载能力极限状态验算

2.2.1加固前荷载效应S、抗力效应R验算

依据对既有桥梁缺损状况、材质状况与状态参数评定，及实际运营荷载状况调查，确定如下各分项检算系数［5］：结构检算系数Z1取1.0，耐久性恶化系数ξe取0.12，截面折减系数ξc取0.98，钢筋截面折减系数ξs取1，活载影响修正系数ξq取1.2。

采用Midas Civil软件对单跨25 m全桥简支T梁建立梁格杆系模型，如图5所示，考虑原张拉力损失，原预加力取设计值0.8倍，主要荷载作用为自重、二期恒载、预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力）、活载、竖向梯度温度效应、支座不均匀沉降等。

图5 有限元梁格模型Fig.5 Beam grillage of finite elementmodel

持久状况承载能力极限状态考虑荷载效应为自重、预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力）、活载、竖向梯度温度、支座不均匀沉降，按规范进行不利的荷载效应组合。

经验算控制截面不利效应弯矩值S为6 751.6 kN·m，截面计算弯矩抗力R为8 364.2 kN·m。

不能满足规范［5］式（1）既有桥梁承载能力评定要求：

式中，fd为材料强度设计值；adc为构件混凝土几何参数值；ads为构件钢筋几何参数值；γ0为结构重要性系数；S为荷载效应函数；R为抗力效应函数。

2.2.2 加固后抗力效应R验算

采取底面、侧面分别粘贴预应力碳纤维板，张拉锚固梁端方式对四类T梁抗弯承载能力加固。

计算为保证加固T梁的极限状态为钢筋屈服后混凝土压碎破坏，此时碳纤维板未发生破断，相对受压区高度ξ需满足如下条件［6］：

式中，ξefb为碳纤维板拉断临界相对受压区高度；ξb为混凝土压碎临界相对受压区高度。

根据T形梁受弯承载力计算模式，由受压区高度与翼缘厚度关系，需判断截面腹板是否参与受压作用。

假设受压区高度仅在翼缘板厚度范围，令xc＝hf1′，按宽度为bf′的矩形截面，根据文献［6］方法验算可得：

式中，σcfi，Afi分别为第i层碳纤维板应力值、面积；As，Ap分别为截面受拉区钢筋面积、预应力钢筋面积，As′为截面受压区钢筋面积；fcd，fsd，fsd′，fpd分别为混凝土轴心抗压设计强度、钢筋抗拉强度设计值、钢筋抗压强度设计值、预应力钢筋强度设计值。

由式（3）可知，计算应考虑截面腹板参与受压的作用。

图6 预应力碳纤维板加固T形截面抗弯承载力计算图式Fig.6 Flexural bearing capacity calculation of the T-beam strengthened with prestressed CFRP plates

由上述极限平衡状态（图6），考虑各项检算系数，列平衡关系式如下［6］：

式中，σconi为碳纤维板张拉控制应力，取0.4倍拉伸强度fu，fu＝2 400 MPa；σconi（1－15%）为第i层碳纤维板有效张拉应力，文献［7］建议预应力总损失估计值取10%～15%，取15%；εfei为预应力损失发生后第i层碳纤维板有效应变；εcei为预应力损失发生后第i层碳纤维板所在位置处混凝土有效应变；εcu为混凝土极限压应变，取0.003 3；εbi为第i层碳纤维板所在位置处混凝土应变；hcfi为第i层粘贴碳纤维板至梁底缘高度，hcf1＝0 mm，hcf2＝150 mm；xc为截面受压区高度；Ef为碳纤维板弹性模量，取160 GPa；Ec为混凝土弹性模量，C50取3.45×104MPa；b，bf′，bf1′，hf1′，hf2′分别为截面尺寸，详见图6示意；A0，I0分别为梁换算截面的面积和惯性矩；ei为第i层碳纤维板至换算截面中性轴的距离。

由已知Afi，hcfi，将式（5）－式（9）代入式（4），可知为关于xc的一元高次方程，采用数值分析中的迭代法进行求解，求出受压区高度xc，且满足条件式（2）。

根据受压区高度xc，对第2层预应力碳纤维板合力作用点取矩，求加固后截面计算弯矩抗力R：

满足规范要求。

2.3 持久状况正常使用极限状态抗裂性验算

分别计入活载影响修正系数ξq＝1.2，结构检算系数Z1＝1，并考虑原张拉力损失，原预加力取设计值0.8倍，按全预应力受弯构件验算正截面和斜截面抗裂性。

持久状况正常使用极限状态考虑荷载效应为自重、预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力）、活载、竖向梯度温度、支座不均匀沉降，按规范进行不利的荷载效应组合。

正截面抗裂性验算［5，8］，正截面的受拉边缘不允许出现拉应力：

式中，σst为作用短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力，计入活载影响修正系数ξq＝1.2；σpc为扣除全部预应力损失后的预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力）在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力，考虑原张拉力损失，原预加力取设计值0.8倍；σL为应力限值；［σ］为容许应力值。

