體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁橋工程應(yīng)用

龍欽初，龍策

(湘潭市公路管理局，湖南 湘潭 411100)

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，一方面客、貨運(yùn)車輛數(shù)量不斷增加；另一方面單臺(tái)車輛的載荷能力不斷提高，公路運(yùn)輸客、貨物周轉(zhuǎn)量與日俱增。為與之相適應(yīng)，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷修訂，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)由最初的汽車-10級(jí)、拖車-60級(jí)，修訂到現(xiàn)時(shí)的公路-Ⅱ級(jí)、公路-Ⅰ級(jí)。對(duì)于既有橋梁，一是隨著運(yùn)營時(shí)間的延續(xù)，逐漸趨近于其設(shè)計(jì)使用年限，二是與橋梁當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)的荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，超負(fù)荷運(yùn)行。故承載潛能相對(duì)有限的梁式橋的主要承重構(gòu)件——梁，出現(xiàn)疲勞損傷的機(jī)率越來越大。梁體一旦出現(xiàn)損傷，承載力降低，不能滿足運(yùn)營需要時(shí)，拆除重建，固然能一勞永逸，但資源消耗量大。所以，對(duì)既有橋梁進(jìn)行加固，使其適用現(xiàn)代交通發(fā)展需要尤顯重要。

1 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁的特點(diǎn)

1.1 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁的優(yōu)點(diǎn)

該文所述采用專用夾具錨進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：① 預(yù)應(yīng)力損失小。其有效預(yù)應(yīng)力的保持，完全依靠夾錨碳纖維板錨具的夾錨能力,不依賴任何膠黏劑的黏結(jié)作用，無須考慮輔材老化，耐久性好;② 具有很好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性。不僅加固的初次成本低，而且基本不要進(jìn)行后期維護(hù)，環(huán)境適用性強(qiáng);③ 梁的抗彎拉能力顯著增強(qiáng)，橋梁荷載等級(jí)可以大幅度提高;④ 維修加固過程中，對(duì)橋梁造成的二次傷害小，不中斷交通;⑤ 所新增的恒載少，與橋梁原有恒載及承受的活載相比，所增加的恒載幾乎可以忽略不計(jì);⑥ 碳纖維板布置簡單,施工方便，質(zhì)量可靠。無需大型設(shè)備、人員精干，施工周期短。

1.2 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁的不足之處

① 預(yù)應(yīng)力碳纖維板工作的環(huán)境溫度不應(yīng)高于其制造時(shí)固化形成時(shí)的溫度，為90 ℃左右;② 由于碳纖維板抗剪性能差，在錨固碳纖維板的過程中，緊固夾錨螺栓時(shí)須嚴(yán)格遵守螺栓的緊固順序和設(shè)計(jì)扭力。

2 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固原理

體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置于梁體受彎拉(正、負(fù)彎矩)部位的外側(cè)，錨栓將錨具底座錨固于鋼筋混凝土梁體上，施加了預(yù)應(yīng)力的碳纖維板通過夾具錨，經(jīng)錨栓與錨具底座將預(yù)應(yīng)力傳遞到梁體。預(yù)應(yīng)力在梁體上產(chǎn)生的反彎矩部分抵消外荷載產(chǎn)生的彎矩，起到抑制裂縫開展及撓曲變形作用，從而大大提高橋梁承載能力和橋梁結(jié)構(gòu)的剛度。彎拉部位(正、負(fù)彎矩區(qū))具有平直基面(如T形梁、矩形板梁、箱梁等連續(xù)或簡支梁式橋)的鋼筋混凝土梁式橋，可以采用體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固。體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板體系的基本組成主要包括：體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板、潤滑與黏結(jié)劑，體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板專用夾錨等。

3 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固施工工藝流程

體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固施工工藝流程為：建設(shè)施工平臺(tái)→放樣→混凝土表面結(jié)構(gòu)處理→開槽→鉆錨具及支架螺栓錨固孔→螺栓植筋→螺栓植筋養(yǎng)生→安裝錨具底座→碳纖維板材下料→安裝張拉器→敷設(shè)碳纖維板→緊固碳纖維板于固定端→固定碳纖維板于張拉機(jī)→張拉→錨固碳纖維板于張拉端→緊固支托支回螺栓→油缸卸載→移除張拉機(jī)→涂抹錨具與預(yù)應(yīng)力碳纖維板的防護(hù)膠砂→拆除施工平臺(tái)。

4 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維加固施工要點(diǎn)

(1)放樣定位。根據(jù)橋梁加固設(shè)計(jì)施工圖，在梁體表面標(biāo)畫出碳纖維板、錨具及錨具螺栓孔的位置。

(2)梁體基面混凝土表面處理。對(duì)梁體基面混凝土的表面進(jìn)行清洗，用砂紙打磨，并清除尖銳凸起物。

(3)開槽。在梁體上對(duì)錨具(張拉器)底座位置進(jìn)行開槽。開槽應(yīng)不傷及梁體中鋼筋，開槽深度約為梁體鋼筋的保護(hù)層厚度，深約3 cm。

(4)錨具底座螺栓植筋。事先探明梁體原有各種鋼筋的位置，法向垂直于梁體基面鉆孔，孔深為植埋螺栓長+(3～5)mm，孔徑為螺栓直徑+(1～2)mm。采用無機(jī)結(jié)構(gòu)植筋膠，植入錨具底座的錨固螺栓桿。

(5)錨具底座安裝。待錨固螺栓桿的結(jié)構(gòu)植筋膠強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，安裝錨具底座。

