预应力碳纤维板在桥梁加固工程中的应用

杨志昌

(上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 天津分公司，天津 300381)

各种重型车辆的出现加大了公路桥梁负荷，建于20世纪桥梁因设计荷载偏低、老化、破损等原因，已不能适应现代交通运输的要求，急需进行加固维修。

粘贴碳纤维片材加固桥梁技术因材料强度高、耐腐蚀、工艺简单的优点，受到青睐；随着研究与应用的深入，研究者们发现由于碳纤维强度相对弹性模量过高，拉伸强度得到充分利用所需的变形过大，传统粘贴碳纤维的加固工艺对材料浪费极大，提供的抗拉贡献有限，技术效果不理想。

预应力碳纤维板加固是一项新型补强技术，结合粘贴碳纤维片材加固与体外预应力加固技术的优势，通过对碳纤维板施加预应力，提高桥梁结构承载力，减小结构变形，提高结构刚度，充分利用材料性能，节省大量材料、降低工程造价[1～3]；同时，可降低加固系统后期维护成本[4]。本文以实际工程为例，介绍预应力碳纤维板加固技术。

1 工程概况

某钢筋混凝土连续梁桥建于1991年，分为左右幅，每幅各3跨，跨径组合13.15 m+16.0 m+13.15 m，设计荷载为汽-超20、挂-120，梁高85 cm，斜交角度为34.31°；下部结构采用混凝土柱式桥墩，混凝土轻型桥台，设置矩形板式橡胶支座；单幅桥面全宽13.6 m，横向布置为1.1 m（检修道）+12.5 m（行车道），桥面采用沥青混凝土铺装；左右幅桥面于0号、3号台顶各设置一道型钢伸缩缝。

2 桥梁病害情况

2.1 病害调查

主要病害集中在梁体上部结构连续板梁处，左右幅桥各跨梁体翼缘板和底板均存在横向裂缝，部分裂缝延伸至腹板。腹板竖向裂缝最大宽度0.40 mm，钢筋中心处裂缝最大宽度0.30 mm；底板横向裂缝最大宽度0.37 mm；翼缘板裂缝最大宽度1.0 mm。见图1。

图1 桥梁板裂缝

2.2 验算分析

利用Midas Civil软件建立有限元模型，对桥梁受力状态下病害特征进行验算分析。该桥为现浇实心板梁，因此上部结构采用平面板单元模拟，分别对纵桥向和横桥向进行受力分析，活载按公路-I取值，二期恒载按均布压力考虑，温度根据JTGD 60—2004《公路桥涵设计通用规范》取值，板式橡胶支座采用线性弹簧单元模拟。见图2。

图2 桥梁板单元模型

2.2.1 纵桥向

主要对主梁底板与翼缘板两个部分进行受力分析。主梁底板纵向抗弯极限承载力满足要求，翼缘板纵向抗弯承载能力不满足要求；主梁底板、翼缘板最大裂缝宽度均超过限值，正常使用极限状态不能满足要求。见图3-图4和表1-表2。

图3 基本组合作用下纵向弯矩

图4 各剖断面验算位置

表1 纵向抗弯承载能力极限状态

表2 纵向抗弯正常使用极限状态 mm

2.2.2 横桥向

对典型的横向断面进行受力分析。主梁横向抗弯极限承载力满足要求，正常使用极限状态满足要求。见图5-图6和表3-表4。

表4 横向抗弯正常使用极限状态 mm

图5 基本组合作用下横向弯矩

图6 剖断面位置

表3 横向抗弯承载能力极限状态

2.3 病害分析

2.3.1 翼缘板

翼缘板承载能力和正常使用极限状态均不满足规范要求。内侧翼缘板厚度为20～30 cm，外侧翼缘板厚度为15～30 cm，纵向钢筋直径为12 mm、间距15 cm，截面尺寸小、配筋不足是承载能力不满足要求的原因。根据横断面布置可知，桥梁翼缘悬臂较大，尤其是内侧翼缘板承受活载较大，也是导致其开裂的主要原因。

2.3.2 底板

桥梁底板承载能力满足规范要求，但正常使用阶段裂缝宽度超限。底板横桥向宽度为8.5 m、高度为85 cm，底层钢筋直径为28 mm、间距10 cm，截面尺寸及配筋满足要求。根据竣工图可知，该桥底板钢筋净保护层厚度仅为2 cm，在浇筑施工过程中，钢筋放样出现偏差，导致箍筋距离板底混凝土边缘厚度更小，在正常使用过程中，随着水汽的渗入，容易导致箍筋锈蚀膨胀，是板底产生横向开裂的重要原因[3]。

3 加固维修

3.1 加固措施

该桥病害主要是梁底板和翼缘板存在大量纵向裂缝且最大裂缝宽度超限；对梁底板和翼缘板处纵向采用预应力碳纤维板进行加固。预应力碳纤维板厚2 mm、宽100 mm，需满足GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》中I级碳纤维板和A级胶的性能指标要求；采用配套的预应力锚固板及张拉机具，单侧张拉，张拉控制应力为1 000 MPa，控制应变为7‰[5]。见图7。

图7 预应力碳纤维板

3.2 加固后验算

经过预应力碳纤维板加固后，纵向抗弯承载能力及正常使用极限状态均满足要求。见表5和表6。

表5 纵向抗弯承载能力极限状态

表6 纵向抗弯正常使用极限状态

4 结论与展望

通过计算可知，该桥经过预应力碳纤维板加固后，承载能力提高明显，加固效果显著，达到加固设计目的，下一步可通过荷载试验进一步验证加固效果。

目前，预应力碳纤维板加固技术虽然已在一定数量的桥梁工程中得到应用并取得了良好的加固效果，但是其应用仍存在一定障碍。首先对这项技术的理论研究还不够成熟、完善,如纤维板与混凝土交界面的受力性能、温度变化对黏结剂和碳纤维板的影响等；其次加固完成后碳纤维板耐久性的研究，如碳纤维板的耐腐蚀性、寿命和耐火性都缺少研究和试验；最后缺少相应有限元计算软件，桥梁计算软件较多，但针对加固的很少，需一种计算软件可专门用于各种桥梁的加固计算，以便更好推广预应力碳纤维加固技术。