預應力碳纖維板在準連續T 梁加固中的設計應用

許春春

(福建陸海工程勘察設計有限公司，福州 350000)

以鋼筋混凝土或預應力混凝土材料修建的各類橋梁占我國現役橋梁的絕大多數。由于材料老化，原規范設計活載標準低， 以及隨著交通量及重載交通逐年增加等原因，許多在役橋梁出現不同程度的缺陷及病害，耐久性和承載能力逐漸下降，橋梁評定的技術狀況等級逐漸降低，部分橋梁的技術狀況被評為四、五類，嚴重影響橋梁正常使用[1-2]。

傳統的加固方法大都屬于被動加固， 存在材料利用率低，施工較困難，工期較長，抗腐蝕性差和耐久性差等缺點。 使用預應力碳纖維板材加固橋梁技術是近年來在國內外快速發展的主動加固技術之一[3]。

預應力碳纖維板加固是將碳纖維板固定到構件需加固的位置， 通過對碳纖維板施加預應力使混凝土梁內產生一定的預壓應力， 進而使碳纖維這種高強的結構特性得以發揮，同時還緩解了應變滯后的現象，使結構產生更優的加固效果。產生的預壓應力，可以抵消結構自重以及部分荷載的作用，還可以減小結構原有裂縫，提高結構剛度，減小結構撓度，使結構承載能力盡可能大的提高，并使使用階段的性能得到改善[4]。

預應力碳纖維板與傳統粘貼碳纖維材料相比具有如下優勢：(1)材料利用率高，節省材料及降低造價；(2)對梁體施加預壓力，能夠有效限制梁體開裂；(3)梁體施加預應力后，可以提高梁體結構承載能力，增加梁體結構安全儲備；(4)施加預壓力后，能夠有效延緩鋼筋屈服，提高梁體極限承載能力[5]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某依托工程位于高速公路上，橋梁全長253 m，橋跨布置為(4×30 m+4×30 m)。 橋梁設計荷載：汽-超20，掛-120。 上部結構為預應力鋼筋混凝土準連續T 形梁，支座為板式橡膠圓形支座，橋面鋪裝為瀝青混凝土。起點臺為肋板臺配樁基礎，終點臺為U 臺擴大基礎，橋墩采用柱式墩。橋梁建成于2005 年10 月，橋梁平面、立面、斷面布置示意如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖示意(單位：cm)

1.2 主要病害

根據檢查評定報告及對該橋進行外觀檢查發現，橋梁主要病害為：左橋7-5#、7-4#、7-3#T 梁跨中約8 m 范圍均有馬蹄橫向裂縫、腹板豎向裂縫、斜向裂縫、U 形裂縫，裂縫寬度為0.1 mm～0.64 mm。 對裂縫進行深度測量，所測的13 較大條裂縫中，最大縫寬值達0.64 mm，裂縫深度大于30 mm(鋼筋保護層設計值)，最大深度達87 mm。

圖2 T 梁梁底橫向裂縫、U 形裂縫

1.3 原結構有限元分析

根據橋梁檢測報告病害情況，對本橋的第二聯4×30 m 進行結構建模分析，縱向計算主程序采用橋梁博士V4程序，按三維空間結構進行結構分析。結合結構構造特點及施工順序進行結構離散，上部結構共劃分135 個單元、分成5 個施工段。 原設計主梁為C40 混凝土，現澆A 類預應力混凝土構件。計算模型未考慮承載能力惡化、截面折減、鋼筋截面折減等系數。 分別模擬三種工況：原結構計算、預應力損失模型計算、預應力碳板加固計算，有限元模型見圖3。

圖3 4×30 m 準連續T 梁有限元模型

1.3.1 原結構計算

通過利用有限元計算軟件對原結構進行抗裂驗算和抗彎承載力驗算，計算結果詳見圖4～5。

圖4 原結構抗裂驗算

圖5 原結構抗彎承載力驗算

根據計算結果，原結構在短期荷載組合作用下，跨中截面下緣最大拉應力為-1.48 MPa，滿足A 類構件受力要求。

邊跨跨中內力為9393 kN·m， 抗彎承載能力為9733 kN·m， 邊跨安全系數為1.04。 中跨跨中內力為8338 kN·m，抗彎承載能力為8596 kN·m，中跨安全系數為1.03，均滿足規范要求，但抗彎承載能力安全儲備較小。

