道桥加固过程中预应力碳玻混杂纤维布应用的实证分析

彭春胜

（衡水公路工程总公司,河北 衡水 053000）

道桥加固过程中预应力碳玻混杂纤维布应用的实证分析

彭春胜

（衡水公路工程总公司,河北 衡水 053000）

碳玻混杂纤维布（CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP）属于新型复合纤维建筑材料，其具韧性好、重量轻、耐腐蚀、抗拉伸，而且绝缘性良好。碳玻混杂纤维布作为钢筋的（新型）替代材料，被广泛应用于桥梁加固过程中。论文以A市的一段严重受损桥梁为例，在对桥梁受损情况进行调查和机理分析的基础上，分析碳玻混杂纤维布在道桥加固过程中的应用。

预应力；混杂纤维布；桥梁加固

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.044

1 引言

高强度纤维材料又称为碳化纤维，是由碳纤维编织而形成的一种多层的复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP布）。它的韧性好、重量轻、耐腐蚀、抗拉伸，而且绝缘性良好，被广泛应用于道桥加固过程中。嵌入式张拉技术在实践过程中暴露出一定不足，主要表现为延展性差，使得加固构件出现脆性破坏[1，2]。高强度纤维材料针是对嵌入式预应力技术的问题而开发出的（新型）加固材料，其具有高强度、良延展性的优点，本文主要阐述高强度纤维材料在桥梁加固过程中的应用。

2 桥梁概况

A市受损公路桥为3跨简支板桥，始建于2001年5月，跨径距离为：3×10m，桥面宽17m。道桥上部采用（钢筋）混凝土空心板，并采用（TCY）球冠支座，道桥下半部采用（重力）墩台。修复桥梁整体由3片空心板（横向）构成，空心板参数：板厚450cm、中板宽124cm、边板宽162cm。（预制）空心板、道桥桥面进行混凝土灌注（C30号），台帽、基础进行混凝土灌注（C25号）；墩身、底座进行混凝土灌注（C20号）。修复道桥使用的混凝土符合我国出台的《混凝土结构试验方法标准》（1992年版）、《混凝土结构设计规范》（2002版）。另外，道桥桥面进行混凝土（C30）灌注，灌注位置为铺装层，灌注厚度为10cm。

桥面整体布置：护栏为0.5m；行车道为16m；护栏为0.5m。

桥面整体荷载：汽车（－20级），挂车（－100级）。

3 桥梁损失调查

在使用过程中，损失桥梁出现桥面损坏、空心板开裂，以及结构老化等问题，使用单位向检测部门提出检测申请。调查结果显示：虽然桥梁自身承载力符合设计要求，但桥面存在明显损伤[3，4]，主要表现为：沿板出现横纹（跨方向）和裂缝（0.1mm），裂缝出现横贯整个板宽，板间出现部分铰缝脱落。调查过程符合《混凝土结构试验方法标准》（CB50192—92），调查结果客观、准确。

桥梁损伤机理调查结果如下：

1）超载车辆多。依据桥梁损失情况，以及实际观测车流量数可知，桥梁处于严重超负荷工作状态，超载车辆过多，疲劳负荷，使得桥梁底板出现细小直裂纹。

2）使用环境差。损失桥梁处于沿海城市，桥下河水带有明显咸水特征，盐水成分含量高。河水中的氯离子，氧离子会侵蚀钢筋，加大混凝土缝隙。

3）通过桥梁服役期的了解，桥梁最近受损比较严重，而且呈现明显加剧的趋势。

4）超载、超流量、疲劳服役和恶劣环境的综合影响，加速了桥梁的开裂、腐蚀，降低了桥梁的强度、缩短了使用周期[5]。

通过对桥梁检测结果的分析，相关部门建议虽然桥梁承载力满足设计需求，但桥梁存在严重超负荷工作，需要对桥梁进行加固，满足实际使用。

4 桥梁加固过程

4.1 加固目标

道桥加固主要注意以下几点：

1）修补、封闭原有缝隙，对开裂混凝土进行黏合，防止河水对混凝土钢筋造成进一步侵蚀，保证钢筋结构的耐久性。

2）提高桥梁的承载力。

3）恢复构建的结构强度，通过裂缝粘合，提高桥梁的高度，恢复桥梁的刚度，发挥桥梁的正常功能。

4.2 碳化纤维修复机理

高强度纤维材料主要是将被加固结构作为台座，利用螺旋杆、钢板将高强度纤维材料布固定在加固结构两端。其中，螺旋杆采用螺旋纤维束的方法进行预处理，增强混凝土与钢筋之间的黏性，如图1所示。

