外部粘貼預應力碳纖維板技術(shù)加固橋梁結(jié)構(gòu)的工程應用分析

曹正川

（邢臺路橋建設總公司，河北 邢臺 054001）

1 試驗主要涉及的技術(shù)——碳纖維板加固

目前我國主要的建筑材料中，在氣候方面耐腐性能最突出的一種是碳纖維板材。現(xiàn)有研究得出的分析結(jié)果表明：弱堿、弱酸、長時間的日照以及凍融的長期循環(huán)等環(huán)境方面的因素對于碳纖維的耐老化性能以及力學性能的影響較小。彈性鋼材與碳纖維板的綜合性能比較如表1所示。

表1 碳纖維與彈性鋼材性能比較

在碳纖維板工作（作用環(huán)境規(guī)定為與構(gòu)建內(nèi)部鋼材協(xié)同進行工作）情況下，忽略鋼筋初始應變系數(shù)大小的情況下碳纖維發(fā)揮抗性強度的大小也僅為8.8%；而如果是在同等條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的建筑表面將會有極大的裂縫以及變形現(xiàn)象發(fā)生。

而預應力碳纖維板的加固技術(shù)則是指對碳纖維板的作用中施加了一定程度的預應力，這樣可以使得碳纖維板預先發(fā)揮出具有相當程度的硬度，從而達到對碳纖維板強度的有效利用。通過這種技術(shù)，一方面可以減少加固以及維護系統(tǒng)的成本，達到節(jié)省材料的目的；另一方面可以使結(jié)構(gòu)變形的作用減小，使得承載力增加時其結(jié)構(gòu)強度也可以得到一定的提升。本文對此項技術(shù)進行研究以及實驗，以此來進行試驗橋的結(jié)構(gòu)加固，并進行一定的應用分析、評估。

2 試驗橋梁情況及具體加固方案

試驗橋至今已工作40年，長度為49.5m，整體結(jié)構(gòu)分為2跨，其中一跨的長度為19.5m，每一跨是由t型主梁以及橋面的面板組成，其主梁主要材料為鋼筋混凝土，在t型梁之間，都假設了聯(lián)系較強的橫隔梁，其設定的荷載量為掛—80以及汽—15。存在的主要問題在于橋梁主體出現(xiàn)了許多的受力裂縫，橋梁本身的抗彎強度因時間長久而退化嚴重，橋梁出現(xiàn)了很明顯的變形現(xiàn)象。根據(jù)其承載能力的大小決定對其按照掛—100和汽—20的通行荷載標準來進行加固以及修復。

對試驗橋的承載能力進行的驗算，得出結(jié)論：主梁部分從中間到兩側(cè)的3.8m區(qū)域，其內(nèi)部的抗彎能力明顯不足，根據(jù)荷載試驗得出的結(jié)果表明：其抗彎能力與標準荷載力差距約為800kN／m。必須進行一定程度的加固以提高其抗彎能力。主要施工方法為在試驗橋主梁的中低部分以及梁肋距離梁底30cm處，都粘貼應力大小為1 000MP a和截取面積為140mm2的碳纖維板，加固主材料的碳纖維板以及膠粘劑的主要性能如表2所示。

表2 碳纖維板以及膠粘劑的主要性能

3 主要施工工藝

3.1 對混凝土的表面進行一定程度上的處理。為了使碳纖維板與橋梁接觸部分的粘貼性能較好，必須對混凝土表面進行一定程度的處理，首先就是詳細的外觀檢查，在此過程中，務必將風化程度較為嚴重的地方以及產(chǎn)生的裂縫處的異物以及阻礙物（木屑、多余混凝土）清理干凈，并且在空隙處涂抹一定量的環(huán)氧樹脂來填平縫隙，其次用直尺對其表面的平整程度進行檢查，如果縫隙過大或無法使用環(huán)氧樹脂的方式填平，就要采用整體結(jié)合性能突出的砂漿進行整平，最后為了保證混凝土和砂漿保證足夠的界面結(jié)合力，選擇在混凝土上埋置剪力集合器（規(guī)格：8mm），共2 100個，埋深的尺度為50mm。

