預應力CFRP板加固混凝土組合箱梁施工技術

龍興燦，周傳林

預應力CFRP板加固混凝土組合箱梁施工技術

龍興燦，周傳林

(南京交通職業技術學院路橋與港航工程學院，江蘇南京 211188)

為了加固橋梁上部承重構件，改善橋梁承載能力，利用預應力CFRP板加固法，對汾灌高速新沭河大橋進行CFRP板加固設計，對施工工藝流程進行分析，并對施工準備、錨具安裝、加固部位涂刷底膠、張拉與粘貼預應力CFRP板的具體方法以及表面防護等作出詳細說明，以期為類似加固工程設計與施工提供借鑒與參考。

預應力CFRP板;加固;設計;施工

0 引言

傳統的橋梁上部結構加固方法有增大構件截面法、粘貼鋼板或碳纖維法、體外預應力法、改變結構體系法等，但這些方法都或多或少存在一些不足之處。對于既有結構的加固，應選取具備質量輕、強度大、施工方便快捷、耐腐蝕性和耐久性好等特點的材料［1-5］。

預應力碳纖維板加固法是近幾年新興的一種結構加固技術，它結合了普通粘貼碳纖維片材加固法和預應力加固法的優點，通過對碳纖維板施加預應力后粘貼到需加固構件的受拉面上，使其與加固構件共同受力，增加了結構的承載能力，減小了結構的變形，提高了構件的剛度，改善了構件的受力性能。碳纖維材料具備輕質高強、耐腐蝕、施工便利以及耐久性好等優點，因此與傳統加固方式相比有很大的優勢［6-9］。

本文以汾灌高速新沐河大橋CFRP板加固為例，介紹預應力CFRP板加固設計方案，闡述錨具安裝、張拉與粘貼CFRP板等施工工藝，為橋梁預應力CFRP板加固施工提供借鑒。

1 工程概況

新沭河大橋位于汾灌高速公路，上部結構為8 m×6 m×35 m裝配式部分預應力混凝土連續箱梁，先簡支后結構連續，原設計荷載為汽車-超20級、掛車-120，于2004年建成通車。

新沭河大橋自通車以來，隨著交通量、載重的增大，橋梁部分構件出現破損、缺損、裂縫等現象。通過檢測發現:各跨主梁均存在腹板豎向裂縫，有個別貫穿梁底的橫向裂縫，裂縫寬度為0.10 mm左右，主要分布在2L/5～3L/5(L為主梁長度);1片梁單側腹板一般有1～2條裂縫，最多4條，多片梁在同一位置都存在豎向裂縫;往年封閉裂縫之后，在其附近位置又出現此類裂縫。為防止病害蔓延而影響橋梁使用性能，最終采用組合箱梁底板預應力CFRP板進行加固。

2 預應力CFRP板加固設計

綜合考慮汾灌高速公路荷載情況，要求加固后新沭河大橋箱梁跨中的預應力增量達到公路-Ⅰ級的10%。經方案比選認為，預應力CFRP板對外觀影響小，防腐性能好，對梁體損害小，工藝簡單，且造價相對較低，因此決定采用預應力CFRP板加固梁體，主要加固設計如圖1所示。

圖1 CFRP板加固設計

(1)CFRP板布設。順橋向在組合箱梁底板張拉2條單層CFRP板，采用上海悍馬CFRP板，設計厚度為3.0 mm，寬度為50 mm。抗拉強度fpk不小于2 400 MPa，彈性模量E不小于160 GPa，斷裂伸長率不小于1.7%，極限承載力為420 kN，張拉控制應力為0.53fpk=1 277 MPa，張拉力為191.6 kN。CFRP板材料安全性能指標符合《公路橋梁加固設計規范》(JTG/T J22—2008)中板材高強度Ⅰ級的規定。

(2)錨固系統選擇。設計采用楔形平板錨具，綜合考慮機械自鎖、方便現場下料、錨固性能及加固效果等因素，選擇剛性自鎖式錨固系統，其端頭楔形片與CFRP板可在現場進行組裝，但需在混凝土表面開槽。

剛性自鎖式預應力CFRP板錨固系統可以安全地錨固張拉應力為1 500 MPa(CFRP板的抗拉強度不小于2 400 MPa，張拉控制應力為抗拉強度的0.53倍)的3.0～50 mm CFRP板。系統疲勞壽命為800萬次，3.0～50 mm碳板極限張拉試驗的破壞荷載為168 kN。

