预应力CFRP复合HPFL加固桥梁的工程应用

周海波 陈迎春 廖 宏

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114;2.湖南省宏尚土木工程检测有限公司，湖南长沙 410208)

0 引言

传统的混凝土桥梁加固方法有粘贴碳纤维片材法、粘钢加固法、改变结构受力体系法、增加截面加固法等，但这些方法缺点都比较明显:普通粘贴碳纤维片材加固因局部粘结应力过大以及结构表面不平整产生的法向力，易导致剥离破坏［1］;粘钢法一般不适用于直接承受动力荷载作用的结构构件［2］;改变结构受力体系法和增大截面加固法加固后使用空间受到较大影响。近年来，涌现出了一些新的加固方法，如预应力碳纤维板加固法及高性能水泥复合砂浆钢筋网加固法等。这些新方法与传统加固方法相比，有节约材料、节省工程造价、施工便捷等多方面优势。尽管这些新的加固技术优势较大，但每种方法都有自身的特点和适用范围，某种单一的加固方法往往不能完全满足实际工程的需要，有时需要一种甚至几种加固方法的复合运用，才能获得安全可行和经济适用的效果。笔者通过选择以预应力CFRP复合HPFL加固技术为主，增大截面加固法和改变结构受力体系加固法为辅的加固方法，成功的对某桥梁进行了加固改造，充分的发挥了这4种方法优势。

1 加固新方法

1.1 预应力CFRP板加固法

预应力碳纤维板加固法通过碳纤维板的预应力张拉和可靠的机械式锚固，可使碳纤维板在承担结构传递的荷载应力之前就已经处于较高应力水平，预先发挥了一定的强度，从而实现了其高强性能的较充分利用，可提高桥梁结构承载力，又可显著减小结构变形，提高结构刚度［3］。与普通粘贴碳纤维技术相比，可大大减少材料用量，降低工程造价，同时改善结构应力分布，减小结构变形，是对传统的粘贴碳纤维片材加固技术的重大改进［4］;与粘钢加固法和改变结构受力体系法相比，预应力碳纤维板加固技术适宜直接承受动力荷载的作用，且不会使结构物自重和尺寸增加。

1.2 HPFL 加固法

高性能复合水泥砂浆，是一种以硅酸盐水泥和高性能混凝土矿物掺合料为主要成分，同时掺有混凝土外加剂和少量有机纤维，加水和砂拌合而成的具有良好工作度和良好性能的砂浆。该砂浆硬化养护至设计强度等级后，具有高强度、低收缩、高抗裂性、密实性好的特点，并与原构件混凝土表面有较高的粘结强度［5］。钢筋网作为增强材料，其作用是提高结构的承载力，复合砂浆起找平、保护和锚固的作用。高性能复合水泥砂浆钢筋网薄层加固混凝土结构可广泛应用于各种结构类型、构件形状、结构部位的加固修补。

2 工程案例

2.1 工程概况

本桥梁位于湖南湘潭县，竣工时间为1965年8月，全长19.5 m。上部结构形式:3 m×6.5 m预制实心板梁桥;下部桥墩结构采用排架墩;桥面铺装采用沥青表面处置。桥墩基础类型为钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，全桥无伸缩缝。桥梁分类为小桥;桥梁设计荷载等级为:汽车—15级/挂车—80;公路技术等级为二级公路。

2.2 主要病害情况

由于此桥已服役47年，接近其设计寿命50年。桥梁墩柱、盖梁、梁板出现多处裂缝，混凝土表面风化，钢筋外露，锈蚀严重，0号、3号墩盖梁上部牛腿受压区混凝土普遍压坏，桥面预制板中间跨两侧边板发生较大侧移滑动，导致桥面铺装层出现很大裂缝。采用回弹法检测梁板混凝土强度不足C25，结合检测到的钢筋分布等数据，对桥梁进行了承载能力计算，桥梁承载能力已经不能满足正常使用的要求。

2.3 加固方案

由于此桥主要承受动力荷载，从安全性的角度考虑，梁板及墩柱、盖梁不宜采用粘钢加固法;梁板板底受拉应力较大，新老混凝土结合面属薄弱环节，对施工技术要求较高，故亦不采用高性能水泥复合砂浆钢筋网加固法加固梁板;从施工的可行性考虑，梁板不宜采用增大截面法、置换混凝土加固法、外包钢加固法;结合委托方提出的工期、造价及尽量不中断交通的要求，最终决定采用如下加固方案:

1)预应力碳纤维板加固桥梁受力可靠、施工简单、工期短、可不中断全幅交通、能充分利用原梁板的剩余承载力，因此采用此法加固梁板(见图1)。经过加固计算并结合桥梁的实际情况，决定在梁板底部粘贴1.2 mm×50 mm和1.2 mm×100 mm两种规格的碳纤维板，以达到公路Ⅱ级荷载作用下的承载能力。两种碳纤维板抗拉强度不小于2 400 MPa;弹性模量不小于1.6×105MPa;伸长率不小于1.7%;设计张拉控制拉力分别为54 kN，108 kN;设计控制应力900 MPa。

