浅谈预应力碳纤维板加固技术在桥梁预防性养护中的应用

2022-09-27赵文娟

甘肃科技 2022年13期

赵文娟

（张掖公路事业发展中心，甘肃张掖 734000）

甘肃省张掖公路事业发展中心管养的G30连霍高速公路黑河1 号大桥全长785.4m，黑河2 号大桥全长405.4m，桥梁上部结构均为预应力混凝土空心板，目前运营已超过15年。两座桥梁板底均出现较多横向裂缝、网状裂缝和混凝土局部劣化、渗水泛碱等病害，及时对梁板受力强度进行补强显得尤为重要。2020 年，张掖公路事业发展中心首次在管养的G30高速公路黑河1号、2号大桥预防性养护工程中尝试使用了预应力碳纤维板加固技术。经跟踪观测，碳纤维板与梁板板底粘结牢固未出现脱空、开胶、开裂，碳纤维板未出现断裂或滑移，板底未新增裂缝，达到了桥梁预防性养护的预期目的。2021年至今该项技术已在该中心管养的10 座桥梁预防性养护中推广应用，实施效果较好。

1 病害原因分析、采取的加固维修措施及预应力碳纤维板应用特点

1.1 病害原因分析

受超载车辆及大密度交通量长期碾压，加之桥面排水不畅，地表水渗入梁板，造成桥梁板底横向裂缝、网状裂缝较多，局部混凝土劣化、渗水泛碱等病害。2019年G30高速公路黑河1号、2号大桥定检评定为3类桥。根据《公路桥涵养护规范》[1《]公路桥梁技术状况评定标准》[2]规定，需对该桥采取预防性养护措施，以确保桥梁使用安全。

1.2 加固维修措施

凿除梁板底已劣化的混凝土，钢筋做防锈处理，对板底裂缝进行注胶封闭，采用聚合物砂浆进行板底找平，对破损铰缝进行加固处理，板底实施预应力碳纤维板加固，在距梁端2.5 m 处凿孔安装PVC管。

1.3 应用特点

该项目实施前，中心对碳纤维板材料的使用性能及其施工工艺等进行了充分的了解掌握，具有如下应用特点：

（1）抑制梁板病害产生。通过张拉碳纤维板产生的预应力使空心板板底受力得到补强，显著提升梁板的承载能力，抵抗和减少梁板变形，约束和减少因梁板自身预应力不足产生的裂缝，有效延长桥梁的使用寿命，达到了桥梁预防性养护的预期目的。

（2）碳纤维板使用性能优。该材料是轻质材料，粘贴锚固于梁板上不明显增加构部件重量不改变构件的形状，与混凝土相比受空气、水、光照等自然因素侵蚀较少，具有较好的耐老化性、耐腐蚀性和韧性。

（3）施工作业安全压力小。预应力碳纤维板加固施工是桥下作业，不在路面上布设安全作业现场，不中断交通，减轻了施工中安全维护的压力。

（4）养护投入少，经济效益显著。预应力碳纤维板加固投入为4 683～5 600 元∕m2，使用寿命为50年以上。如按照桥梁5 年进行一次预防性养护计，与传统的桥梁病害处治采取钢筋混凝土养护等方法相比较，预应力碳纤维板加固减少了养护次数、施工简单快捷、养护成本低，节约了砂石材料的使用，避免了环境的破坏，节约了养护资金的投入。

（5）技术简单、施工方便、施工质量易于保证，易推广。预应力碳纤维板作业轻松，张拉机具和锚固装置小巧不需大型机械设备，只需少许人操作即可完成。碳纤维板耐久性好，长度可依据需求任意剪裁，可长期使用。施工工期短，后期维护工作少，易于在桥梁养护中推广应用。

2 预应力碳纤维板加固实施

2.1 材料及机具

（1）碳纤维板：采用CFPP-I-12 型Ⅰ级高强度预应力碳纤维板，板宽10 cm 厚1.4 mm，其安全性鉴定的项目及合格指标满足《工程结构加固材料应用安全性鉴定规范》（GB 50728—2011）中的相关要求。

（2）碳板专用胶：采用卡本CFPR-A∕B 型专用碳板胶，A 胶每桶20kg，B 胶每桶10kg，满足《公路桥梁加固设计规范》（JTG∕T J22）中A级胶性能要求。

