預(yù)應(yīng)力碳纖維板在公路舊橋加固中的應(yīng)用研究

張祥亮

山東省公路橋梁檢測(cè)中心有限公司 山東 東營(yíng) 257091

引言

公路交通作為一種重要的交通方式在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中承擔(dān)著舉足輕重的作用，而我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)在橋梁數(shù)量上已經(jīng)躋身世界第一梯隊(duì)。若對(duì)既有橋梁進(jìn)行拆除重建，則會(huì)給國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)巨大資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)既有橋梁采用適當(dāng)加固技術(shù)進(jìn)行改造，延長(zhǎng)橋梁的運(yùn)營(yíng)周期已迫在眉睫。

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固原理及方法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是將碳纖維板固定到構(gòu)件需加固的位置，通過對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力使混凝土梁內(nèi)產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，進(jìn)而使碳纖維這種高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特性得以發(fā)揮，同時(shí)還緩解了應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更優(yōu)的加固效果。產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，可以抵消結(jié)構(gòu)自重以及部分荷載的作用，還可以減小結(jié)構(gòu)原有裂縫，提高結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)撓度，并使使用階段的性能得到改善[1]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁是一種新穎的結(jié)構(gòu)加固方法，其施加預(yù)應(yīng)力方式共分為：反拱法、先張法和后張法。其中反拱法僅適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室研究，在實(shí)際工程加固中操作較困難。采用這種方法獲得的預(yù)應(yīng)力較小，無(wú)法準(zhǔn)確地確定其數(shù)值，具有很大的局限性；先張法需要龐大的張拉臺(tái)座，這就限制了加固構(gòu)件的長(zhǎng)度，否則不易實(shí)現(xiàn)。故在工程實(shí)際應(yīng)用上常采用后張法對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力。后張法需要在梁上設(shè)置永久性錨具，碳纖維板以加固構(gòu)件本身作為反力架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉完后卸除千斤頂，施工完畢。該法可以很好地避免由于碳纖維板與加固構(gòu)件之間的黏結(jié)破壞，有效地防止加固梁的早期破壞，使得強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，且適用性廣，對(duì)構(gòu)件尺寸沒有特殊要求，同時(shí)該方法不需要使用張拉設(shè)備，更便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板抗彎加固研究

2.1 工程概況

某T梁橋?yàn)殡p幅橋，雙向四車道，全寬28m。上部結(jié)構(gòu)型式為27×30m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，現(xiàn)澆鋪裝層，左幅右幅均橫向布置6片梁。下部結(jié)構(gòu)型式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，柱式墩，樁基U臺(tái)，橋梁于1993年12月竣工，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)汽車-超20級(jí)。該橋?qū)儆诟臄U(kuò)建項(xiàng)目，按照盡量利用原有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的原則，結(jié)合既有橋梁技術(shù)狀況評(píng)定和承載能力評(píng)定結(jié)果，對(duì)既有橋梁進(jìn)行加固改造，另外在既有橋梁進(jìn)行雙側(cè)加寬擴(kuò)建。

2.2 加固方案

綜合檢測(cè)評(píng)定承載力計(jì)算結(jié)果，預(yù)在T梁梁體馬蹄兩側(cè)粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板的方法提高T梁的抗彎承載力。具體加固方案如下：在每片預(yù)應(yīng)力混凝土梁體馬蹄兩側(cè)各粘貼一條預(yù)應(yīng)力碳纖維板，碳纖維板兩端各距梁端2m，碳纖維板寬度為100mm，厚度為2mm。在每片T梁兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行碳纖維板張拉，張拉方式采用單端分級(jí)張拉，對(duì)張拉力和伸長(zhǎng)量采取雙控原則。張拉控制應(yīng)力為0.4fpk，（碳纖維板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2400MPa，拉伸彈性模量為165GPa）張拉控制力為192kN。碳纖維板采用I級(jí)碳纖維板。張拉完成后在碳纖維板與梁體之間用結(jié)構(gòu)膠填充密實(shí)并用壓緊條固定牢固。

