论预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用

2020-04-14

运输经理世界 2020年9期

1 前言

我国桥梁逐渐从建设期进入建设与养护并重的时期，由于日益加大的交通量以及车辆超载等问题，导致仅公路系统里就有近30%的旧桥是因病害需要进行加固。其中，数量庞大的中小跨径连续梁桥逐渐面临梁体承载力和刚度不足等问题，因此加固桥梁延长其使用寿命是桥梁新建的必要阶段。预应力碳纤维板加固技术是将预应力技术与碳纤维板有效结合的主动加固技术，材料的高强度、耐腐蚀、低蠕变等优异性能以及其自身能够闭合裂缝、提高刚度等主动加固的优点，克服了粘贴碳纤维片材法等被动加固法不容易控制施工质量、不能减少变形以及封闭裂缝的缺点，从而提高了被加固结构的承载力和刚度，且有较好的抗弯加固性能，适用于预应力的施加及加固后维护和保养[1]。随着制造和技术水平的提高，碳纤维制品成本降低，预应力碳纤维板加固技术逐渐受到加固行业的青睐，成为桥梁加固的热点技术。

2 预应力碳纤维板加固技术要点

2.1 碳纤维板材选择

碳纤维板材的选择是技术的关键所在。结合其材料特性和力学性能选取对桥梁加固性能最好的板材进行施工，碳纤维板自身特点就是质量轻、强度高。目前市面上的碳纤维板材分为两种型号，以卡本公司的T级、B级碳纤维板为例，常规尺寸可分为：宽度50mm、100mm 两种，厚度12mm、14mm 两种。即四种规格，分别为：50mm×12mm、50mm×14mm、100mm×12mm、100mm×14mm[2]。在实际施工板材的选取上要根据具体情况下碳纤维板材所需要的张拉力和生产厂家的指导意见来确定。

2.2 碳纤维板张拉方法

预应力碳纤维板张拉施加的方法是整个运用这项技术加固能否达到效果的关键所在。目前预应力施加方式可以分为三种，分别是反拱法、先张法和后张法。

2.2.1 反拱法

反拱法在实施中的基本理论是用千斤顶给混凝土旧桥梁体施加反拱力，从而使混凝土梁体向上反拱，然后用CFRP 贴于混凝土梁体上，待粘贴强度达到标准后对外部荷载进行卸载，在整个卸载过程中要对CERP 施加相应的预应力[3]。在当下的施工工艺中，这种直接采用粘贴的办法在二次预应力受力中还是有一定效果的。但是由于反拱法的经济性和对施工环境的苛刻性，使其必须使用大吨位的千斤顶才能实现混凝土梁体的起重；混凝土预应力梁体的自身恒荷载较大且对预应力混凝土梁体获得的二次预应力较小，施工过程不易控制，施加的预应力大小不好把控，因此该方法在实际施工中应用较少。

2.2.2 先张法

在碳纤维板加固桥梁中先将桥梁底板进行一定程序的处理，接着利用外界设定的张拉设备，使板材张拉到之前设定好的应力水准，然后在桥底等位置涂上所需的粘黏剂，使得板材和梁底部分保持充分结合接触[4]。在外部压力的作用下实现高度粘合，后续再对端部的板材进行剪断处理，并给予相关构件一定的预应力。

2.2.3 后张法

在使用后张法加固施工中，碳纤维板材施加预应力必须要使用完整的锚具对其进行后张法施工，且锚具永久作用于后张法梁体上，并使预应力与梁体整体受力，形成永久共同受力的加固构件，从而实现后张法的应用。

2.3 粘结预应力加固体系的应用范围

近年随着技术的发展，混凝土预应力梁体体外预应力加固的方式可分为两种，分别为无粘结体法和有粘结体法，这也是当前使用碳纤维板加固桥梁常用的首选办法[5]。无粘结体法是将预应力碳纤维板固定于混凝土梁体内部，在混凝土梁体达到一定强度后，对其施加张拉力。运用这种技术，后续最大的核心技术为：碳纤维板的支撑保护问题和加固位置的稳定粘结性问题。因此，这种施工工艺在中小型的钢筋混凝土预应力T梁加固处理中应用广泛。对于有粘结体法而言，后张法必须使用钢绞线或精轧螺纹钢等施加预应力，且张拉完必须应用满足抗拉强度的压浆料进行注浆，从而实现梁体和钢绞线张拉力的整体受力。这种有粘结体的加固方式效果稳定，是常用的加固技术；一般适合运用在中小型钢筋混凝土预应力T梁或者预应力小箱梁和空心板中。因此，本文的依托工程也选取的是有粘结体预应力加固法。