3.2 在需要進行加固的梁體兩端分別安裝碳纖板錨具和張拉機具（見圖1），步驟如下：

a）首先在錨具的安裝位置切出一個比錨具底板部分稍深和稍大的方形槽；

b）其次在方形槽的底部螺絲的對應部分植入錨栓；

c）將環(huán)氧膠泥適量填入到方槽內(nèi)部；

d）在錨具的底板位置套入錨栓，并且安入到方孔中間，使結(jié)構(gòu)混凝土與表面達到一定的平整度。

圖1 碳纖板錨具的安裝示意圖

3.3 在預應力碳纖維板的粘貼面部分以及混凝土的表面均勻的涂抹上專用規(guī)格的膠粘劑（8mm規(guī)格），然后安裝碳纖維板到張拉機具以及錨具上并且進行固定。

3.4 張拉碳纖維板的設計初始應力如圖4a）所示。

3.5 在張拉機具的一方將碳纖板錨具進行固定，并且釋放出預應力，其次切斷碳纖板，主要內(nèi)容如圖4b）所示。

3.6 當溫度比膠粘劑的固化溫度低的時候，需要采用電輔助加熱設備對預應力碳纖維板加熱，以使得膠粘劑能夠正常固化。

3.7 將張拉機具進行拆除處理，并且對碳纖維板安裝的錨具進行一系列的防護處理。

4 荷載試驗

4.1 荷載試驗設計

需要對汽—20以及汽—15級分別進行荷載試驗。根據(jù)兩種不同級別的試驗結(jié)果進行比價，并且分別用來對加固效果以及承載性能進行評價。其中汽—15以及汽—20級別的對象采用如表5所示。

表3 汽-15以及汽-20級別的對象采用

4.2 測量手段、測點布置以及分析結(jié)果

在每一根主梁的中間位置粘貼標尺，同時將第二跨的10根主梁進行1～10的編號。

在荷載試驗的中采用了三種測量的手段：

a）通過高精度的水準儀對試驗橋的每個主梁在靜載作用中的變形進行觀測；

b）通過在跨中底部位置粘貼3mm×100mm規(guī)格的應變片測量其拉伸應變；

c）通過粘貼一些光纖光柵的方法，對跨中部位以及錨具部分的碳纖板應變力進行測量。

圖2描述了各主梁部分在預應力過程中的撓曲變形的情況。

圖2 張拉碳纖板時各部分主梁撓曲變形度

其中每一條曲線都代表了某根主梁受力時所產(chǎn)生的具體變形大小，朝上的是負值，朝下表示的是正值。

表4列出了各種型號的主梁在汽—20級別以及汽—15級別的荷載作用下產(chǎn)生的撓度，并給出了相應的反拱量。

表4 主梁中的跨中撓度 單位：mm

根據(jù)表4可以看出，當碳纖板對主梁施加一定的預應力之后，使得主梁有了一個較為明顯的反方向撓度。將預應力與汽—15級荷載作用中的主梁跨中撓度進行疊加，發(fā)現(xiàn)最大的變形為2.5mm，此現(xiàn)象在6＃梁發(fā)生。其次將預應力與汽—20級下的跨中主梁相疊加，其產(chǎn)生的最大的變形也僅僅是4.5mm，這一撓度與規(guī)范的限制相比也要小很多。表5以及表6分別表示了碳纖維板與底部混凝土的應變以及主梁底部的碳纖維板的應變。

表5 碳纖維板與底部混凝土的應變表

表6 主梁底部的碳纖維板的應變

根據(jù)表5及表6中的綜合數(shù)據(jù)來看，主梁在經(jīng)過了碳纖板的加固以后，試驗橋在汽—15級的荷載作用下，其底部的混凝土和碳纖維應變都小于加固之前的應變。另外，從設置在錨具部分的光纖光柵所顯示的結(jié)果看，汽—20級別的荷載作用下的錨具周圍的碳纖維應變極小，這表明了結(jié)構(gòu)和碳纖板之間的粘接很好，并且與混凝土的相互應變十分的協(xié)調(diào)。

[1]彭暉，尚守平，金勇俊，等.預應力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的試驗研究[J].工程力學，2008，25（5）：142-151.

[2]鄧朗妮，陳華，燕柳斌，等.側(cè)貼預應力CFRP板加固混凝土梁抗彎性能的試驗研究[J].中國鐵道科學，2010，31（5）：28-34.