预应力碳纤维板在旧桥加固中的设计与应用

叶建仁（1.福州市公路局；2.福州路信公路设计有限公司，福州350002）

预应力碳纤维板在旧桥加固中的设计与应用

叶建仁1，2
（1.福州市公路局；2.福州路信公路设计有限公司，福州350002）

本文以钢筋混凝土简支T梁加固为实例，阐明了预应力碳纤维板加固技术及其张拉工艺，剖析了T梁加固设计方案，并对加固设计原理进行理论推导计算。在此基础上，通过对加固后的桥梁进行长期监测试验和应力损失进行分析可知，预应力碳纤维板在长期荷载作用下，预应力损失较小，这为同类加固工程提供参考。

旧桥加固预应力碳纤维板张拉工艺预应力损失

0 引言

随着使用年限的增长，许多建国初期建造的桥梁由于标准提高、设计施工不当、荷载增加、材料老化、环境腐蚀、使用功能变更等众多原因，面临着或拆除重建或加固补强，若拆除重建，势必会给国家和社会带来很大的经济负担，但传统的加固方法存在施工困难、工期较长、抗腐蚀性差、耐久性差等缺点。使用预应力碳纤维板材加固桥梁技术是近年来在国内外快速发展的加固技术之一，对碳纤维板材施加预应力，可以充分利用碳纤维板材的高强性能，同时还可以改善碳纤维板材与混凝土接触处的界面黏结应力分布，进而延缓碳纤维剥离破坏。由于碳纤维板材抗拉强度高、耐腐蚀性强、设计方便、施工简单高效等优点，使得预应力碳纤维板材加固钢筋混凝土构件的研究近年来在国内外深受重视。

图1 桥梁布置图（单位：cm）

1 工程概况

1.1 工程简介

某桥位于G104京福线上，桥面总宽23m，桥梁全长为109m，跨径布置为（5×20）m，正交。桥面铺装为水泥砼，两侧设置钢筋混凝土护栏。上构为钢筋砼简支T梁，下构为重力式桥台，扩大基础；柱式桥墩，桩基础。本桥建成于1996年6月，桥梁布置如图1所示。

1.2 病害情况

根据检测单位提供的检查评定报告，以及对该桥进行实地外观检查发现，主要病害有：（1）全桥各跨T梁跨中范围腹板均发现较多竖向裂缝，T梁两端腹板均发现较多斜向裂缝；全桥横隔板普遍混凝土开裂，钢板外露、锈蚀。（2）桥面铺装局部破损，全桥伸缩缝堵塞，橡胶条破损。（3）个别桥墩盖梁露筋。

2 预应力碳纤维板加固计算分析

预应力碳纤维板加固新技术与传统的桥梁加固技术相比，主要有如下技术优势：（1）加固效果好传统的加固方法属于被动受力加固，预应力碳纤维板加固技术是变被动受力为主动受力加固，减少了加固材料的应力滞后，较充分地利用了加固材料强度。另外碳纤维板材材质较轻，基本不会增加桥梁自重，加固效果好；（2）施工方便由于碳纤维板材材质较轻，张拉机具和锚固装置精巧，所以不需要大型机具，几个人操作即可完成；（3）耐久性好碳纤维板材耐腐蚀性较好，故可长期使用；（4）综合造价低与其他加固方法相比，该技术操作简单方便，施工工期短，用料少，可节省资金投入，且后期维护工作量小。