斜截面抗裂性验算［5，8］：

式中，σtp为作用短期效应组合和预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力）产生的混凝土主拉应力，计入活载影响修正系数ξq＝1.2和考虑原张拉力损失，原预加力取设计值0.8倍；ftk为混凝土的抗拉强度标准值，取2.65 MPa。

表1、表2仅列出主要控制截面验算。由表1、表2可知，粘贴预应力碳纤维板加固对于主要控制截面的正截面法向应力、斜截面主拉应力均得到改善，跨中截面受拉下边缘的法向压应力增大尤为明显，增加了相当的压应力储备。

2.4 持久状况和短暂状况应力验算

同上计入各项分项检算系数，并考虑原张拉力损失，原预加力取设计值0.8倍，按全预应力受弯构件验算持久状况和短暂状况正截面法向压应力。

由式（10）将xc代入求得加固后截面计算弯矩抗力R，R＝11 013.2 kN·m。

表1 控制截面正截面抗裂性验算Table 1 Crack resistance calculation results of the control section MPa

表2 控制截面斜截面抗裂性验算Table 2 Crack resistance calculation results of the control section MPa

持久状况不利的荷载效应组合同抗裂性验算，但均取标准值。

短暂状况考虑荷载效应为自重、预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力），均取标准值。

持久状况受压区混凝土的最大压应力验算［5，8］：

式中，σkc为作用标准值效应组合产生的混凝土法向压应力，计入活载影响修正系数ξq＝1.2；σpt为由预加力（原预加力、新增碳纤维板预加力）产生的混凝土法向拉应力，考虑原张拉力损失，原预加力取设计值0.8倍；fck为混凝土的抗压强度标准值，取32.4 MPa。

短暂状况受压区混凝土的最大压应力验算［5，8］：

表3、表4仅列出主要控制截面验算。由表3、表4可知，各项正截面法向最大压应力均能满足规范要求［8］。

表3 持久状况控制截面法向压应力验算Table 3The normal compressive stress calculation results under long-term loading MPa

表4 短暂状况控制截面法向压应力验算Table 4The normal compressive stress calculationresults under short-term loading MPa

2.5 锚固端局部应力验算

考虑到预应力碳纤维板张拉施工时，锚固端通过化学螺栓传递张拉力至主梁，应力分布较集中，需验算该工况下锚固端局部应力分布大小。采用MidasFea软件良好的细部建模功能，建立了锚固端细部有限元模型（图7），并考虑钢筋骨架对混凝土的约束作用，以强制位移方式输入截面的位移边界条件，张拉荷载以近似均布荷载方式加载在化学螺栓所在位置的混凝土孔壁处。

图7 锚固端细部有限元模型Fig.7 Anchor end FEmodel

采用4节点四面体单元对锚固端细部节段进行离散模拟，线单元离散模拟钢筋骨架，整个模型共计50 287个实体单元，22 146个钢筋单元，65 536个节点。

由图8、图9可知，锚固端孔壁附近主应力分布较集中，主拉应力最大值为0.923 MPa，小于抗拉强度设计值1.83 MPa；主压应力最大值为8.5 MPa，小于抗压强度设计值22.4 MPa。满足规范要求。

图8 锚固端主拉应力等值线图Fig.8 The principle tensile stress contour map in the anchor end

图9 锚固端主压应力等值线图Fig.9 The principle compressive stress contour map in the anchor end

3 关键施工技术

3.1 工艺流程

3.2 主要施工要点

1）定位、放样

测量固定端和张拉端锚栓孔中心之间的距离后，准确标注需钻锚栓孔的位置。并放样碳纤维板中心线、上下边缘线，锚具切槽边缘线、锚栓孔中心线、压条中心线位置。

2）切槽、凿槽

用手提切割机按放样位置切割安放碳纤维板锚具槽。并用电锤将放样区域进行凿平，确保槽深度满足设计要求为25 mm。

图10 工艺流程图Fig.10 Construction flow diagram

3）钻化学锚栓孔

钻M24化学锚栓孔、M10压紧条化学锚栓孔。

4）锚栓孔清孔

（1）先将喷嘴伸入成孔底部并吹入洁净无油的压缩空气，向外拉出喷嘴，反复3次；

（2）将硬毛刷插入孔中，往返旋转清刷3次；

（3）再将喷嘴伸入钻孔底部吹气，向外拉出喷嘴，反复3次。

5）基面清理、打磨

用角磨机打磨清理需粘贴碳纤维板部位的基面，并用压缩空气将表面浮尘吹净，对于表面严重凹凸不平处，涂抹找平胶。另外，基面并用钢丝刷刷毛糙化处理。

6）种植化学锚栓

种植前用工业用酒精擦拭孔壁、孔底，再进行种植。置入锚管，将化学锚栓单向旋转插入，直至达到设计深度，并保证植入锚栓与孔壁间的间隙基本均匀，确保锚栓的位置和垂直度。

7）预应力碳纤维板展长

预应力碳纤维板在工厂下料定制完成，碳纤维板和夹具挤压成型为整体。为便于运输，预应力碳纤维板卷成一捆包装。运至现场安装前展长。

8）预应力碳纤维板试装，支座垫板调平

将成品预应力碳纤维板布置至设计位置，与固定端、张拉端锚具分别连接。同时，连接张拉端工具拉杆、工具挡板等，并安装标定千斤顶，连接油管、油泵和油表。通过千斤顶较小的顶力将预应力碳纤维板拉直，分别对张拉端、固定端支座板调平，保证张拉端支座板、固定端支座板、预应力碳纤维板在一条直线且同一平面上，通过松、紧螺栓进行支座垫板调平。