2.3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工工藝

2.3.1 定位、放樣。首先用探測(cè)儀器確定梁體內(nèi)的鋼筋的實(shí)際所在位置，并在梁體上用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)注，以便準(zhǔn)確的確定錨具的安裝位置。畫出碳纖維板中心線或者邊線、錨具底座的邊緣線、錨栓孔的中心線以及壓緊條的中心線位置。

2.3.2 切割錨具底座槽。為了使橋梁加固好的美觀和預(yù)應(yīng)碳纖維板的順直，在梁上切割槽口，使得錨具底座安裝后與梁體 保持一個(gè)平面。根據(jù)固定端、張拉端錨具底座的尺寸，用電錘將放樣區(qū)域進(jìn)行鑿平，并確保槽的深度 滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 鉆化學(xué)錨栓孔。為防止鉆孔碰到梁底板結(jié)構(gòu)鋼筋，梁底打孔前，必須先探明鋼筋位置，以便進(jìn)行避讓，打孔位置可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。打孔時(shí)可先制作一個(gè)模板，并在模板上按照錨具底座上孔洞的位置在模板上鉆出相應(yīng)的孔洞，使用模板的孔洞用記號(hào)筆在梁體上標(biāo)出孔洞的位置。根據(jù)梁體上標(biāo)記的孔洞位置，用沖擊鉆在梁體上進(jìn)行鉆孔作業(yè)，其中孔徑、孔深必須符合設(shè)計(jì)要求，并保證孔道垂直于梁體的平面。鉆孔以錨具底座的孔位為參照進(jìn)行鉆孔，保證化學(xué)螺栓能夠與錨具底座的孔匹配。鉆孔時(shí)如碰到結(jié)構(gòu)鋼筋或鋼絞線，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)偏移。鉆孔時(shí)應(yīng)用沖擊鉆孔，以確?？妆砻嬗凶銐虻拇植诙萚2]。

2.3.4 清孔。首先對(duì)孔內(nèi)的粉塵進(jìn)行清掃，再用高壓風(fēng)對(duì)孔洞進(jìn)行吹洗，最后用高濃度的酒精徹底清洗孔道內(nèi)部。干燥后應(yīng)立即進(jìn)行植栓作業(yè)，如不能馬上進(jìn)行植栓，應(yīng)采取措施對(duì)孔洞進(jìn)行臨時(shí)封閉，防止雜塵、污物、油污或水分等進(jìn)入孔中影響化學(xué)錨栓錨固的質(zhì)量。

2.3.5 混凝土表面處理。首先對(duì)梁體上需粘貼碳纖維板部位的基面進(jìn)行打磨清理，然后用壓縮空氣打磨過的部位進(jìn)行吹洗，對(duì)于梁體表面有缺陷處，可涂抹修補(bǔ)膠或者聚合物砂漿對(duì)缺陷部位進(jìn)行修整。

2.3.6 植化學(xué)錨栓。植栓時(shí)應(yīng)先用高濃度酒精對(duì)孔洞進(jìn)行擦洗，再進(jìn)行植栓。在孔洞中先置入化學(xué)藥管，然后將錨栓單向旋轉(zhuǎn)插入，應(yīng)保證錨栓達(dá)到設(shè)計(jì)深度，并注意錨栓與孔壁間的間隙保持均勻，確保錨栓垂直。在化學(xué)試劑完全固化之前不得對(duì)錨栓進(jìn)行人為的擾動(dòng)。

2.3.7 錨具底座的找平、安裝。在槽口內(nèi)的混凝土底面涂抹聚合物砂漿或者修補(bǔ)膠對(duì)底面進(jìn)行修補(bǔ)找平。安裝固定端錨具底座以及張拉端錨具底座，并擰緊螺母。

2.3.8 預(yù)應(yīng)力碳纖維板安裝。用高濃度酒精對(duì)碳纖維板需要涂膠的部位進(jìn)行擦洗并晾干，擦洗過程中注意不要損壞碳纖維板。在碳纖維板上涂抹碳纖維結(jié)構(gòu)膠，結(jié)構(gòu)膠應(yīng)涂抹均勻，且平均厚度不應(yīng)小于3mm。將涂好結(jié)構(gòu)膠的碳纖維板和錨具安裝到錨具底座上并擰緊螺母。

