预应力碳纤维板在桥梁加固工程中的应用

陈　亮，张军雷，苏佳乐

（1.东南大学 成贤学院，江苏 南京 210088；2.中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，江苏 南京 210061）



预应力碳纤维板在桥梁加固工程中的应用

陈亮1，张军雷2，苏佳乐2

（1.东南大学 成贤学院，江苏 南京 210088；2.中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，江苏 南京 210061）

摘要：文章以某受损桥梁为例，对预应力碳纤维板加固桥梁构件的设计思路、施工工艺进行探讨，并对加固过程进施工监测，结果表明预应力碳纤维板能够有效地改善粱体的受力性能，加固效果显著，可在桥梁加固工程中推广采用。

关键词：桥梁工程；预应力碳纤维板；加固；施工工艺

目前在桥梁加固领域常用的碳纤维板材粘贴工艺属于被动加固，碳纤维板材自身不施加预应力。由于碳纤维板材与钢筋的弹性模量相当，而其抗拉强度高达钢筋的10倍，导致其抗拉贡献极其有限，一般强度发挥不足20%。另一方面，非预应力碳纤维板材在较低应力水平时会与混凝土产生剥离，导致加固结构提前破坏，从而降低了加固作用。在这种情况下，预应力碳纤维板应运而生。该技术综合体外预应力加固技术与粘贴碳纤维板加固技术，对涂覆有专用胶黏剂的预应力碳纤维板进行张拉，并粘贴与锚固至梁体上。与直接粘贴碳纤维加固相比，一方面预应力碳纤维板锚固体系的应变滞后程度得以改善，可充分发挥碳纤维板的高强特性；另一方面，可平衡原结构一部分恒载，有效增加结构刚度，减少构件挠度，很大程度上延缓裂缝开展及减少裂缝宽度，提高结构的承载能力，明显改善加固梁体的使用性能［1-3］。

1　工程概况

某桥梁为公路工程组成部分，建于2006年，为5×35 m双幅分离式连续梁桥，单幅桥面布置为0.5 m（护栏）+11.0 m（机动车道）+0.5 m（护栏）。2012-05，桥下发生火灾，火灾影响范围为小里程侧边跨与次边跨，边跨梁端16 m范围受损严重，其余范围主要受到燃烧物烟熏。

经检测评估，大桥左幅端跨箱梁在火灾高温作用下，箱梁底板、腹板及翼板混凝土发生不同程度的剥落，材料力学性能恶化，综合评定其受损程度为二级（中度损伤），从结构受力安全角度考虑须及时采取措施进行修复加固。

2　加固设计

2.1加固方案

（1）箱梁剥落：对剥落混凝土采用逐层找平和灌注相结合的方法进行修复，同时对受损钢筋进行修整与置换，并粘贴钢板补强，兼作修复模板。

（2）纵向受力：对受损严重的左幅箱梁，采用增设体外预应力的主动加固方法进行补充与恢复结构因火损而损失的抗力；对受损较轻的右幅箱梁，采用粘贴碳纤维布的方法进行补强，并兼顾耐久性。

（3） 横向受力：针对翼板下横向预应力钢筋外露、灼烧、未灌浆等严重病害，采用增设翼板钢结构支撑的方法，承担翼板上的活载，改善大悬臂翼板的受力状态。

（4）受损支座：桥台处箱梁支座本已严重锈蚀，又在本次火灾中受到损伤，导至四氟滑板周边卷曲变形、滑动面不锈钢板表面粗糙，不能正常滑动。需采用顶升更换的方法，以保证支座的正常工作状态，适应箱梁伸缩的需求。

（5）整体外观：两跨范围箱梁外表面大部分受到烟熏变黑，应进行清洁处理；同时考虑到箱梁外表面钢筋净保护层设计厚度为3 cm，部分区域实测厚度小于设计值，且本桥跨越大海，易受到腐蚀，故须对箱梁外表进行阻锈及涂装防护。

2.2加固检算

考虑结构修复加固后，箱梁局部刚度恢复至95%（实际刚度基本恢复），计入主梁在施工时超方5%（实测底板厚度30 cm、设计24 cm），并计入修复加固措施所增加恒载，以及边跨增设体外预应力碳纤维板后结构抗力的提高。按照以上假定及增加的修复加固措施进行模拟计算分析。同时考虑到底板、腹板预应力钢筋可能受到的火灾影响，按以下3种受损状况进行分析：

（1）非常规预应力损失20%。该状况下采取修复加固措施后，箱梁结构承载能力完全满足设计规范要求；按照设计荷载活载计算，箱梁上下缘均不会出现拉应力，主压应力、法向压应力均满足要求，若考虑粘贴钢板及支撑架参与受力，主拉应力满足规范要求。