2.1 基本假定

（1）构件弯曲变形符合平截面假定。

（2）受力钢筋与混凝土之间以及碳纤维与混凝土之间没有滑移，应力、应变连续。

（3）在极限状态下，原结构受压区边缘混凝土的应变达到极限值，截面受压区应力可以简化为矩形计算，混凝土取抗压强度设计值。

（4）桥梁加固时，考虑分阶段受力，在新加材料与原结构（构件）未有效结合前，其恒载由原结构截面承担，有效结合后的荷载（恒载、活载、附加载）由加固后的组合截面承担。

（5）钢筋被认为是理想弹塑性材料，不考虑其强化部分提高的强度，其应力-应变关系如公式（1）。

式中，σs为钢筋应力；Es为钢筋弹性模量；εs为钢筋应变；fy为钢筋屈服强度。

（6）碳纤维板在张拉阶段被认为是完全弹性材料，其应力-应变关系如公式（2）。

式中，σf为碳纤维板应力；Ef为碳维板拉伸弹性模量；εf为碳纤维板应变。

2.2 加固设计原理

预应力碳纤维板加固梁正截面基本为矩形、T形或Ⅰ形，在加固计算时可以简化为矩形截面计算，其加固正截面如图2所示。

在对加固梁桥结构抗弯承载力计算时根据梁截面形状和中性轴的位置分2种情况考虑。

图2 预应力碳纤维板加固正截面

图3 正截面抗弯承载力计算图示（x≤hf′）

（2）T形或Ⅰ形截面且中性轴位于截面腹板内（x＞hf′），其正截面抗弯承载力计算图示如图4所示。

依据公式（1）和（2）计算：

图4 正截面抗弯承载力计算图示（x＞hf′）

依据公式（5）和（6）计算：

式中，γ0为桥梁结构重要性系数；Md为计算截面弯矩组合设计值；fpy为预应力碳纤维板抗拉强度设计值；Ap为碳纤维板面积；fpdi和Api分别为原梁体内预应力筋的抗拉强度设计值和截面面积；As和As′分别为原梁体内纵向受拉和受压普通钢筋的截面面积；fsd为原梁体内纵向受拉普通钢筋的抗拉强度设计值；fcd为混凝土的抗压强度设计值；bf′为受压翼板的有效宽度；b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度；hf′为受压翼板的厚度；h0为体外预应力碳纤维板和原梁钢筋（普通和体内预应力筋）的合力点到梁顶面距离。

2.3 加固后截面受压区高度验算

为确保加固后的混凝土梁仍为塑性破坏，以上公式中的截面受压区高度应满足公式（7）。

式中，hs，hp分别为原梁中普通钢筋和预应力钢筋的合力作用点至梁顶面距离；as′为受压区普通钢筋的合力点至受压边缘距离；ξb为原预应力混凝土梁的相对界限受压区高度。

其中x由公式（8）求出。

式中，a1为系数，混凝土强度≤C50时取1.0；M为碳纤维板加固后截面抗弯承载力，等于加固前实测截面抗弯承载力加上预应力碳纤维板提供的截面承载力。

3 预应力碳纤维板加固技术工程应用

3.1 加固设计方案

根据以上主要病害情况，该桥的主要加固方案为：在对T梁出现的裂缝用裂缝修补胶对裂缝进行封闭，对露筋、混凝土剥落等表层病害处理后，对第3～5跨T梁腹板底部（靠近底部的侧面）粘帖预应力碳纤维板，以提高主梁的抗弯承载力；同时对全桥T梁靠近支座端部区域粘帖U形钢板以提高主梁的抗剪承载力；并在横隔板侧面粘帖钢板以提高桥梁的横向联系，减少单梁受力，加固设计如图5和图6所示。

图5 T梁加固构造图（单位：cm）

图6 预应力碳纤维板锚具构造图（单位：cm）

3.2 张拉工艺

预应力碳纤维板桥梁加固新技术操作简单方便，不需要大型机械即可人工完成，其张拉工艺主要有以下几个步骤。

（1）张拉前准备工作，主要包括人员分工、张拉机具和锚具装置准备、碳纤维板裁剪。

（2）根据设计图纸，将锚具、张拉机具和碳纤维板位置测量放样。

（3）混凝土结构表面处理，在锚固装置和张拉机具固定位置处，根据设计要求，凿出一定深度混凝土凹槽，保证锚具或张拉机夹具表面与桥梁混凝土表面在同一个平面上，以便安放锚固装置和张拉机具。

（4）植筋并安装锚具、张拉机具和碳纤维板，植筋深度应满足设计要求，植筋胶采用本课题组自主研发的无机植筋胶。植筋胶达到设计强度后安装锚具装置、张拉机具和碳纤维板，确保碳纤维板、锚具和张拉机具对中，并在碳纤维板与混凝土结合处涂一层环氧结构胶，便于碳纤维板和混凝土形成一个整体。碳纤维板锚固端固定，使用扭力扳手按照设计要求根据每根螺栓的扭力大小拧紧螺栓。

（5）碳纤维板张拉采用应力应变双重控制同步千斤顶张拉碳纤维板，通过油压表控制张拉应力，另外通过仪器观测粘贴在碳纤维板表面的电阻应变片的变化控制其张拉应力。根据美国《外贴FRP加固混凝土结构设计和施工指导规程》，考虑碳纤维片材的徐变断裂性能，限定了在加固设计中碳纤维片材的最大张拉应力不超过极限强度的55%，在加固设计中综合考虑了张拉可能存在小偏心等因素导致碳纤维板材强度没有完全发挥的情况，取张拉控制应力为1 000MPa，为实测碳纤维板极限抗拉强度的45%。碳纤维板采用分级加载，每级加载力为张拉控制应力的10%。当应力与应变测量结果不一致时，以应力测量结果为准，但测得的应变不应超过初始应变的15%。

