预应力碳纤维板在公路旧桥加固中的应用研究

张祥亮

山东省公路桥梁检测中心有限公司 山东 东营 257091

引言

公路交通作为一种重要的交通方式在国民经济中承担着举足轻重的作用，而我国现在已经在桥梁数量上已经跻身世界第一梯队。若对既有桥梁进行拆除重建，则会给国家和社会带来巨大资源浪费和经济损失，所以对既有桥梁采用适当加固技术进行改造，延长桥梁的运营周期已迫在眉睫。

1 预应力碳纤维板加固原理及方法

预应力碳纤维板加固是将碳纤维板固定到构件需加固的位置，通过对碳纤维板施加预应力使混凝土梁内产生一定的预压应力，进而使碳纤维这种高强的结构特性得以发挥，同时还缓解了应变滞后的现象，使结构产生更优的加固效果。产生的预压应力，可以抵消结构自重以及部分荷载的作用，还可以减小结构原有裂缝，提高结构刚度，减小结构挠度，并使使用阶段的性能得到改善[1]。

预应力碳纤维板加固混凝土梁是一种新颖的结构加固方法，其施加预应力方式共分为：反拱法、先张法和后张法。其中反拱法仅适用于室内实验室研究，在实际工程加固中操作较困难。采用这种方法获得的预应力较小，无法准确地确定其数值，具有很大的局限性；先张法需要庞大的张拉台座，这就限制了加固构件的长度，否则不易实现。故在工程实际应用上常采用后张法对碳纤维板施加预应力。后张法需要在梁上设置永久性锚具，碳纤维板以加固构件本身作为反力架进行预应力张拉，张拉完后卸除千斤顶，施工完毕。该法可以很好地避免由于碳纤维板与加固构件之间的黏结破坏，有效地防止加固梁的早期破坏，使得强度得到充分发挥，且适用性广，对构件尺寸没有特殊要求，同时该方法不需要使用张拉设备，更便于现场施工。

2 预应力碳纤维板抗弯加固研究

2.1 工程概况

某T梁桥为双幅桥，双向四车道，全宽28m。上部结构型式为27×30m装配式预应力混凝土T梁，现浇铺装层，左幅右幅均横向布置6片梁。下部结构型式为钻孔灌注桩基础，柱式墩，桩基U台，桥梁于1993年12月竣工，设计荷载等级汽车-超20级。该桥属于改扩建项目，按照尽量利用原有结构或构件的原则，结合既有桥梁技术状况评定和承载能力评定结果，对既有桥梁进行加固改造，另外在既有桥梁进行双侧加宽扩建。

2.2 加固方案

综合检测评定承载力计算结果，预在T梁梁体马蹄两侧粘贴预应力碳纤维板的方法提高T梁的抗弯承载力。具体加固方案如下：在每片预应力混凝土梁体马蹄两侧各粘贴一条预应力碳纤维板，碳纤维板两端各距梁端2m，碳纤维板宽度为100mm，厚度为2mm。在每片T梁两侧同时进行碳纤维板张拉，张拉方式采用单端分级张拉，对张拉力和伸长量采取双控原则。张拉控制应力为0.4fpk，（碳纤维板抗拉强度标准值为2400MPa，拉伸弹性模量为165GPa）张拉控制力为192kN。碳纤维板采用I级碳纤维板。张拉完成后在碳纤维板与梁体之间用结构胶填充密实并用压紧条固定牢固。

2.3 预应力碳纤维板施工工艺

2.3.1 定位、放样。首先用探测仪器确定梁体内的钢筋的实际所在位置，并在梁体上用记号笔进行标注，以便准确的确定锚具的安装位置。画出碳纤维板中心线或者边线、锚具底座的边缘线、锚栓孔的中心线以及压紧条的中心线位置。

2.3.2 切割锚具底座槽。为了使桥梁加固好的美观和预应碳纤维板的顺直，在梁上切割槽口，使得锚具底座安装后与梁体 保持一个平面。根据固定端、张拉端锚具底座的尺寸，用电锤将放样区域进行凿平，并确保槽的深度 满足设计要求。