(3)錨栓連接。預應力CFRP板通過固定端和張拉端鋼構件與組合箱梁底面連接，固定端和張拉端鋼構件與混凝土梁采用高強螺栓連接，螺栓采用fisher品牌的RGM16×270 8．8級鍍鋅鋼螺栓，錨固深度為95 mm，注射膠采用RSB 16 mini。設計過程中對錨栓的抗剪強度進行驗算，設計剪力不得大于錨栓材料抗剪強度設計值的0.6倍。對錨固端和張拉端混凝土局部應力進行分析，確保混凝土不會開裂。

(4)在組合箱梁腹板一定高度順橋向粘貼鋼板，鋼板為Q235鋼，厚5 mm，寬200 mm。施工完畢后，在CFRP板外表面涂抹涂料作為防護。

3 施工工法

3．1 施工工藝流程

預應力CFRP板加固組合箱梁的主要施工工藝為:順橋向在組合箱梁底板通過液壓千斤頂張拉2條單層CFRP板，預應力CFRP板通過固定端和張拉端的錨固塊與組合箱梁底面連接，并在CFRP板與梁底接觸面用膠粘結［10-12］。錨固塊為Q235鋼，鋼構件表面采用整體鍍鋅防銹處理;固定端和張拉端錨固塊與梁體采用M16高強錨栓連接。錨固位置位于梁端約L/6處。施工完畢后，在CFRP板外表面涂抹涂料作為防護。施工工藝流程見圖2。

圖2 預應力CFRP板加固混凝土組合箱梁施工工藝流程

3．2 施工準備

施工前應對加固橋梁粘貼部位混凝土表層的含水率及所處環境溫度進行準確測量，確保適宜的施工條件(混凝土表層含水率不大于4%、環境溫度在5℃～40℃之間，若環境條件不能滿足施工要求，則應采取相應措施，達到要求后方可施工)。施工前應按設計圖紙在橋梁的加固部位放線并精確定位，確保錨固端與張拉端處于同一直線上［13］。

3．2．1 加固部位表面處理

(1)檢測被加固橋梁混凝土表面性能，清除構件表面疏松部分，直至露出混凝土結構層。如果有裂縫，應先對混凝土裂縫進行修補。用符合要求的修補材料對混凝土表層進行修復平整，并確保混凝土保護層厚度不小于20 mm［14-15］。

(2)若粘貼預應力CFRP板部位的混凝土表面堅實，則去除浮漿層和油污等雜質，并進行打磨平整，直至露出集料新面，如有段差或轉角，需要在修整成光滑曲面的同時兼顧平整度［16］。表面打磨后，先采用強力吹風機將表面粉塵清除，再采用清洗劑(丙酮)徹底清洗［17］。

3．2．2 預置錨栓

(1)按照設計圖紙大致確定錨具孔位，用鋼筋探測儀探出鋼筋位置，如果錨具孔位與鋼筋沖突，根據剛性自鎖式預應力CFRP板錨固系統可現場下料的特點，縱向整體微調鉆孔位置，然后再進行鉆孔。

(2)當預應力CFRP板的長度大于5 m時，每隔5 m布置限位卡板的植筋孔。

(3)清孔后使用植筋膠植入高強不銹鋼螺栓。

3．3 安裝錨具

錨具分為張拉端錨具和固定端錨具，材質為不銹鋼，其所能承受的錨固能力為預應力CFRP板設計抗拉值的1．5倍以上。

(1)在梁體錨固端、張拉端錨具位置進行刻槽，使錨固塊嵌入混凝土一定的深度。刻槽深度應保證錨固塊楔形孔道上緣恰好略高于梁底表面，并保證剩余鋼筋保護層厚度不小于15 mm。錨具安裝見圖3、4。

圖3 張拉端錨具安裝平面

圖4 錨固端錨具安裝立面

(2)開槽面宜采用結構膠進行整平處理，錨固塊上表面與開槽面之間應涂黃油加以潤滑。

(3)待植筋膠固化達到設計強度后，用螺母將錨具固定在預先植入的高強不銹鋼螺栓上。

3．4 加固部位涂刷底膠

在粘貼預應力CFRP板的混凝土表面涂刷底膠。底膠應用滾筒刷或特制的刷子均勻涂布于充分清理后的混凝土表面，涂刷層要避免出現氣泡，調好的底膠應在規定的時間內用完。當指觸干燥后方可進入下一工序［18-20］。