2)使用强度高、施工简易、造价低廉的高性能水泥复合砂浆钢筋网加固法加固桥梁墩柱及盖梁，此法可阻止钢筋的继续锈蚀和混凝土表面裂缝的发展，并能置换已严重风化的表层混凝土，从而提高墩柱及盖梁的承载力(见图2)。采用改变结构受力体系加固法增设承台，并采用系梁连接(见图3，图4)，0号，3号桥墩则将承台与盖梁连接进行混凝土整体现浇。此法使两根墩柱连成共同受力的整体，能增加墩柱的整体刚度。

3)为解决两侧边板发生较大侧移滑动的问题，首先将发生侧移的边梁卸下(原桥有8片梁板)，再与加厚的桥面铺装层一起采用混凝土整体现浇，同时将每边边梁向外侧延伸1.5 m。通过增大截面加固法，梁板与桥面铺装层紧紧的锁在一起，从而避免了两侧边梁再次产生侧移。

图1 预应力碳纤维板加固梁板

图2 HPFL加固墩柱、盖梁

图3 增设承台

图4 增设系梁

2.4 加固施工方案

桥梁施工采用半幅施工，半幅进行交通管制通行。先封闭从湘潭市到湘潭县方向右幅3 m宽桥面进行施工，左桥幅5 m宽作为行车道，边板顶端1 m宽度内尽量不要行车。待右幅施工完毕后，右幅有4.5 m宽的桥面可供车辆通行，在桥面整体铺装完成之前，靠近右幅边缘的1 m范围内也尽量不要行车。可以达到不中断交通完成整座桥梁加固。右幅3 m施工工序(左桥幅5 m宽施工工序与右桥幅相同):1)清理现场堆积土方、垃圾、安排人员、材料、机械进场;2)先封闭从湘潭市到湘潭县方向右幅3 m宽桥面，凿除右幅桥面原铺装层，吊除跨边预制混凝土梁，每跨1片，共3片;3)桥梁排架墩柱HPFL加固;4)在牛腿上表面凿毛、植剪切销钉同时进行盖梁、牛腿部分的HPFL U型加固;5)对预制板表面进行清理、凿毛，在预制板表面钻孔、植剪切销钉;6)对边板的1 m宽度和桥面加宽的1.5 m现浇混凝土支模，绑扎板底钢筋;7)在原牛腿处预留销钉处与牛腿处的板底进行钢筋绑扎;8)绑扎预制板顶钢筋网，与预制板剪切销钉绑扎固定;9)绑扎铺装层最顶面钢筋网，桥面两层钢筋网之间要保证距离，整体固定;10)在半幅内侧横向钢筋要留20 cm焊接长度，与另半幅桥面横向钢筋进行焊接;11)浇筑混凝土;12)等待混凝土产生强度期间，在预制板底;安装预应力碳纤维锚具，并为张拉机安装定位做准备;13)待混凝土产生强度后进行碳纤维板张拉;14)碳纤维板张拉完成后解除封闭，开启半幅交通进行另半幅施工;15)另半幅施工工序同上，横向钢筋与预留钢筋进行焊接;16)悬挑板下部模板支撑待整座桥梁加固完成后再进行拆除。

3 结语

1)选择以预应力CFRP复合HPFL加固技术为主，增大截面加固法和改变结构受力体系加固法为辅的加固方法，对桥梁进行了加固改造，充分发挥了这4种方法的优点，满足了业主对工期、造价、不中断交通等方面的要求，经济效益和社会效益可观。2)桥梁自2012年9月加固完成以后，已使用一年。到目前为止，桥梁各部位均未出现新的裂缝，梁板未发生侧移。由此证明，采用预应力CFRP复合HPFL加固技术提高了桥梁的整体刚度，有效的抑制了裂缝的发展，加固效果是令人满意的。

［1］尚守平，彭 晖，童 桦，等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究［J］.建筑结构学报，2003，24(5)：24-29.

［2］蒋 齐.碳纤维加固法与粘钢加固法的适用性及经济性比较分析［D］.上海：上海交通大学，2007：41.

［3］陈 旭.预应力碳纤维板技术在桥梁加固中的应用［J］.湖南交通科技，2007，33(1)：121-124.

［4］彭 晖，尚守平，刘兴彦.预应力碳纤维片材张放后端部粘结应力分析［J］.交通科学与工程，2009，25(2)：66-70.

［5］CECS 242∶2008.水泥复合砂浆钢筋网加固混凝土结构技术规程［S］.

［6］潘 峰.混凝土加固方法及配合使用选择［D］.合肥：合肥工业大学，2009：2-3.