(6)下料。按設(shè)計(jì)長度+60 cm左右的張拉操作長度進(jìn)行下料。下料采用砂輪切割機(jī)裁切碳纖維板。

(7)安裝張拉機(jī)及支架螺栓。在工作錨的槽位中安放張拉機(jī)。為避免碳纖維板操作時(shí)扭曲，按縱向間距1.0 m左右設(shè)置托舉支架。

(8)敷設(shè)碳纖維板。將碳纖維板依次敷設(shè)通過固定端錨具、托舉支架、張拉端錨具、張拉器工作錨。

(9)張拉碳纖維板。采用高精度扭矩扳手按設(shè)計(jì)給定的各錨具螺栓扭矩，依設(shè)計(jì)給定的緊固順序進(jìn)行緊固。采用同步頂升千斤頂對(duì)碳纖維板進(jìn)行張拉。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁橋技術(shù)，預(yù)應(yīng)力控制是關(guān)鍵。張拉施加的預(yù)應(yīng)力可通過計(jì)算確定，即根據(jù)測(cè)定的碳纖維板伸長量、凈長、彈性模量，依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

σcon=E×εl=E×Δl/l

(1)

式中：σcon為張拉控制應(yīng)力；E為碳纖維板彈性模量；εl為碳纖維板的應(yīng)變量；Δl為碳纖維板的伸長量；l為碳纖維板的凈長度(固定端錨具邊至張拉端夾具邊緣之間的距離)。

為實(shí)現(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力的直觀性與可操控性，張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板前，應(yīng)事先建立施加給碳纖維板的預(yù)應(yīng)力與施加預(yù)應(yīng)力設(shè)備的油缸(應(yīng)標(biāo)定)讀數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)以張拉應(yīng)力控制為主，以伸長量控制為輔，進(jìn)行雙重控制。

張拉時(shí)先將試張拉油缸卸載，在待張拉的碳纖維板上布置好應(yīng)變片后，自油缸壓力表讀數(shù)零開始，按設(shè)計(jì)5 cm寬和10 cm寬的碳纖維板以每分鐘加載3～5 MPa的速度逐級(jí)加載，5 MPa一級(jí)，逐級(jí)進(jìn)行張拉，直到符合設(shè)計(jì)要求值并持荷5 min。最后按設(shè)計(jì)扭矩以緊固夾錨具螺栓，使碳纖維板緊固于錨具上。卸載油缸，將張拉端尾部碳纖維板切除，拆除張拉器。

(10)防護(hù)。在預(yù)應(yīng)力碳纖維板表面及錨具外露面涂抹厚度為3～5 mm的LX-3型高強(qiáng)復(fù)合砂漿，防止陽光直接照射碳纖維板，預(yù)防錨具生銹。

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

株津渡大橋位于湖南湘鄉(xiāng)市以西約8 km跨漣水河的320國道上，1999年竣工通車，為一座預(yù)應(yīng)力混凝土變截面單箱雙室連續(xù)箱梁橋，總長306.24 m，共9跨(2×30+2×50+4×30+20)m，最大跨度50 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)。2012年，該橋箱梁四分點(diǎn)出現(xiàn)了較多的彎剪裂縫，跨中部位存在較多橫向框架受力性能不足的結(jié)構(gòu)裂縫，橋梁撓度變大。經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋抗彎、抗剪強(qiáng)度不足，剛度偏小，鑒定為四類危橋，須及時(shí)進(jìn)行加固改造。

限于篇幅，該文僅介紹采用夾具錨進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁體、提高其抗彎能力的應(yīng)用。

5.2 體外預(yù)應(yīng)力碳纖維加固措施

通過采用專用夾具錨進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)加固大橋的鋼筋混凝土箱梁，以提高橋梁抗彎承載能力和抗彎剛度。

設(shè)計(jì)于正彎矩區(qū)加固采取在具有平直基面的箱梁底面或箱梁內(nèi)、外腹板，負(fù)彎矩區(qū)采取在橋面鋪裝層下進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁體。

5.2.1 跨中正彎矩區(qū)

(1)變截面跨：在跨中箱梁腹板進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉加固。共布置10 cm寬的預(yù)應(yīng)力碳纖維板28道。

(2)等截面跨：在箱梁底板底面進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉加固。布置5 cm及10 cm寬的預(yù)應(yīng)力碳纖維板各20道。

5.2.2 負(fù)彎矩區(qū)(支座位置)

采用在箱梁頂板頂面進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固。共布置10 cm寬的預(yù)應(yīng)力碳纖維板8道。

5.2.3 碳纖維板的控制應(yīng)力σcon及應(yīng)變量ε1

設(shè)計(jì)采用LXMJ-100、LXMJ-50預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具和抗拉強(qiáng)度>2 200 kPa，彈性模量>165 GPa，截面為100 mm×1.2 mm和50 mm×1.2 mm，耐高溫≮100 ℃的碳纖維板。每道碳纖維板的張拉控制應(yīng)力σcon均為1 000 kPa，應(yīng)變量ε1為1/165×10-3m。

6 結(jié)語

橋梁加固完工和使用1年后，經(jīng)過兩次檢測(cè)評(píng)定，箱梁符合設(shè)計(jì)預(yù)期的加固效果，抗彎、剪拉能力滿足現(xiàn)行JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的公路-Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，梁體加固時(shí)被注漿封閉的彎剪裂縫、跨中部位橫向框架受力性能不足的結(jié)構(gòu)裂縫沒有出現(xiàn)異常，也沒有出現(xiàn)新的裂縫，梁體撓度趨于正常。經(jīng)近3年的持續(xù)觀測(cè)(預(yù)埋應(yīng)力片)，累計(jì)預(yù)應(yīng)力損失為0.34%，小于規(guī)范要求值0.4%。經(jīng)驗(yàn)證明，采用專用夾具錨進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)加固梁橋的實(shí)用性、可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性同其他形式錨固碳纖維板或鋼絞線進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁相比較，具有較好的推廣價(jià)值。