2.4 张拉控制应力

使用预应力碳纤维板对钢筋混凝土梁体进行加固，能够有效控制构件变形，增强梁体的应力体系，提高梁体的整体性和横向作用力，显著减小梁体的挠度变形，阻止梁体裂缝扩张。预应力碳纤维板加固技术，主要的研究方向为张拉力的施加工艺方式和张拉力是否可控。对于这种张拉预应力板材，张拉控制应力的取值大小直接影响梁体加固技术的效果。如果给碳纤维板材施加的控制应力偏小，碳纤维板材就不能全性能的投入工作，也无法发挥力学性能，其梁体加固效果也就达不到要求，从而导致整个加固过程的失败；如果碳纤维板材的控制应力取值偏大，梁体在荷载发生变形时则无法保证其碳纤维板有一定的变形区间，进而使得碳纤维板材极易发生断裂问题。因此，施工人员必须精准计算碳纤维板材控制应力的范围，使碳纤维板材的力学性能控制在一个合理的区间范围，避免因控制应力的取值问题造成加固措施失败，进而产生一定的经济和安全问题。

2.5 锚固方式

对于预应力碳纤维板材后张法加固技术来说，其采用的锚固方式是整个加固是否成功的关键所在。目前的锚固系统质量对预应力碳纤维板加固技术有很大影响，合理有效的锚固系统可以更好地体现预应力碳纤维的力学性能，从而使加固效果更加显著。目前施工技术所采用的锚固方式有开槽式和非开槽式两种。开槽式锚固方式是在混凝土梁体地板下方凿除一层混凝土，一般梁体开槽深度为20mm 作业，以此对碳纤维板所安置的部位进行处理；但是混凝土梁体的底板保护层厚度一般为30～50mm厚，所以凿除20mm混凝土会对保护层造成一定程度的破坏，使得部分底板钢筋裸露，从而破坏梁体的耐久性。非开槽式锚固方式最大的优势是不需要对混凝土梁体造成破坏，也不需要开凿梁体地板，施工工艺简洁，施工过程更好控制，效果也更佳。因此这种方式在应用中更为广泛。

3 预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用

3.1 工程概况

本文以30m 钢筋混凝土小箱梁桥为例，其桥梁中心桩号为K0+410，桥梁全长127m，4跨，单孔5片箱梁，箱梁中板顶宽2.4m，边板顶宽2.85m，湿接缝宽0.9m，桥梁全宽16.5m，净宽15.5m，混凝土防撞墙宽0.5m，以此对桥梁进行加固施工。桥面为10cm 沥青混凝土加10cmC50 水泥混凝土铺装，上部结构为30m×4 连续小箱梁，桥面连续，下部结构为双柱式墩柱，钻孔灌注桩基础加桥台为承台式。该桥修建于2000年，且已通车20年，近年来出现的病害有箱梁底板纵向裂缝贯通、桥面铺装坑槽、纵向裂缝等病害。

3.2 加固方案

3.2.1 确定预应力碳纤维板布置方案

此桥梁为30m跨径混凝土小箱梁结构，桥梁每一片梁体地板宽度1m，桥梁每一孔横向由5片箱梁组成。

3.2.1.1 纵向预应力碳纤维板布置。每条预应力碳纤维板长29m，碳纤维板规格采用2×50mm，规格选取根据张拉控制应力的值而设定。

3.2.1.2 横向预应力碳纤维板布置。目前该桥已出现了湿接缝处纵向通缝病害，为了增加箱梁的整体性，在箱梁板底中横梁处又增加了两道预应力碳纤维板，规格如纵向碳纤维板相同2mm×50mm，碳纤维板长为15.5m。对于30m×4的混凝土小箱梁结构，在箱梁底板加上预应力碳纤维板进行加固，使得受损的梁体二次受预应力，梁体中的钢筋和钢绞线能够满足极限荷载下的承载力。对于加固后的整个梁体而言，加固前梁体内的钢筋和预应力钢绞线以及加固的预应力碳纤维板，三者充分结合在一起，可以形成整体作用力，在提高控制裂缝问题和结构破坏前的延展性方面有了很大提升。