（2）非常规预应力损失30%。依据现场检测评估结论，非常规预应力损失不可能超过20%。在假设非常规预应力损失30%的情况下，采取修复加固措施后，箱梁结构承载能力仍满足设计规范要求；按照设计荷载活载计算，箱梁上下缘均不会出现拉应力，主压应力、法向压应力均满足要求，只有主拉应力不满足规范要求。

（3） 非常规预应力损失0%（假定预应力无损伤）。该状况下采取修复加固措施后，箱梁结构承载能力完全满足设计规范要求；按照设计荷载活载计算，箱梁上下缘均不会出现拉应力，压应力也不会超限，主压应力、法向压应力均满足要求，若考虑粘贴钢板及支撑架参与受力，主拉应力是满足规范要求的。

（4）根据综合计算、分析，虽然受损后结构存在一定的安全隐患，但通过修复加固后，结构能够满足正常使用要求。

3　加固方法与步骤

以受损严重的左幅箱梁底板为例，对加固方案进行详细阐述［4］。

3.1箱梁底板混凝土剥落区域的修复与补强

左幅箱梁底板最大剥落深度约8 cm，修复材料为聚合物高性能砂浆，采用逐层修补与灌注相结合的方法，在底面粘贴钢板，兼作修复模板与补强措施，进行结构尺寸恢复。粘贴钢板受力方向为纵桥向，粘贴范围为纵桥向7.5 m（距梁端5~12.5 m），横桥向4.6 m（中心线两侧各2.3 m）。具体方法如下：

（1）凿除剥落区域表层劣质混凝土和周边区域（粘贴钢板范围）表层混凝土。

（2）凿除范围涂刷阻锈剂，对外露钢筋进行除锈与整合、置换处治，植入粘贴钢板锚固用螺杆，在底板钻注浆出入孔。

（3）涂刷界面剂，对剥落区域外露钢筋网以下的范围进行逐层修补。

（4）在钢板上放样钻孔，在钢板粘贴面涂刷粘钢胶（植砂粒）后安装就位，周边粘贴钢板，中间部位形成空腔，须保证钢板周边及对接缝密实、不漏气。

（5）在箱内低端注浆孔注入砂浆，待空腔中部及高端周边的出浆孔均流出均匀的砂浆后，逐个封闭孔口，确保注浆饱满与密实。

（6）养护并进行钢板表面防护。

3.2箱梁底板增设预应力碳纤维板

因左幅箱梁火损较严重，在底板混凝土剥落等缺陷修复后，须在箱梁底板增设体外预应力进行结构总体纵向受力的补强与加固，以补充火损后结构本身受损而丧失的效应，并承担因修复、补强、加固等措施而增加的恒载作用。

梁底共增设18条50 mm×3.0 mm的预应力碳纤维板，其标准抗拉强度为2 800 MPa，弹性模量为1.6×105MPa，锚下张拉控制应力为1 400 MPa。纵桥向受力长度为29 m，张拉、锚固点均错开布置，每个横断面布置6个，间距1 m或0.5 m；横桥向间距不等，最小间距15 cm（见图1），以避开体内预应力钢束。

具体粘结方法与步骤如下：

（1）对底板进行全面打磨处理以完全去除火灾烟熏痕迹，详细检查有无开裂等病害，并进行相应处理、涂刷阻锈剂。

图1　左幅箱梁梁底碳纤维板布置示意图（单位：mm）

（2）探明原有预应力筋与普通钢筋位置，以便于确定碳纤维板锚固块的安装位置，标注安装位置中心线，通过施工放样进行钻孔，清孔后注胶植入锚栓。

（3）待植筋胶达到设计强度后，安装张拉端与固定端锚固块，碳纤维板现场下料，两端用专用锚头夹持，安装碳纤维板于锚固块上。

（4）在邻跨进行压重，本跨达到卸载状态下，进行预应力碳纤维板张拉、锚固。

将3辆满载砂石料的载重车停放于邻跨跨中中间车道指定位置进行压重，本次压重共150 t。

碳纤维板分3批进行张拉，每次张拉6根，横桥向对称张拉，以张拉应力控制为主，张拉伸长量作为校核。张拉时先将碳纤维板分级张拉至1 390 MPa，然后使用千斤顶将碳纤维板顶升至贴紧梁底，两端用顶压板定位。顶升前，在碳纤维板与梁体接触面涂环氧胶，顶升密贴后实现有粘结预应力，且张拉控制应力达到设计值1 400 MPa。