2.3.9 碳纖維板張拉作業(yè)。在對(duì)碳纖維板進(jìn)行張拉前先對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行預(yù)緊，使碳纖維板繃直，檢查碳纖維板的受力是否均勻。每片T梁兩側(cè)的碳纖維板應(yīng)同時(shí)對(duì)稱張拉，并分級(jí)（20%，40%，60%，80%，100%）進(jìn)行，張拉控制力為192kN，不得超張拉或少?gòu)埨?/p>

2.3.10 壓緊條安裝。張拉作業(yè)完成后，及時(shí)清理碳纖維板兩邊擠出的多余結(jié)構(gòu)膠，并及時(shí)安裝壓緊條。

2.3.11 預(yù)應(yīng)力碳纖維板防護(hù)。每片T梁預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工完成后，卸掉千斤頂、工具擋板等張拉工具，并清理現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)兩端的錨具部位用環(huán)氧砂漿進(jìn)行封錨防護(hù)，對(duì)碳纖維板表面涂抹防護(hù)膠進(jìn)行防護(hù)。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板橫向加固研究

3.1 工程概況

某空心板梁橋全長(zhǎng)1749m，建成于1994年12月。全橋共9跨，上部結(jié)構(gòu)：第1～8跨上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，第9跨上部結(jié)構(gòu)采用普通鋼筋混凝土梁板。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20級(jí)，掛車-100 級(jí)。下部結(jié)構(gòu)： 9#臺(tái)為 U形式臺(tái)，其余墩臺(tái)均為雙柱式、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面系：橋面鋪裝采用鋼筋混凝土。2017年9月本橋的技術(shù)狀況等級(jí)綜合評(píng)定為3類。主要病害有空心板板底縱向裂縫、空心板板底橫向裂縫、支座脫空、墩臺(tái)蓋梁水蝕等。

3.2 加固方案

針對(duì)本橋第1～9跨橋面的縱向裂縫和局部板底 的縱向裂縫，在梁板板底使用預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行橫向整體性補(bǔ)強(qiáng)加固。

經(jīng)過對(duì)橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固方案與橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板方案的比較，采用了施工更為快速的橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板新技術(shù)，且不對(duì)空心板梁進(jìn)行鑿孔作業(yè)，可以最大限度減小對(duì)橋梁的損害。全橋共設(shè)置了碳纖維板59條，每跨布置7道，對(duì)第9跨梁板板底橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力碳纖維板，布置3道。碳纖維板型號(hào)為寬度100mm，厚度2mm。碳纖維板張拉采用單端分級(jí)張拉，采用張拉力和伸長(zhǎng)量雙控原則。張拉控制應(yīng)力為500MPa，張拉控制力為100kN。碳纖維板采用I級(jí)碳纖維板，強(qiáng)度為2400MPa。張拉完成后同樣在碳纖維板與梁體之間用結(jié)構(gòu)膠填充密實(shí)并用壓緊條固定牢固。

3.3 施工操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板的施工工藝主要包括施工準(zhǔn)備、梁體加固部位的表面處理、鉆孔植化學(xué)錨栓、安裝錨具支座、碳纖維板涂膠、預(yù)應(yīng)力碳纖維板的張拉和預(yù)應(yīng)力碳纖維板的防護(hù)等[3]。

3.3.1 施工前的準(zhǔn)備。施工前應(yīng)對(duì)混凝土的表層含水率及所處環(huán)境溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，確保適宜的施工條件。施工前應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙上給定的位置在橋梁的實(shí)際部位進(jìn)行放線。

3.3.2 梁體加固部位表面處理。首先清除梁體表面疏松部分，露出混凝土的基面，對(duì)與有裂縫和缺陷的部位應(yīng)先進(jìn)行修補(bǔ)處理，然后對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固部位的混凝土表面進(jìn)行打磨修整并吹掃干凈，然后使用高濃度酒精進(jìn)行擦洗并晾干。

