橋梁加固預(yù)應(yīng)力CFRP板混凝土技術(shù)分析

胡麗萍、王文

（1.吉安市公共資源交易中心萬安分中心，江西萬安 343800；2.吉安市公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中心峽江分中心，江西峽江 331409）

0 引言

預(yù)應(yīng)力CFRP 板混凝土技術(shù)是橋梁加固工程中常見的施工技術(shù)，具備加固效果好、操作便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。在預(yù)應(yīng)力CFRP 板混凝土技術(shù)應(yīng)用過程中，需結(jié)合施工標(biāo)準(zhǔn)做好技術(shù)工藝控制，提升技術(shù)應(yīng)用效果，如此才能提升橋梁加固工程質(zhì)量。

1 預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固體系

1.1 技術(shù)原理和特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力CFRP 板，即預(yù)應(yīng)力碳纖維板，是將同一方向排列的碳素纖維浸漬于樹脂內(nèi)進(jìn)行固化處理，同時經(jīng)過一定壓強(qiáng)的擠壓形成規(guī)定的形式，該材料具備抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、厚度小、耐老化等優(yōu)勢，適用于多種施工條件。預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固體系的技術(shù)原理如圖1所示，施工流程大致如下：根據(jù)現(xiàn)場施工要求準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)部件；對表面涂覆專用環(huán)氧膠的高強(qiáng)碳纖維板進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工；將碳纖維板粘貼、錨固到結(jié)構(gòu)表面。

圖1 預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)原理

預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固施工可避免傳統(tǒng)有機(jī)結(jié)構(gòu)膠粘貼纖維片材加固施工的不足，并且能夠消除非預(yù)應(yīng)力粘貼加固法對碳纖維板強(qiáng)度造成的負(fù)面影響，也不會存在剝離的缺陷，不僅可以大幅度提升結(jié)構(gòu)的承載力，還能夠提高結(jié)構(gòu)的抗彎能力。預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固方式操作簡單，不必進(jìn)行濕作業(yè)，也不會占用過大的空間，施工效果較好。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

第一，預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算。通過分析發(fā)現(xiàn)，在預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固施工中，有很多原因容易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失，如錨固體系結(jié)構(gòu)變形、混凝土彈性收縮，以及CFRP 板松弛、收縮、變形等。預(yù)應(yīng)力損失分項(xiàng)計(jì)算比較煩瑣，所以需要設(shè)定合理的比例參數(shù)。第二，預(yù)應(yīng)力CFRP 板在張拉施工中，其張拉控制力如果設(shè)定得比較高，會導(dǎo)致碳纖維板斷裂?？紤]到工程的具體情況，建議應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP 板時進(jìn)行張拉控制力計(jì)算。

結(jié)合多項(xiàng)工程計(jì)算結(jié)果，在合并試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對各種可能存在的影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)混凝土構(gòu)件長期損失能大概在3%～4%的范圍。試驗(yàn)實(shí)測應(yīng)力變化情況見圖2。

圖2 試驗(yàn)實(shí)測應(yīng)力變化

1.3 加固方案的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

為了更好地應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP 加固板，針對T 梁、空心板以及現(xiàn)澆箱梁等幾種常見結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力碳纖維板布設(shè)加固方案開展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，見圖3～圖5。

圖3 T 梁預(yù)應(yīng)力CFRP 板布置

圖4 空心板梁預(yù)應(yīng)力CFRP 板布置

圖5 箱形梁預(yù)應(yīng)力CFRP 板布置

2 工程概況及加固方案

2.1 橋梁工程概況

某跨河橋梁工程，整體設(shè)計(jì)長度為1.7km。下部結(jié)構(gòu)為灌注樁，屬于樁柱橋墩；上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，橫向?yàn)? 片小箱梁。該橋梁運(yùn)行十余年以后，在養(yǎng)護(hù)期間發(fā)現(xiàn)橋梁組合梁腹板位置存在嚴(yán)重裂縫，裂縫寬度均在0.1mm 左右。多片豎向裂縫集中在某個區(qū)域內(nèi)，從倒角部位向上延伸，但是沒有到達(dá)截面頂部。并且，經(jīng)過封閉處理后，周邊區(qū)域發(fā)生了類似的裂縫問題。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，裂縫的主要形成原因如下：一是裂縫區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力過大的情況，短期組合影響之下達(dá)到開裂的極限拉應(yīng)力。二是腹板底部豎向裂縫造成截面性能降低，進(jìn)而導(dǎo)致橫向裂縫發(fā)育變化。

2.2 加固方案選擇

主要有兩種加固方案：一是預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固。應(yīng)用兩條50mm×3mm 預(yù)應(yīng)力CFRP 板，聯(lián)合使用錨固塊、錨具，張拉力為386kN，單價(jià)為900 元/m。二是無黏結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固。 所選的鋼筋直徑為15.24cm，采用雙束兩股的形式。經(jīng)對比分析，兩種方案的綜合成本都比較低，加固效果也都比較好，但預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固方案的結(jié)構(gòu)組成比較簡單、耐腐蝕性和耐久性比較好，性價(jià)比相對較高，最終確定應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP 板進(jìn)行橋梁加固施工。