（5）张拉、锚固完成后，卸除邻跨桥面压重，对锚固件、锚具及碳纤维板进行防护。为增加预应力碳纤维板锚固体系的耐久性并防止遭受人为破坏，采取植筋、增设钢筋、灌注高性能砂浆的方式对张拉端及锚固端原外露的钢构件进行永久性防护。

4　加固实施过程监测

4.1计算模型

采用桥梁通用有限元软件MIDAS建立桥梁施工监测计算模型（见图2），对左幅箱梁底板张拉碳纤维板施工过程进行模拟，计算工况分为：桥面邻跨压重完成后、碳纤维板分批张拉、压重卸载之后。

图2　MIDAS纵向计算模型

4.2施工监测

针对混凝土箱梁的受力特点，重点监测碳板张拉跨（边跨）跨中及压重跨（邻跨）跨中下缘的应力与位移等。以下仅就位移监测进行详细阐述。

采用拉线式位移计测试主梁高程及变化，在桥面压重之前，对各拉线位移计读数进行清零。分别对桥面压重之后、第1批碳板张拉完成后、第2批碳板张拉完成后、第3批碳板张拉完成后、桥面压重卸除之后各拉线位移计进行测读。梁体理论及实测位移数据如表1~表3所示，表中位移竖直向上为正，反之为负。

表1　梁体累计位移实测结果 mm

表2　梁体压重加载位移效率

表3　梁体压重卸载后残余变形

由表1~表3中的数据可以看出：

（1）各施工工况下梁体位移实测值均较小于理论计算值，表明桥梁刚度满足设计要求；

（2）压重卸载后，梁体位移存在残余位移量，但残余变形率较小，表明桥梁处于弹性工作状态；

（3）压重加载后，梁体压重加载位移效率为81.3%~86.8%，表明为了使得碳板能够更好地与梁体共同受力而在邻跨桥面进行预先压重取得了预期的效果；

（4）箱梁底板增设预应力碳纤维板，箱梁边跨产生一定上拱，梁底缘产生一定预压应力，不仅提高了箱梁承载力，而且提高了箱梁的刚度。

4.3监测结论

箱梁底板张拉碳纤维板之前对邻跨桥面进行压重，对碳板张拉跨施加一定的预拱度，待碳板张拉完成后，卸除桥面压重，在碳板张拉跨由于卸除邻跨桥面压重导致的桥跨下挠作用下，碳板更好地与梁体共同协调受力，充分起到了对梁体的纵向受力加固作用。

5　结论

基于上述工程实例，结合计算分析与施工监测验证，得到以下结论：

（1）为使得碳纤维板能更好地与梁体共同受力，达到张拉碳纤维板主动加固的目的，可以在碳纤维板张拉、锚固之前，在邻跨桥面进行相应压重。

（2）为增加碳纤维板锚固体系的耐久性并防止人为破坏，可采取植筋、增设钢筋、灌注高性能砂浆的方式对其进行永久性防护。

（3）采用预应力碳纤维板加固混凝土箱梁，能够有效改善梁体的受力性能，加固效果显著，该加固技术及工艺可以在桥梁维修加固中推广采用。

参考文献

［1］赵井卫，涂金平，周泳涛．预应力碳纤维板加固混凝土T梁［1］桥的设计及应用［J］．公路，2013（1）：149-152.

［2］彭晖，尚守平．预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究

［1］［J］．工程力学，2008，25（5）142-151.

［3］王轩．预应力混凝土空心板加固试验研究［J］．公路工程，［1］2014，39（3）：223-227.

［4］JTG/T J23—2008公路桥梁加固施工技术规范［S］．

Application of Prestressed CFRP Plate in Bridge Strengthening

Chen Liang1， Zhang Junlei2， Su Jiale2
（1. Cheng Xian College， Southeast University， Nanjing 210088， China；2. China Zhongtie Major Bridge （Nanjing) Bridge and Tunnel Diagnosis & Treatment Co.， Ltd.， Nanjing 210061， China）

Abstract:Taking a damaged bridge as an example， the design method and construction technology of the bridge structure strengthened with prestressed CFRP plate are described in detail， and the strengthening process is monitored. The results show that the prestressed CFRP plate can improve the stress of the box girder effectively， and has obvious reinforcement effect， which can be used in the bridge reinforcement engineering.

Key words:a damaged bridge； prestressed； CFRP plate； reinforcement； construction technology

中图分类号：U445.7+2

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0058–04

收稿日期：（2015-09-01）

作者简介：陈亮（1984-），男，江苏泰州人，工程师，主要从事桥梁施工监控、检测与试验及加固设计工作。