（3）化学锚栓：采用M16×190 mm、M12×190 mm和M10×130 mm 化学锚栓，为普通全牙螺杆，力学性能指标满足要求。

（4）张拉设备：已标定的张拉设备1套。

（5）其他设备：支座、手动油泵、电动搅拌机、冲击钻、砂轮切割机、吹风机、清孔刷等。

（6）其他材料（包括砂、石、水等）的质量符合《公路桥涵施工技术规范》（JTG∕T F50-2011）有关规定和要求。

2.2 施工工艺

混凝土劣化修复施工的步骤如下：

施工放线→病害处治及找平→植入螺栓→安装支座→穿碳纤维板→配胶、抹胶→张拉碳纤维板→养护→抹面。

（1）施工放线。在加固板底上按照施工图设计准确放出预应力碳纤维板粘贴的中心线和两端锚具位置，根据支座位置确定实际钻孔以及碳纤维板加工的自由段长度。

（2）病害处治及找平。施工前凿除板底混凝土疏松层至新界面，对钢筋做浮锈清除、防锈处理，对裂缝进行灌缝注胶封闭，对破损铰缝进行修复加固处理，对混凝土高凸面进行打磨，对混凝土低凹面应采用聚合物砂浆找平。最后根据凿除混凝土部位的厚度一次性或多次采用聚合物砂浆恢复梁板。根据施工经验，板底混凝土平整度控制在小于5 mm∕2 m时，混凝土与碳板可以很好的粘结。

（3）植入螺栓。采用电锤钻孔，尽量保证钻孔中心线与混凝土梁面垂直，钻孔中心位置偏差不应超过3 mm。该项目固定端采用M16锚栓，植入深度13 cm。张拉端采用M12 锚栓，植入深度10 cm。为确保定位准确，便于安装张拉端和固定端构件，中心在施工时制作了与支座形状形同的木板模具，在植入螺栓时可以准确钻孔。钻孔后用吹风机、硬毛刷清孔，清理植入螺栓上的油污，用丙酮擦拭孔壁、孔底和螺栓。灌注孔深2∕3 的植筋胶，并保证在植入螺栓后有少许胶体溢出。注胶后立即将螺栓旋转插入，螺栓应垂直于梁面，直至达到设计深度。

（4）安装支座。在锚栓完全固化后，安装预应力碳纤维板固定端和张拉端支座，支座中心线应与碳纤维板中心线重叠。锚具两端支座中心延长线按碳纤维板全长计算偏差不得超过±5 mm。两端支座板安装孔与螺栓之间的间隙和两端支座调平后与板底之间的空隙采用环氧修补胶填补找平。

（5）穿碳板。该项目每块梁板设置3条碳板，碳纤维板根据每块梁板宽度分布均匀设置即可，夹紧夹具单元，固定张拉单元。检查碳纤维板直线度，其全长直线度偏差不超过20 mm。

（6）配胶、抹胶。配胶、抹胶。A、B 双组份胶按A∶B=2∶1 配合比称重后搅拌至颜色均匀无气泡，按照中间厚、边缘薄的原则刮抹至所需胶体厚度4～10 mm，并清理出多余的胶体。因钻孔偏差与螺栓出现的间隙和两端支座调平后与混凝土之间的空隙均可用碳板胶找平，使碳纤维板与板底紧密黏合。

（7）张拉碳纤维板。

①在张拉前分别计算出张拉力值、油压表读数和碳纤维板伸长量理论值。

a.张拉力值=张拉控制应力×碳板横截面积

b.根据千斤顶标定报告提供的线性回归方程Y=a*×+b，计算出碳板不同张拉力下千斤顶上油压表读数。

c.碳纤维板伸长量理论值=碳纤维板的自由段长度*X∕E，同时计算出理论伸长量的差值。

②安装张拉支架和千斤顶，调整处于水平位置。加压张拉至设计张拉应力值的15%，检查两端锚具之间碳纤维板与梁表面是否有间隙，刻录锚具张拉移动起始线。伸长率从油压表读数和实测伸长量进行双控，分段加压张拉至设计张拉应力值的30%、50%、70%、90%、100%，如表1 记录所示，当预应力施加到100%即张拉力为134.4KN时，千斤顶油压表读数为26.6，实测碳纤维板张拉伸长值9.7mm，理论伸长值为10.3mm，伸长量差值为0.6mm，满足规范要求张拉端锚具行程位移与理论伸长量误差不大于±6%的要求，持荷5 min 没有异常的情况下，锁固螺栓扭紧，拆除千斤顶和锚具张拉支架，固定张拉端碳纤维板。张拉应在碳板胶适用期30 min内完成。