3．5 張拉與粘貼預應力CFRP板

3．5．1 安裝 CFRP 板

(1)按現場調整后的尺寸要求裁剪CFRP板。

(2)將CFRP板要粘貼的一面用丙酮(酒精)擦拭干凈，同時用干凈的布條將楔形孔道及楔形鋼夾片清理干凈。

(3)CFRP板穿過錨固塊楔形孔道，露出約3 cm，裝上錨固塊的上、下楔形鋼夾片，楔形鋼夾片與楔形孔道接觸面需采用黃油進行潤滑。然后用錘子對錨固塊的上、下楔形鋼夾片來回敲擊，直至嵌入錨固體，露出長度不超過0．5 cm，完成對CFRP板錨固塊內的固定。最終固定狀態應保證上、下楔形鋼夾片嚴格齊平，楔形鋼夾片與CFRP板位于楔形孔道居中位置。用同樣的方法將CFRP板的另一端固定于張拉端錨固塊內。

(4)用套筒將張拉螺桿與連接螺桿連接，并安裝反力鋼板。在反力鋼板與錨固塊之間放入千斤頂和壓力傳感器。

(5)根據需要可在CFRP板上安裝應變傳感器測量張拉過程中CFRP板的應變變化，傳感器的量程需滿足最大應變值的要求。

3．5．2 試張拉與涂膠

(1)進行試張拉以檢查CFRP板和錨固系統的工作狀況，同時可減小夾片與CFRP板之間的間隙和放張預應力損失。采用分級張拉的方法對CFRP板施加預應力，張拉順序依次為:張拉力的10%、張拉力的20%、張拉力的50%、張拉力的75%、張拉力的100%，持荷5 min。

張拉過程中張拉力以壓力傳感器讀數為準，測量各級張拉對應的CFRP板伸長量和應變，并檢查錨固系統是否出現異常。錨固系統如無異常，則逐步釋放千斤頂，完成試張拉［21］。

(2)在CFRP板上表面均勻涂刷一層調配好的黏結膠，膠層中間厚兩邊薄，平均厚度為2.5～3 mm。

3．5．3 正式張拉

(1)張拉順序依次為:張拉力的10%、張拉力的20%、張拉力的50%、張拉力的75%、張拉力的100%、張拉力的105%，持荷5 min錨固，張拉如圖5所示。

圖5 張拉

(2)每級張拉結束后應停留2 min，當預應力達到張拉力的105%后，應持荷5 min，穩定后將張拉桿螺母擰緊(擰緊程度與預應力放張的短期損失密切相關)，測量各級張拉對應的CFRP板伸長量、應變及混凝土應變，并檢查錨固系統是否出現異常。

(3)如錨固系統無異常，則可將千斤頂緩慢回缸，卸載后移走千斤頂。放張時瞬時預應力損失不得超過2%。在張拉過程中，嚴禁在張拉端的前端站人，確保施工安全。

(4)在CFRP板張拉的過程中，要對CFRP板的張拉力和伸長量進行監測，確保安裝完成后CFRP板張力達到設計值。

3．6 表面防護

(1)安裝限位卡板，清除兩側邊溢出的黏結膠。CFRP板與混凝土之間如果存在脫空和空洞，用調配好的黏結膠對脫空和空洞的部分補充涂膠。

(2)預應力CFRP板與混凝土表面的黏結層厚度不宜大于2．0 mm。張拉、粘貼預應力CFRP板及安裝限位卡板應在黏結膠初凝之前完成。

(3)黏結膠初凝后，在CFRP板的表面涂抹一層紫外線防護膠黏劑對CFRP板進行防護，厚度不宜大于5 mm，保證防護材料與CFRP板之間黏結可靠。

4 結語

(1)汾灌高速公路新沭河大橋組合箱梁的預應力CFRP板加固設計是在箱梁底面順橋向布置2條預應力CFRP板，選用剛性自鎖式錨固系統，用高強錨栓進行連接。

(2)預應力CFRP板的施工工藝流程依次為:放樣、加固部位表面處理、鉆孔植筋、安裝錨固塊、加固部位涂刷底膠、張拉和粘貼預應力CFRP板、錨固CFRP板、表面防護。

