帶損傷混凝土梁橋預應力碳纖維板加固的應用

袁月芳

（廣州市市政集團設計院有限公司，廣東 廣州 516000）

0 引言

我國現存大量20世紀五六十年代前建造的橋梁，已經到了使用壽命的中老時期。許多舊橋由于年久失修，原設計標準低，已不能滿足現行交通量與車載重量等要求，正逐漸成為病橋、危橋，因此需要加固維修，以滿足新時期交通運輸的要求。而且在大量新建的橋梁中，部分橋梁由于設計、施工或是材料的問題，不能滿足正常使用的要求，須進行補強加固。因此，對各種結構（構件）加固方法的可靠性、受力性能及施工工藝的研究，具有重要的理論和實際意義。

預應力碳纖維板加固技術是近幾年才展開研究的一項新型加固技術。它是將碳纖維片材進行張拉，再通過專用的粘結材料使張拉后的碳纖維與構件形成整體，從而使加固構件擁有良好的性能的加固方法。為了完善預應力碳纖維板材加固技術的現場施工工藝，評估預應力碳纖維加固的技術效果，推動該技術進入實用化領域，現以某背景橋進行預應力碳纖維板材加固橋梁結構技術的工程應用。

1 工程背景

背景橋梁位于連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140處，跨越當地河溝，橋梁分左、右幅。橋梁總長376 m，橋面總寬25 m（12 m×2+1 m），橋面橫縱坡結合排水。橋梁位于半徑R=760 m的平曲線上。該橋為新疆公路規劃勘察設計研究院設計，云南路橋股份有限公司施工。

橋面采用瀝青混凝土鋪裝層，混凝土防撞護欄。上部結構為9跨（4×40 m+5×40 m）預應力混凝土連續小箱梁，分兩聯，前4跨為第1聯，后5跨為第2聯。單幅橫向4片小箱梁，梁高2.0 m，采用先簡支后連續施工方法。下部結構為柱式墩、臺，鉆孔灌注樁基礎。橋梁采用板式橡膠支座。

設計汽車荷載等級：公路-Ⅰ級。設計地震加速度：0.3 g。設計洪水流量183 m3/s，設計流速5.89 m/s。

混凝土標號：主梁采用C50混凝土；橋墩墩身、蓋梁、系梁、擋塊采用C30混凝土；橋臺、承臺、臺帽、耳背墻采用C30混凝土；樁基礎采用C25混凝土。

2 橋梁病害狀況

2.1 橋面系病害及附屬設施情況（見表1）

表1 橋面系及附屬設施外觀檢測結果統計表

該橋瀝青混凝土橋面未見明顯病害；伸縮縫積土且混凝土保護帶開裂；防撞護欄蜂窩麻面、外露鋼筋銹蝕，固定螺栓缺失。附屬設施錐坡及防護工程多處局部塌陷。

2.2 上部結構病害情況

橋梁上部結構為預應力混凝土連續小箱梁，存在多處修補痕跡。底板鋼筋外露；腹板存在豎向裂縫；翼緣板根部產生縱向裂紋，且伴有滲水泛堿；翼緣板后澆段混凝土澆筑不密實，內有雜物填塞，空洞最深6.5 cm，鋼筋外露銹蝕，滲水泛堿；橫隔板澆筑不密實，骨料外露，上下錯位，施工縫處滲水泛堿；墩頂箱梁現澆段滲水泛堿、骨料外露；吊裝預留孔未封閉、滲水泛堿。詳見表2所列。

表2 上部結構外觀缺陷統計表

2.3 下部結構病害情況

橋梁采用板式橡膠支座，外觀未見明顯缺陷。橋墩蓋梁頂雜物堆積，蓋梁前側面水平裂縫1條，長 3.4 m，寬 0.26 mm，從蓋梁頂觀測裂縫開裂深度較小。詳見表3所列。

3 病害原因分析

根據《連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140橋試驗檢測報告》中的實驗結果,導致該橋病害的主要原因如下：