2.3.3 钻化学锚栓孔。为防止钻孔碰到梁底板结构钢筋，梁底打孔前，必须先探明钢筋位置，以便进行避让，打孔位置可根据实际进行适当调整。打孔时可先制作一个模板，并在模板上按照锚具底座上孔洞的位置在模板上钻出相应的孔洞，使用模板的孔洞用记号笔在梁体上标出孔洞的位置。根据梁体上标记的孔洞位置，用冲击钻在梁体上进行钻孔作业，其中孔径、孔深必须符合设计要求，并保证孔道垂直于梁体的平面。钻孔以锚具底座的孔位为参照进行钻孔，保证化学螺栓能够与锚具底座的孔匹配。钻孔时如碰到结构钢筋或钢绞线，可根据实际情况进行适当偏移。钻孔时应用冲击钻孔，以确保孔表面有足够的粗糙度[2]。

2.3.4 清孔。首先对孔内的粉尘进行清扫，再用高压风对孔洞进行吹洗，最后用高浓度的酒精彻底清洗孔道内部。干燥后应立即进行植栓作业，如不能马上进行植栓，应采取措施对孔洞进行临时封闭，防止杂尘、污物、油污或水分等进入孔中影响化学锚栓锚固的质量。

2.3.5 混凝土表面处理。首先对梁体上需粘贴碳纤维板部位的基面进行打磨清理，然后用压缩空气打磨过的部位进行吹洗，对于梁体表面有缺陷处，可涂抹修补胶或者聚合物砂浆对缺陷部位进行修整。

2.3.6 植化学锚栓。植栓时应先用高浓度酒精对孔洞进行擦洗，再进行植栓。在孔洞中先置入化学药管，然后将锚栓单向旋转插入，应保证锚栓达到设计深度，并注意锚栓与孔壁间的间隙保持均匀，确保锚栓垂直。在化学试剂完全固化之前不得对锚栓进行人为的扰动。

2.3.7 锚具底座的找平、安装。在槽口内的混凝土底面涂抹聚合物砂浆或者修补胶对底面进行修补找平。安装固定端锚具底座以及张拉端锚具底座，并拧紧螺母。

2.3.8 预应力碳纤维板安装。用高浓度酒精对碳纤维板需要涂胶的部位进行擦洗并晾干，擦洗过程中注意不要损坏碳纤维板。在碳纤维板上涂抹碳纤维结构胶，结构胶应涂抹均匀，且平均厚度不应小于3mm。将涂好结构胶的碳纤维板和锚具安装到锚具底座上并拧紧螺母。

2.3.9 碳纤维板张拉作业。在对碳纤维板进行张拉前先对预应力碳纤维板进行预紧，使碳纤维板绷直，检查碳纤维板的受力是否均匀。每片T梁两侧的碳纤维板应同时对称张拉，并分级（20%，40%，60%，80%，100%）进行，张拉控制力为192kN，不得超张拉或少张拉。

2.3.10 压紧条安装。张拉作业完成后，及时清理碳纤维板两边挤出的多余结构胶，并及时安装压紧条。

2.3.11 预应力碳纤维板防护。每片T梁预应力碳纤维板施工完成后，卸掉千斤顶、工具挡板等张拉工具，并清理现场。对两端的锚具部位用环氧砂浆进行封锚防护，对碳纤维板表面涂抹防护胶进行防护。

3 预应力碳纤维板横向加固研究

3.1 工程概况

某空心板梁桥全长1749m，建成于1994年12月。全桥共9跨，上部结构：第1～8跨上部结构采用预应力混凝土空心板，第9跨上部结构采用普通钢筋混凝土梁板。桥梁设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100 级。下部结构： 9#台为 U形式台，其余墩台均为双柱式、钻孔灌注桩基础。桥面系：桥面铺装采用钢筋混凝土。2017年9月本桥的技术状况等级综合评定为3类。主要病害有空心板板底纵向裂缝、空心板板底横向裂缝、支座脱空、墩台盖梁水蚀等。

3.2 加固方案

针对本桥第1～9跨桥面的纵向裂缝和局部板底 的纵向裂缝，在梁板板底使用预应力碳纤维板进行横向整体性补强加固。

经过对横向预应力钢绞线加固方案与横向预应力碳纤维板方案的比较，采用了施工更为快速的横向预应力碳纤维板新技术，且不对空心板梁进行凿孔作业，可以最大限度减小对桥梁的损害。全桥共设置了碳纤维板59条，每跨布置7道，对第9跨梁板板底横向设置预应力碳纤维板，布置3道。碳纤维板型号为宽度100mm，厚度2mm。碳纤维板张拉采用单端分级张拉，采用张拉力和伸长量双控原则。张拉控制应力为500MPa，张拉控制力为100kN。碳纤维板采用I级碳纤维板，强度为2400MPa。张拉完成后同样在碳纤维板与梁体之间用结构胶填充密实并用压紧条固定牢固。