9）支座垫板灌浆固定

待支座垫板调平就位后，卸下千斤顶、张拉机具及预应力碳纤维板，对支座垫板进行封边、灌浆固定。

10）混凝土面涂底胶、找平胶

在混凝土表面涂抹一薄层底胶，表面指触干燥后方可进行下道工序。

11）预应力碳纤维板安装

（1）用专用清洁剂清洁碳纤维板粘贴面；

（2）用抹灰刮刀在碳纤维板上涂抹碳纤维专用结构胶，结构胶呈突起状（板材中心区为3 mm），平均厚度不小于2 mm；

（3）将涂有结构胶的碳纤维板用手轻压贴于需粘贴的位置，并与固定端、张拉端锚具分别连接。

12）张拉碳纤维板

（1）在开始正式张拉前须对预应力碳纤维板预紧，使碳纤维板整体绷直，检查两端是否受力均匀；

（2）同一片T梁两侧碳纤维板张拉采用单端同时对称分别按20%、40%、60%、80%、100%分级张拉进行（图11），采用张拉力和伸长量双控原则。

图11 现场碳纤维板张拉示意图Fig.11 CFRP plate tensioning

13）粘贴碳纤维板

张拉就位后，将碳纤维板粘贴到梁上。用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使结构胶从两边挤出，保证密实无空洞，并及时清理两边缘挤出的多余结构胶。

14）安装压紧条

15）锚固及防护

（1）拆掉千斤顶、工具挡板等张拉部件。

（2）对锚具端涂刷一层环氧粘结剂，利用环氧砂浆完全封闭防护。

（3）对碳纤维板表面涂抹5 mm厚碳纤维板粘结胶，用于保护碳纤维板和隔离紫外线。另外，为防止防护粘结剂在露天环境下老化，重新涂抹2遍环氧水泥防护，保证在桥梁剩余使用寿命期间内预应力碳纤维板加固耐久性。

3.3 工程效果

预应力碳纤维板加固竣工后，对梁底挠度及桥面的观测点标高进行复测，各观测点标高及挠度变化与加固设计计算结果一致。表明经预应力碳纤维板加固的T梁承载力得到提高，满足加固设计荷载要求。

本次T梁桥预应力碳纤维板加固在不中断交通组织下进行，平均1片T梁加固需3 d，劳动组织投入8人，施工便捷，不需要投入大型施工机械，因此取得了较可观的工程效益。

4 结 语

预应力碳纤维板加固工艺通过对碳纤维板张拉，发挥了加固材料高强、高弹的材料特性，主动参与主结构的一阶段受力，避免了加固材料应力滞后的影响，有效提高了原T梁结构的开裂弯矩和承载能力。本工程加固实践可为同类T梁桥预应力碳纤维板加固的设计、施工提供借鉴。

［1］ 陈华，张鹏，邓朗妮.预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的设计及应用［J］.建筑科学，2010，26（7）：39-42，51.Chen Hua，Zhang Peng，Deng Langni.The design and application of prestressed CFRP plates in strengthening reinforced concrete beams［J］.Building Science，2010，26（7）：39-42，51.（in Chinese）

［2］ 张坦贤，吕西林，肖丹，等.预应力碳纤维布加固一次二次受力梁抗弯试验研究［J］.结构工程师，2005，21（1）：34-40，45.Zhang Tanxian，Lu Xilin，Xiao Dan，et al.Experimental study on primary and secondary load for RC beam strengthened with prestressed CFRP sheet［J］.Structural Engineers，2005，21（1）：34-40，45.（in Chinese）

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［8］ 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.Ministry of Communications of the People’s Republic of China.JTG D62—2004 Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts［S］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese）

Key Design and Construction Techniques for a T-beam Bridge Strengthened w ith Prestressed CFRP Plates

DOU Yongzhi*
（Liuzhou OVM Engineering Co.，Ltd.，Liuzhou 545005，China）

Key design information of a T-beam bridge strengthened with prestressed CFRP plates was introduced.The limitequilibrium stateswere analyzed and tools of finite elementwere applied to reinforcement calculation of the ultimate bearing capacity.According to bridge damage conditions and the evaluation scale in codes，the partial inspection safety factors were introduced to the solvers.In addition，construction methods and main pointswere introduced.The effectiveness of reinforcing design and construction method was verified by engineering practice.It is showed that reinforcement construction is simple and convenient.There is little traffic influence and the cost is low.It can be used as a reference project in the similar bridge reinforcement design and construction with prestressed CFRP plates.

prestressed CFRP plate，T-beam bridge strengthened，design，construction

2013－10－28

*联系作者，Email：douyongzhi2005＠163.com