表3 下部結構外觀缺陷統計表

（1）預應力鋼束大部分布置于腹板，鋼束布置較密集，豎向間距為11 cm，如施工振搗不到位，粗骨料難以分布均勻，降低了混凝土的密實程度，是導致強度下降的原因之一。

（2）施工過程中質量控制不嚴，混凝土澆筑過快，水質較差、水灰比不合適、施工時拆模過早等因素，也是導致混凝土強度偏低并出現露筋、蜂窩麻面及空洞現象的重要原因。

（3）通過對比計算結果，可以得出腹板豎向開裂原因是由于部分位置保護層過小，混凝土收縮及施工質量等引起腹板裂縫的重要原因。

（4）濕接縫和橫隔板連接施工質量較差是橫向剛度偏弱的主要原因，混凝土強度偏低與會對橫向剛度有一定的影響。

綜上所述，主梁產生病害的主要原因是混凝土施工質量差、主梁混凝土強度不足等。

4 主要加固維修方法

4.1 方案一：主梁粘貼預應力碳纖維板加固（推薦方案）

4.1.1 主梁梁底采用有粘結預應力碳纖維板加固

根據《連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140某某橋試驗檢測報告》及其實驗結果,主梁混凝土強度不滿足設計強度要求，采用有粘結預應力碳纖維板加固法對主梁進行加固，來提高主梁強度，進而提高橋梁結構的承載能力。預應力碳纖維板施工采用：“鉸式錨及纖維復合材料預應力張拉方法”;碳纖維板用一級板，標準強度在2 400 MPa以上，單端張拉，錨下張拉控制應力為1 400 MPa，張拉力為98 kN，伸長量按0.85%計算，張拉時力和伸長量雙控誤差控制在6%以內。碳纖維板在張拉前應提前在粘貼面涂抹專用的碳纖維板粘結膠，待張拉完成后，利用卡板將其緊貼在梁底；若碳纖維板與梁底仍有脫空的區域，應及時用粘結膠填滿。除錨具兩端的卡板必須設置并采用配套高強螺栓錨固外，其余卡板可設置在碳纖維板距混凝土表面間隙大于3 cm處，采用配套普通螺栓錨固，且卡板間距不應大于10 m，宜沿碳纖維板均布。預應力錨具（包括卡板、錨栓等）宜采用經表面防腐處理的產品，錨具安裝好后應采用環氧基防護材料對防腐層磨損處進行涂抹封護，并可根據現場條件確定是否加裝專用配套防護罩；否則應采取專門的防腐及防護措施。每片主梁下加固三束，每跨加固24束，全橋總共加固216束。所采用的錨具為：波形齒夾具錨張拉錨固體系。在該項加固中，使用的施工錨具型號為BXM-20，其技術指標應符合《碳纖維板用波形齒夾具錨》（Q/NJKJ1-2010）的要求。

預應力碳纖維板施工應在該橋跨混凝土缺陷修補、養護完成后進行。施工預應力碳纖維板可采取先中跨后邊跨的施工原則：第一聯施工順序：第2跨→第3跨→第1跨→第4跨；第二聯施工順序：第7跨→第8跨→第6跨→第5跨→第9跨。各跨箱梁預應力碳纖維板施工順序為：3#梁→4#梁→2#梁→1#梁。

預應力碳纖維板加固施工工藝流程為：鉆孔、植筋→碳纖維板現場下料、兩端涂覆快速粘結膠并放入波形齒夾具錨，擰緊螺栓→安裝已有波形齒夾具錨的碳纖維板→安裝千斤頂、反力塊，進行預應力張拉→進行其余附屬工藝（如碳纖維板粘結、錨固區防護）。

有粘結預應力碳纖維板的加固，需要封閉交通8 d左右，其中包括：碳纖維板安裝1 d，粘結強度時間要求7 d。

預應力碳纖維板加固之主梁如圖1所示。預應力碳纖維板設計圖如圖2所示。

圖1 預應力碳纖維板加固之主梁圖

4.1.2 橫隔板聯系補強

橋梁每跨內有5道橫隔梁，包括兩道端橫隔梁和3道中橫隔梁，由于端橫隔梁剛度較大且無破損，該項工程僅對中間3道橫隔梁進行粘鋼補強，在每道中橫隔梁兩側和橫隔梁的底面粘貼6 mm鋼板。橫隔梁加固如圖3所示。