3.3 施工操作要点及注意事项

横向预应力碳纤维板的施工工艺主要包括施工准备、梁体加固部位的表面处理、钻孔植化学锚栓、安装锚具支座、碳纤维板涂胶、预应力碳纤维板的张拉和预应力碳纤维板的防护等[3]。

3.3.1 施工前的准备。施工前应对混凝土的表层含水率及所处环境温度进行准确测量，确保适宜的施工条件。施工前应按设计图纸上给定的位置在桥梁的实际部位进行放线。

3.3.2 梁体加固部位表面处理。首先清除梁体表面疏松部分，露出混凝土的基面，对与有裂缝和缺陷的部位应先进行修补处理，然后对预应力碳纤维板加固部位的混凝土表面进行打磨修整并吹扫干净，然后使用高浓度酒精进行擦洗并晾干。

3.3.3 钻孔植化学锚栓。用钢筋探测仪探出钢筋位置并使用记号笔在梁体上标出，根据设计图纸上要求的位置，确定需要打孔的部位，如果孔位与钢筋冲突，根据现场实际情况适当将整体锚固体系微调，再进行钻孔。压紧条一般按3m一道布置，具体是否加密根据设计图纸确定。

3.3.4 安装锚具底座（锚固端、张拉端）。锚具底座根据图纸要求进行加工制作，锚固能力参考锚具效率系数确定。

锚固底座除了锚栓固定外，其与混凝土接触面要求涂抹5mm厚结构胶，安装完毕后拧紧螺母，待结构胶完全固化后进行下一道工序。

3.3.5 张拉和粘贴预应力碳纤维板。首先将成品预应力碳纤维板展开并固定于锚具底座上，随后在张拉端安装张拉连杆和工具挡板等工具。本工程中在其中四条碳纤维板上预先安装应变传感器，检测张拉过程中碳纤维板的应变数值。安装完毕后应先进行试张拉，检查碳纤维板和锚固系统的工作状况。正式张拉作业前在碳纤维板上均匀涂刷一层结构胶，平均厚度不小于3mm。正式张拉作业时采用分级、对称张拉的方法对碳纤维板施加预应力，按照张拉力和伸长量双控原则，张拉顺序为：20%～40%～60%～80%～100%，每级持荷5min，并随时拧紧螺母。张拉控制应力为500MPa，张拉控制力为100kN，每级张拉完成后应及时锁紧张拉连杆上的调节螺母。放张时瞬时预应力损失不得超过2%，最后安装压紧条，拧紧压紧条的螺母，清除碳纤维板两边多余的结构胶。张拉预应力碳纤维板及安装压紧条做特应在结构胶凝固前完成。

3.3.6 锚固防护。张拉完毕后拆掉千斤顶、工具挡板等张拉部件，并切割掉多余长度的张拉螺杆。对锚具端用防腐漆进行防护，对碳纤维板表面涂抹防护胶进行防护。

3.3.7 其他注意事项。首先，对于黏结胶的配制，应按结构胶供应商提供的配比和工艺要求进行调配，且应有专人负责。调胶使用的工具应为低速搅拌器，搅拌应均匀按同一个方向搅拌，严格避免搅拌过程中气泡的产生，并应防止灰尘等杂质混入。其次，千斤顶的量程应不小于1.5倍张拉控制力，张拉过程应缓慢且匀速施加张拉力。同时在碳纤维板张拉过程中，要对张拉力和伸长量进行经常性的校核，确保张拉施工完成后的碳纤维板实际张拉控制力达到设计要求。

4 结束语

本文就采用体外预应力碳纤维板加固公路桥梁进行了相关应用研究，在某T梁桥抗弯加固工程对预应力碳纤维板抗弯加固进行了加固效果分析，基于某空心板梁桥横向预应力碳纤维板整体性加固工程实践，分析了预应力碳纤维板横向加固的效果。实践结果表明，预应力碳纤维板加固旧桥后，跨中的最大挠度均有不同程度的减小，各片梁的跨中最大挠度分布更加均匀，一定程度上改善了荷载分布情况，进而间接提高了桥梁整体承载能力。