2.3 加固設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，該工程最終確定應(yīng)用兩條長度分別為26.6m 和24.6m 的50mm×3mm 預(yù)應(yīng)力CFRP 板沿著橋向進(jìn)行粘貼鋪裝。根據(jù)現(xiàn)場施工需要，連接時采用錨具與混凝土栓接的方式，錨固深度為95mm，采用鍍鋅鋼螺栓連接，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

2.4 有限元分析

使用有限元分析方法計(jì)算該方案技術(shù)參數(shù)，得出最終橋梁分析模型，用以模擬加固施工的效果。在模擬分析中發(fā)現(xiàn)，混凝土能夠與加固板密切結(jié)合在一起，不會出現(xiàn)滑移問題；各材料技術(shù)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固方式張拉控制力為1289MPa，永久預(yù)應(yīng)力為1200MPa，預(yù)應(yīng)力損失在6%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能合格。

3 工程施工與工藝

3.1 錨具構(gòu)造及材料性能

整體結(jié)構(gòu)采用的是夾片及楔形模具系統(tǒng)。模具制作完成后，要全面驗(yàn)證模具與CFRP 板的拉伸參數(shù)。該工程驗(yàn)證結(jié)果如下：CFRP 板抗拉強(qiáng)度為2498MPa、彈性模量為166.8GPa、破壞荷載為381kN。達(dá)到破壞荷載之后，CFRP 板會出現(xiàn)輕微裂縫，多出現(xiàn)在對中區(qū)域，夾持端與錨具周邊區(qū)域沒有出現(xiàn)裂縫問題。

3.2 施工工藝

加固施工開展之前需要進(jìn)行測量放樣，該環(huán)節(jié)務(wù)必保證精度符合標(biāo)準(zhǔn)，同時對張拉端及固定端進(jìn)行控制，使其能夠處于相同的狀態(tài)，若出現(xiàn)松弛等問題需要及時糾正。此外，要保證CFRP 板表面沒有任何雜質(zhì)，且打磨平整。接著進(jìn)行預(yù)埋鋼筋鉆孔施工，灌膠并加固達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)后，才能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力CFRP板加固施工。第一，需要在結(jié)構(gòu)表面涂抹一層底膠，并安裝反力鋼筋，再利用千斤頂進(jìn)行張拉作業(yè)，相鄰兩級張拉施工間隔約幾分鐘的時間。張拉作業(yè)結(jié)束后，要立即進(jìn)行補(bǔ)膠處理。第二，設(shè)置限位卡，避免結(jié)構(gòu)和加固板脫空。第三，加強(qiáng)CFRP 板與錨具連接部位的防護(hù)處理。在加固施工結(jié)束后，采用噴射水泥砂漿的方式對錨具、固定端、CFRP 板進(jìn)行防護(hù)處理，砂漿結(jié)構(gòu)的厚度為2～3cm。該防護(hù)層結(jié)構(gòu)可以避免碰撞等外部因素造成CFRP 板、結(jié)構(gòu)膠損壞，從而提升加固效果，延長使用壽命，實(shí)現(xiàn)綜合利用價(jià)值的提升。

4 工后檢測

結(jié)構(gòu)參數(shù)是結(jié)構(gòu)施工模擬分析必不可少的因素，必須達(dá)到準(zhǔn)確性要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)分析要從截面尺寸、彈性模量、材料容量、膨脹系數(shù)、施工荷載等方面展開?，F(xiàn)場施工管控中，必須加強(qiáng)橋梁質(zhì)量檢測，隨時掌握應(yīng)力、變形等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使之處于合理范圍，并保證結(jié)構(gòu)部件制作、安裝都滿足精度要求，以此達(dá)到提升橋梁工程質(zhì)量的目的。

4.1 伸長量變化

該工程采取分級張拉的方式進(jìn)行加固施工，并實(shí)時測量CFRP 板伸長量，各級的變化參數(shù)分別為10%、20%、50%、75%、100%，對各級伸長量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其誤差均控制在合理范圍，表明該次加固施工達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，符合橋梁運(yùn)行的要求。

4.2 CFRP 板跨中應(yīng)變

通過圖6可以觀察到，隨著張拉參數(shù)的變化，CFRP 板跨中應(yīng)變呈臺階式增長。短期內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的3%。

圖6 分級張拉時CFRP 板跨中應(yīng)變情況

4.3 梁底跨中壓應(yīng)力變化

某孔5 片梁加固結(jié)束后，1、2、3、4、5梁壓應(yīng)力增量分別為0.54MPa、0.58MPa、0.55MPa、0.53MPa、0.59MPa。由上述參數(shù)可知，5 個梁底應(yīng)用CFRP 板加固處理后，跨中壓應(yīng)力增量均超過0.5MPa，與設(shè)計(jì)要求完全一致。