4.1.3 翼緣板橫向聯系補強

在箱梁翼緣板下緣粘貼碳纖維布，碳纖維布寬為1.11 m，長為9.8 m。

4.1.4 主梁腹板粘貼碳纖維布補強

根據《連霍國道主干線天水至定西高速公路K294+140某某橋試驗檢測報告》主梁腹板開裂嚴重，導致抗剪不足，該方案均采用粘貼碳纖維布加固法對主梁腹板進行加固，以提高主梁抗剪能力。所采用的Ⅰ型碳纖維布的尺寸為：160 m×30 cm，Ⅱ型碳纖維布的尺寸為：960 m×30 cm，規格均為：300 g/m，主梁兩端每測各粘貼18道此規格的碳纖維布，每兩片之間的相距 30 cm，兩側距梁端 50 cm。

碳纖維布套箍加固施工工藝流程為：被粘貼混凝土表面及鋼板表面處理→涂刷底層樹脂→找平修補→粘貼碳纖維布→質量檢查→表面保護。

圖2 預應力碳纖維板設計圖

圖3 橫隔梁粘鋼加固設計圖

4.1.5 裂縫修補

包括主梁裂縫及其他部位的裂縫修補，全橋裂縫總長度約為1 440 m。對裂縫寬度大于0.15 mm的裂縫注膠修補，對裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫，采用涂刷水泥漿封閉的方法修補。

4.1.6 蜂窩、麻面及混凝土破損修補

該方案中均需對主梁及其他部位的蜂窩、麻面及混凝土破損進行修補。對蜂窩、麻面等通過涂抹水泥漿抹平表面，以保持結構耐久性。對混凝土破損較嚴重的部位，用環氧樹脂混凝土修補，對混凝土破損較小的部位，用環氧樹脂砂漿修補。

4.2 方案二：主梁粘鋼加固

4.2.1 主梁梁底采用粘鋼加固

該方案采用梁底粘鋼加固。加固所采用的鋼板尺寸為：2 200 cm×90 cm，沿橋跨中心線每側按11 cm對稱布置，鋼板采用M12錨固螺栓錨固，沿橋縱向每隔1.0 m設置一排螺栓，每排設置兩個螺栓，沿橋橫向兩個螺栓相距60 cm對稱布置，所采用的鋼板規格為：Q235A型鋼板，厚6 mm。

4.2.2 橫向聯系加固和方案一相同

4.3 方案三：體外預應力法加固

增大箱梁腹板厚度（兩側各12 cm），在箱梁腹板外側面采用順橋向張拉體內預應力的方法進行處治。該方案中針對箱梁處治的同時，對梁間橫隔板采用粘貼鋼板法進行處治。

其他常規維修處治同方案一。

5 方案比選

該項工程設計綜合考慮安全性、經濟性、施工難易程度、施工周期、對外界影響等因素，推薦方案一：預應力碳纖維板加固法進行處治，方案比選情況如表4所列。

表4 方案比選表

從處治效果來看，各方案和相應的處治辦法在處治后，在設計荷載等級通行下橋梁的安全性都能得到保證。

從改善應力狀態方面來看，方案二和方案三都能有效地增加結構的應力儲備，并適當減小墩頂附近截面上緣的壓應力，同時耐久性方面效果都很好，對原結構也都能起到保護層的作用。但由于原橋預應力束大部分布置于腹板，且分布較密集，方案三需在腹板上大量植筋，需避開原橋鋼束布置，不僅施工難度較大，造價高，工期長，而且大量的植筋對原結構有一定的損傷。方案二，對結構自重的影響較大，同時對應力的儲備影響較小。采用方案一處治施工簡單，工期短，對原結構無損傷，此次推薦方案一：對主梁進行預應力碳纖維板加固。

6 結語

與傳統的非預應力碳纖維板材加固相比，預應力碳纖維板材加固技術有效地解決了碳纖維與鋼筋共同工作性能差的缺陷，較充分地利用了碳纖維的材料強度，克服了加固中存在的應變滯后問題。應用預應力碳纖維板加固技術，可顯著提高加固結構的抗裂性能及承載能力，減小結構變形，增加結構抗彎剛度，改善結構在使用階段內的工作性能。

該病害橋梁的成功加固表明：預應力碳纖維板材加固橋梁結構技術具有傳統的碳纖維板材加固技術及體外預應力無法比擬的優勢。可以有效地改善橋梁構件的受力性能。

在該課題的研究過程中研發出的預應力碳纖維板材的張拉機具和錨具、摸索出的施工工藝，非常適用于實際工程，也可大大提高施工的效率。