3.3.3 鉆孔植化學(xué)錨栓。用鋼筋探測(cè)儀探出鋼筋位置并使用記號(hào)筆在梁體上標(biāo)出，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上要求的位置，確定需要打孔的部位，如果孔位與鋼筋沖突，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)將整體錨固體系微調(diào)，再進(jìn)行鉆孔。壓緊條一般按3m一道布置，具體是否加密根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定。

3.3.4 安裝錨具底座（錨固端、張拉端）。錨具底座根據(jù)圖紙要求進(jìn)行加工制作，錨固能力參考錨具效率系數(shù)確定。

錨固底座除了錨栓固定外，其與混凝土接觸面要求涂抹5mm厚結(jié)構(gòu)膠，安裝完畢后擰緊螺母，待結(jié)構(gòu)膠完全固化后進(jìn)行下一道工序。

3.3.5 張拉和粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板。首先將成品預(yù)應(yīng)力碳纖維板展開并固定于錨具底座上，隨后在張拉端安裝張拉連桿和工具擋板等工具。本工程中在其中四條碳纖維板上預(yù)先安裝應(yīng)變傳感器，檢測(cè)張拉過程中碳纖維板的應(yīng)變數(shù)值。安裝完畢后應(yīng)先進(jìn)行試張拉，檢查碳纖維板和錨固系統(tǒng)的工作狀況。正式張拉作業(yè)前在碳纖維板上均勻涂刷一層結(jié)構(gòu)膠，平均厚度不小于3mm。正式張拉作業(yè)時(shí)采用分級(jí)、對(duì)稱張拉的方法對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力，按照張拉力和伸長(zhǎng)量雙控原則，張拉順序?yàn)椋?0%～40%～60%～80%～100%，每級(jí)持荷5min，并隨時(shí)擰緊螺母。張拉控制應(yīng)力為500MPa，張拉控制力為100kN，每級(jí)張拉完成后應(yīng)及時(shí)鎖緊張拉連桿上的調(diào)節(jié)螺母。放張時(shí)瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失不得超過2%，最后安裝壓緊條，擰緊壓緊條的螺母，清除碳纖維板兩邊多余的結(jié)構(gòu)膠。張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板及安裝壓緊條做特應(yīng)在結(jié)構(gòu)膠凝固前完成。

3.3.6 錨固防護(hù)。張拉完畢后拆掉千斤頂、工具擋板等張拉部件，并切割掉多余長(zhǎng)度的張拉螺桿。對(duì)錨具端用防腐漆進(jìn)行防護(hù)，對(duì)碳纖維板表面涂抹防護(hù)膠進(jìn)行防護(hù)。

3.3.7 其他注意事項(xiàng)。首先，對(duì)于黏結(jié)膠的配制，應(yīng)按結(jié)構(gòu)膠供應(yīng)商提供的配比和工藝要求進(jìn)行調(diào)配，且應(yīng)有專人負(fù)責(zé)。調(diào)膠使用的工具應(yīng)為低速攪拌器，攪拌應(yīng)均勻按同一個(gè)方向攪拌，嚴(yán)格避免攪拌過程中氣泡的產(chǎn)生，并應(yīng)防止灰塵等雜質(zhì)混入。其次，千斤頂?shù)牧砍虘?yīng)不小于1.5倍張拉控制力，張拉過程應(yīng)緩慢且勻速施加張拉力。同時(shí)在碳纖維板張拉過程中，要對(duì)張拉力和伸長(zhǎng)量進(jìn)行經(jīng)常性的校核，確保張拉施工完成后的碳纖維板實(shí)際張拉控制力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就采用體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固公路橋梁進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究，在某T梁橋抗彎加固工程對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板抗彎加固進(jìn)行了加固效果分析，基于某空心板梁橋橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板整體性加固工程實(shí)踐，分析了預(yù)應(yīng)力碳纖維板橫向加固的效果。實(shí)踐結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固舊橋后，跨中的最大撓度均有不同程度的減小，各片梁的跨中最大撓度分布更加均勻，一定程度上改善了荷載分布情況，進(jìn)而間接提高了橋梁整體承載能力。