图1 碳化纤维锚固示意图

高强度纤维材料实施预应力加固后，预应力结构胶会浸入纤维布内，实现纤维布与固件之间的自然贴合，如图2所示。

图2 碳化纤维张拉后示意图

桥梁锚固过程归纳为：“锚固”→“张拉”→“锚固”→“拆除”等程序。

4.3 桥梁加固步骤

高强度纤维材料对损失桥梁的加固，需要相应的修补措施进行配合。这样可以发挥主动加固、粘住缝隙、提高承载、保护钢筋的作用，实现桥梁加固目标。具体实施方案如下：

1）侵蚀混凝土处理。清除桥梁侵蚀混凝土→Na（OH）进行表面清洗→环氧砂浆修补，重复上述步骤进行道桥加固。

2）裂缝处理。损伤道桥底板位置的缝隙需要采用Na（OH）冲洗，假设修复缝隙大于0.2mm就要进行封闭，封闭材料未（改性）环氧树脂胶。假设修改缝隙小于0.2mm，仅需填充，填充材料为（改性）环氧树脂胶封闭处理

3）空心板加固。高强度纤维材料可以对组件进行加固，恢复组件的刚度，通过组件的承载能力，延长组件的使用寿命，修复碳化纤维布（质量：300g），如图3所示。

图3 碳化纤维底板安装示意图

4）固定板安装完毕后，在底板位置进行15mm厚M15抗裂水泥砂浆填充，形成砂浆保护层。

4.4 桥梁空心板的加固设计

1）参数设计

空心桥梁支承条件可以进行简化，形成计算简图，可以将其简化为图4所示。

图4 碳化纤维布修复的截面几何示意图

由图4可知，截面面积S=3.338×105mm2；抗弯惯性矩d=8.42×109mm2，其中，桥梁采用混凝土C30，抗压强度P＝14.3MPa，弹性量膜M＝3.0×104MPa.

2）高强度纤维材料张拉控制力的确定。高强度纤维材料要注意以下几点[6]：

（1）计算预应力的损失情况。高强度纤维材料张拉控制力适中，才能发挥材料自身的优点，提高受损桥梁的抗裂程度。

（2）高强度纤维材料不宜过高，否则就会增加桥梁混凝土的承载力，使其进一步侵蚀，增强桥梁脆弱性。碳纤维材料韧性非常优良，不仅可以提供相应张、拉力，而且可以拓展混凝土的外延性。

（3）在高强度纤维材料张拉过程中，采用嵌入式张拉技术，让张拉夹具不断受到挤压。在预应力控制过程中，过高的张拉力造成纤维布损坏，其具体定值为：

σpcon=0.30ftp=850MPa

3）桥梁加固计算

碳纤维材料分别在道桥底部进行嵌入式加固，可以提供800MPa的预应力，而且底部加固可以最大程度地防止预应力损失。800MPa预应力可以让已变形构建，恢复原有刚度。

碳玻纤维材料为已变形构建，提供一定的弯矩力，力臂约为400mm，符合道桥修复标准的要求；高强度纤维材料截面面积

S=0.162×150×2×4=198.2mm2，高强度纤维材料强度P=2000MPa

恢复弯矩d=198.2×800×400=63.12kN·m

端部锚固设计：高强度纤维材料控制力F=850MPa，采用双层纤维布加固，并进行计算，锚固钢板长度l=230mm，宽度k=100mm。高强度纤维材料布总面积 S=0.162×150× 2=50.09mm2，锚固力T=50.09×850=41.6kN。

碳纤维材料4个端点进行锚固，锚固材料为2根（M14A）螺栓，该螺栓可以为道桥修复提供F=190MPa的锚固力，并深入修复位置90mm以下。上述参数可以让修复位置承担更大的剪承载力，约为58.5kN。