（6）张拉端碳纤维板固定，使用扭力扳手按照设计要求根据每根螺栓的扭力大小拧紧螺栓（由于碳纤维板抗剪强度低，容易被压断，所以对锚具的设计要求比较高，尤其是锚具齿纹和螺栓扭力的设计）。千斤顶卸载取下，然后卸掉张拉机具，并对张拉端碳纤维板进行修剪。

（7）在碳纤维板表面粘贴光纤光栅传感器，以便后期对碳纤维板的长期徐变进行试验观测。

（8）在碳纤维板表面每隔1m安装1个角钢压条，然后在碳纤维板表面涂抹复合砂浆以便保护碳纤维板免受外界因素破坏，之后在碳纤维板两端锚具处填抹复合砂浆，防止锚具锈蚀。

3.3 碳纤维板加固前后对比

（1）计算结论

本桥使用预应力碳纤维板加固完后，对其跨中截面增加的抗弯承载力及安全系数进行计算，计算结果如表1所示，从表1可看出加固后的桥梁安全系数＞1；加固后截面受压区高度经过验算，满足本文公式（5）的要求。

表1 计算结果对比

（2）荷载试验结论

加固设计前荷载试验的主要测点挠度校验系数在0.73～1.00之间，挠度对残余变形范围在18.9%～38.2%之间，而主要测点应变校验系数在0.64～1.15之间，表明结构主结构刚度不满足设计要求，其受力性能和正常使用承载能力不满足原设计荷载要求。

加固设计后荷载试验的主要测点挠度校验系数在0.73～0.85之间，挠度对残余变形范围在6.9%～11.4%之间，而主要测点应变校验系数在0.64～0.91之间，表明结构主结构刚度满足设计要求，其受力性能和正常使用承载能力满足原设计荷载要求。

4 预应力观测分析

在长期荷载作用下，碳纤维板材的徐变会引起预应力损失，对加固的长期效果产生一定的影响，所以桥梁加固完以后，非常有必要对其预应力损失进行长期观测。因此，本项目做了如下试验方案：选取代表性的碳纤维板（T梁跨中底板两侧碳纤维板、跨中两侧腹板碳纤维板和1/4截面底板两侧碳纤维板作为观测对象，每块碳纤维板上粘贴一片光纤光栅传感器共6组观测对象，对应的编号分别为①～⑥），由此观测碳纤维板在长期荷载作用下的徐变，求出其预应力损失大小。

碳纤维板在张拉至控制应力释放后开始2个月内有少量的应变变化，应变曲线呈上升趋势，之后的1个月内应变变化较小，应变曲线趋于缓和。从表2可看出，1号碳纤维板应变最大为21.55，在前2个月，应变量达到20.45，后1个月增长速度非常慢，不到1，可见这时碳纤维板徐变已经趋于稳定，初始应变的预应力损失为0.37%。这里预应力损失包括碳纤维板徐变及锚具滑移。根据以上测量，说明使用的锚具松动滑移量很小。锚具能较好地防止碳纤维板由于锚具滑移引起的预应力损失。从另一方面可看出，预应力碳纤维板加固技术不是依靠常温固化有机胶将碳纤维板粘接于被加固构件上，而是靠锚具将碳纤维板锚固于被加固构件上。这样大大减少了常温固化有机胶老化而引起的耐久性问题。

表2 碳纤维板徐变观测值

5 结束语

预应力碳纤维板桥梁加固新技术操作简单，工期较短，经济效益明显，加固效果好，其在旧桥加固上的成功应用说明该种加固方法很值得在国内同类工程项目上的推广应用。桥梁结构的耐久性是近年来我国工程界越来越重视的问题。室内按照“高温固化”工艺生产的碳纤维板耐高温性能较好，一般软化温度高达110℃以上。而室外常温固化的环氧树脂在环境温度达50℃开始软化，抗紫外线老化性能更差。湖南大学发明的这一套锚具具有独特的优点∶它不依赖室外常温固化胶（有机胶）将碳纤维板胶贴于混凝土构件表面受力，而是依靠优质的国产锚具将碳纤维板锚固于混凝土构件表面受力，使得用预应力碳纤维板加固的梁桥具有较好的耐久性。

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