(3)在自錨式錨具安裝完畢后，先進行試張拉，然后正式張拉，張拉順序應按要求進行，正式張拉時應控制張拉力與伸長量。

該橋的預應力CFRP板加固設計與施工方法可為類似工程提供借鑒和參考。

［1］ 黃竟強，李東彬，趙基達，等．預應力碳纖維板錨具試驗研究［J］．施工技術，2010，39(2):96-98．

［2］ 鄧朗妮，燕柳斌，陳 華，等．預應力CFRP板夾片式錨具的研制與試驗研究［J］．建筑技術，2009，40(11):1043-1045．

［3］ 梅力彪．預應力碳纖維板加固混凝土梁的試驗研究［D］．廣州:廣州大學，2006．

［4］ 陳鵬飛，楊勇新，姚 勇，等．預應力碳纖維板加固混凝土梁施工技術［J］．施工技術，2016，45(4):100-102．

［5］ 陳 華，黃裕勇，王鵬凱．預應力碳纖維板加固混凝土梁可靠度的研究［J］．廣西科技大學學報，2017，28(2):94-98．［6］ 龔黎明．預應力碳纖維板加固混凝土梁的協同受力性能研究［D］．重慶:重慶交通大學，2014．

［7］ 潘 勇，王 冠，趙 飛，等．剛性自鎖式預應力CFRP板加固RC 梁抗彎性能試驗研究［J］．世界橋梁，2016，44(3):83-88．

［8］ 邵佳妮．預應力CFRP板加固梁橋的效果監測與研究［D］．南京:東南大學，2016．

［9］ 都洋東．高預應力CFRP板加固混凝土T梁的試驗與數值分析［D］．重慶:重慶交通大學，2015．

［10］ 韓 博．預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土箱梁的界面應力研究［D］．蘭州:蘭州交通大學，2011．

［11］ 陳 華，張 鵬，鄧朗妮．預應力CFRP加固技術的研究及工程應用［J］．混凝土，2010(6):126-128．

［12］ 曾 磊．預應力CFRP板加固混凝土梁試驗與理論研究［D］．上海:同濟大學，2005．

［13］ 陳 波．多層預應力CFRP板加固混凝土梁協同受力性能研究［D］．重慶:重慶交通大學，2016．

［14］ 陳 華，鄧朗妮，康 侃，等．預應力CFRP板加固混凝土梁的抗裂性能［J］．桂林理工大學學報，2013，33(1):65-68．

［15］ 李鳳瓊．混凝土橋梁施工中預應力CFRP板的應用［J］．科技與企業，2016(8):136-136．

［16］ 孟 濤，吳軍鵬，張運清．基于預應力CFRP板的混凝土橋梁加固技術［J］．山東交通科技，2016(3):54-55．

［17］ 薛偉辰，曾 磊，譚 園．預應力CFRP板加固混凝土梁設計理論研究［J］．建筑結構學報，2008，29(4):127-133．

［18］ 薛偉辰，曾 磊．預應力 CFRP板加固混凝土梁研究綜述［J］．工業建筑，2006，36(4):12-14．

［19］ 鄧 軍，黃培彥．預應力CFRP板加固鋼梁的承載力及預應力損失分析［J］．鐵道建筑，2007(10):4-7．

［20］ 王興國，張春生，王文華，等．預應力CFRP板加固混凝土橋梁研究與應用［J］．玻璃鋼/復合材料，2009(4):83-85．

［21］ 魯乃唯，劉 揚，彭 暉，等．預應力CFRP板加固混凝土梁橋的可靠度分析［J］．公路交通科技，2014，31(12):58-66．

Construction Technology of Concrete Composite Box Girders Strengthened with Prestressed CFRP Sheets

LONG Xing-can，ZHOU Chuan-lin
(School of Road，Bridge and Harbour Engineering，Nanjing Vocational Institute of Transport Technology，Nanjing 211188，Jiangsu，China)

In order to reinforce the upper supporting member of the bridge and improve the bearing capacity of the bridge，the method of reinforcement with prestressed CFRP sheets was carried out on the new Shuhe river bridge of the Fenguan expressway．Analysis of the construction process was conducted，and preparations for the construction，installation of the anchorage，applying primer to the reinforced parts，specific method of stretching and pasting prestressed CFRP sheets and surface protection were expounded so as to provide reference for similar reinforcement design and construction．

prestressed CFRP sheet;reinforcement;design;construction

U445．4

B

1000-033X(2017)10-0094-04

2017-03-01

江蘇省交通運輸科技項目(2014T15-2)

龍興燦(1972-)，男，貴州錦屏人，副教授，研究方向為橋梁檢測、評定、養護與加固。

［責任編輯:高 甜］