4.4 桥梁加固施工

碳纤维材料对损伤道桥进行嵌入式加固，加固顺序为由底向上。这样不仅可以对道桥进行加固，而且不能影响道桥上的车辆通行。下面进行详细阐述：

1）M14A螺栓的定位与安装。在桥梁底部的空心板位置，进行螺栓打孔设计，并按照施工图纸进行螺栓安装。

2）纤维布的安装。首先，在螺栓锚固位置进行环氧结构胶涂抹，并保证每一个缝隙都进行涂抹。同时，在锚固钢板上按照混杂纤维布，并保持纤维布的紧绷、平滑。

3）预应力的张拉。在高强度纤维材料、底板表面进行环氧结构胶涂抹，并在锚固位置安装张拉夹具，使其处于高强度纤维材料和板底之间[7]，然后进行固定螺栓的紧固，完成碳纤维布对道桥的加固。在高强度纤维材料安装时，需要进行手持式的测量方法，反复进行预应力的松、紧，使得高强度纤维材料与混凝土表面更加紧密的贴合。

4）锚固钢板的安装。高强度纤维材料预应力张、拉完成以后，需要对钢板进行锚固，实现空心板之间的配合力的提高，防止出现纤维布与空心板的分离。锚固钢板处于桥梁横向表面凹陷处，或者每隔2.5m处。在钢板锚固前，需要在空心板表面进行灰尘涂抹，并撒上细小绿豆砂，增加表面摩擦力。

5）锚固钢板移除。环氧结构胶固化以后，可以进行锚固钢板的移除，并涂抹外墙保护层。这时高强度纤维材料与空心板之间混凝土已经完全粘合。锚固钢板和张拉夹具移除以后，可以进行回收利用。

6）加固效果评估。损伤道桥在进行碳化纤维修复过程中，车辆通行正常，未影响道桥的使用。加固施工完成后，权威部门进行相应检测，结果显示：损伤道桥的微小缝隙、宏观缝隙封闭完好，受损构件形态恢复明显。同一级别荷载下，混凝土拉应力比加固前显著降低，桥梁使用功能得到恢复，加固效果比较理想。

5 结语

碳玻混杂纤维布弥补了嵌入式方法延展性差的不足，具有质量轻、操作简单、不增加负荷，以及不影响使用的优点。碳玻混杂纤维布在保证桥梁延展性的前提下，增强受损桥梁的承载力，提高构件的刚度和强度。本文以A市受损桥梁为例，深入分析桥梁的受损情况，并进行施工方法的介绍。研究结果显示：损伤道桥的微小缝隙、宏观缝隙封闭完好，受损构件形态恢复明显。同一级别荷载下，混凝土拉应力比加固前显著降低，桥梁使用功能得到恢复，加固效果比较理想，充分说明碳玻混杂纤维布在中、小跨径桥梁加固中具有广阔的发展前景。因此，碳玻混杂纤维布预应力技术，不仅可以方便受损桥梁的修补，而且可以为高强纤维材料的应用提供参考。

【1】王小萌，艾军，等.HFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2012（3）:41-42．

【2】邓宗才，李建辉.混杂FRP复合材料混杂效应的研究与进展[J].玻璃钢复合材料，2008（1）:9-13.

【3】金广谦，吴小军，梁缘，等.碳/玻混杂纤维筋混凝上梁抗弯性能的试验研究[J].纤维复合材料，2007（4）:44-47.

【4】黄博生，商和财，彭亚萍.碳/玻混杂纤维的混杂效应及其受力性能研究[J].高科技纤维与应用，2005,30（6）:39-41.

【5】孟履祥，陶学康，徐福泉，等.纤维塑料筋部分预应力混凝上梁延性性能试验研究[J].建筑结构，2006（5）:114-17.

【6】GB/T13096-2008拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法[S].

【7】吴小军.碳/玻混杂纤维筋预应力混凝上梁受弯性能研究[D].南京:解放军理工大学，2009.

The Case Analysis of CFRP Applied in the Bridge Reinforcement Process

PENG Chun-sheng
（Hengshui HighwayEngineeringCompany,Hengshui 053000，China）

Fiber Reinforced Polymer Carbon is a fiber composite material,which has the advantages of high strength,light weight, corrosionresistance,pressureresistance,andinsulation.Asanewtypeofreinforcingsteelbar,thecarbonfiberreinforcedhybridfiberclothis widelyusedintheprocessofbridgestrengthening.Inthispaper,toacityofaseverelydamagedbridgeasanexample,inthebridgedamageis the basis of investigation and mechanism analysis of that targeted for pre-stressed glass carbon hybrid fiber reinforcement,obtain ideal reinforcementeffect.

prestress;hybridfibercloth;bridgereinforcement

U445.7+2

A

1007-9467（2016）06-0157-03

2016-01-21

彭春胜（1974～），男，河北景县人，工程师，从事施工机械和管理研究，（电子信箱）goodzhouchao@126.com。