4.4 CFRP 板預(yù)應(yīng)力長期損失

加固作業(yè)完成后，要選擇LG-FBG 光纖光柵傳感器對其進(jìn)行全面檢測，了解其參數(shù)變化情況。在該工程中，經(jīng)過9 個月的連續(xù)檢測，發(fā)現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)的累積損失只有315με，張拉控制損失為4%。由此可見，應(yīng)用CFRP 板加固后，損失比較小，且多數(shù)是變形、裂縫造成的。隨著時間的推移，應(yīng)變損失速度會逐漸減慢，且到達(dá)一定程度后不會再發(fā)生變化。

5 施工控制的內(nèi)容及方法

5.1 施工控制的內(nèi)容

其一，加強(qiáng)原材料控制。橋梁加固施工對原材料、部件的質(zhì)量要求極高，對橋梁成型之后的強(qiáng)度、耐久性、使用壽命方面也有著更高的要求。因此，在項(xiàng)目正式實(shí)施前，必須嚴(yán)格落實(shí)對鋼材、水泥、砂石、支座、預(yù)應(yīng)力錨具、夾片等原材料、部件的檢驗(yàn)，保證其質(zhì)量和性能完全符合工程的要求。

其二，混凝土強(qiáng)度管控。該環(huán)節(jié)是橋梁項(xiàng)目實(shí)施的核心，尤其是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度，是保證橋梁穩(wěn)定的重點(diǎn)。在項(xiàng)目正式實(shí)施前，要落實(shí)混凝土強(qiáng)度性能檢測工作，確保其性能合格，能夠承受上部結(jié)構(gòu)的荷載和作用力，并確?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)不會因?yàn)樯喜亢奢d而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)開裂的問題，滿足橋梁的安全運(yùn)行要求。

其三，嚴(yán)格落實(shí)預(yù)應(yīng)力體系控制。一是應(yīng)在張拉施工開始之前進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢查，確保其強(qiáng)度等級不低于C40 級；并應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行張拉施工，確保施工質(zhì)量符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性要求；而且張拉階段應(yīng)采用雙控的方式，即控制預(yù)應(yīng)力及伸長量，確保加固施工達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。二是在張拉施工環(huán)節(jié)如果因?yàn)榍Ы镯敼ぞ邐A片磨損而導(dǎo)致無法夾緊，發(fā)生滑絲的情況，應(yīng)該及時回油處理。千斤頂工具夾片的處理方式是，清理錨孔和夾片，對錨墊板喇叭口內(nèi)的混凝土重新進(jìn)行張拉施工；如果依然存在滑絲的問題，則應(yīng)再次檢測錨具及鋼絞線的結(jié)構(gòu)，并對千斤頂再次進(jìn)行標(biāo)定處理。三是如果波紋管部件損壞而產(chǎn)生漏漿問題，將導(dǎo)致鋼絞線和混凝土握裹，導(dǎo)致摩擦力超出規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。對于該問題，應(yīng)采用反復(fù)張拉作業(yè)的方式，并且要持荷一定的時間，以消除摩擦力的持續(xù)作用，同時要落實(shí)對預(yù)應(yīng)力T 梁的清孔處理。四是對于孔道摩阻導(dǎo)致伸長量比較小的問題，要先將鋼絞線張拉到5MPa，然后將回油數(shù)調(diào)整到0，達(dá)到技術(shù)要求后才能開始張拉作業(yè)，并采用分級張拉的作業(yè)方式，使伸長量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。五是張拉環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行梁體結(jié)構(gòu)的上拱度、梁體側(cè)向變形分析，以免變形過大而產(chǎn)生裂紋，且要隨時了解數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)，有效預(yù)防質(zhì)量問題。

5.2 施工控制的方法

一是加強(qiáng)事前主動控制。橋梁項(xiàng)目施工前，要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，全面落實(shí)事前控制措施，并選擇合理的預(yù)防和應(yīng)對方法，分析和了解可能影響施工質(zhì)量的因素，消除負(fù)面因素的干擾，保證結(jié)構(gòu)的性能合格。此外，要重視對新技術(shù)、新工藝的研發(fā)和應(yīng)用。二是加強(qiáng)施工管理和控制。在項(xiàng)目建設(shè)中，有些偶發(fā)性因素的影響也是不容忽視的，因此要掌握現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)各個方面的影響因素，如材料質(zhì)量、施工組織、設(shè)計(jì)方案、工藝方案等，如果有任何問題，要立即采取合理的應(yīng)對措施，將質(zhì)量與安全隱患消除在萌芽階段，保證工程順利開展。

6 結(jié)語

綜上所述，橋梁加固預(yù)應(yīng)力CFRP 板混凝土技術(shù)有著非常明顯的優(yōu)勢。結(jié)合工程實(shí)例來看，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP 板進(jìn)行加固施工后，梁體結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度得以提升，應(yīng)力增量大約是0.5MPa，且總體性能優(yōu)良。由此可見，該技術(shù)操作簡單、方便，經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性較高，可以廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)領(lǐng)域。