1.3.2 預應力損失模型試算

通過利用有限元計算軟件對原結構進行鋼束應力損失試算，計算結果詳見圖6～7。

圖6 預應力損失8%抗裂驗算

圖7 預應力損失8%抗彎承載力驗算

第7 跨鋼束8%預應力損失后，跨中8 m 范圍下緣應力超限，均不滿足規范要求，規范限制-1.68 MPa，下緣最大拉應力為-2.29 MPa。

邊跨跨中內力9336 kN·m，抗彎承載能力9733 kN·m，邊跨安全系數為1.04。 中跨跨中內力8414 kN·m，抗彎承載能力8582 kN·m，中跨安全系數為1.02，均滿足規范要求，但抗彎承載能力安全儲備較小。

1.4 病害成因分析

根據原結構有限元計算結果， 梁體的抗裂驗算及抗彎承載能力均滿足規范要求。結合檢測報告，橋墩、蓋梁、系梁、支座、鋪裝均無病害。 右橋結構與左橋相同，梁體均無病害。 根據預應力損失模型計算結果， 當第7跨預應力損失約達到張拉控制應力的8%時，跨中8 m范圍內下緣應力均超過限值，超限范圍與梁體裂縫分布范圍基本一致。

綜合以上分析， 原有梁體鋼束預應力損失是左橋第7 跨的7-3#、7-4#、7-5# 梁體產生梁體病害的主要原因。

2 預應力碳板加固方案

2.1 加固方案比選

常用橋梁加固方法主要有：增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維復合材料加固法、預應力碳纖維板加固法、裂縫修補法[6]。 其中裂縫修補、粘貼鋼板、粘貼碳纖維復合材料等加固法均屬于被動加固。 此類加固法的缺點：(1)粘貼鋼板、碳纖維材料僅能承擔部分活載產生的內力，對結構的整體內力改善不明顯；(2)增大截面需對梁體進行植筋，容易損傷梁體，施工養護周期較長。

常用的加固方法的對比分析如表1 所示。

表1 常用加固技術優、缺點對比

考慮本橋處于高速公路上，過往車輛多，要求加固措施應便于實施且施工周期短。 從處治效果，施工便捷性，施工工期及造價方面綜合對比， 最終采用預應力碳纖維板加固方法。

2.2 預應力碳板加固設計

第七跨7-3#～7-5# 梁片進行加固處治， 具體加固措施為：(1)對于縫寬＜0.15 mm 的裂縫，采用表面環氧封閉法處理；對于縫寬≥0.15 mm 的裂縫，采用壓力注膠封閉法處理。

(2)7-3#、7-4#、7-5#T 梁裂縫處理后， 施加預應力碳纖維板，馬蹄底面及側面各增設1 條10 cm×0.2 cm 預應力碳纖維板。

(3)腹板至翼板范圍粘貼碳纖維板。 加固設計如圖8～9 所示。

圖8 T 梁預應力碳板加固設計圖

圖9 預應力碳纖維板錨固設計圖

2.3 預應力碳纖維板設計要點

預應力碳纖維板設計的主要內容包括：(1) 預應力碳纖維板的選擇；(2)確定張拉控制應力；(3)預應力總損失估算。

2.3.1 預應力碳纖維板的選擇

碳纖維板常用規格為4 種：5 cm×1.4 mm；10 cm×1.4 mm；5 cm×2 mm；10 cm×2 mm。寬度為5 cm、10 cm 2 種，厚度為1.4 mm、2.0 mm 2 種。 碳纖維板材的型號根據板材的性能分為Ⅰ、Ⅱ兩級，具體性能指標詳見表2。

表2 碳纖維板主要力學性能指標

預應力碳纖維板的選擇應考慮梁體的截面形式及尺寸、張拉噸位、原結構預應力損失、經濟美觀等因素。

2.3.2 張拉控制應力

2.3.3 預應力總損失估算

不同預應力體系，預應力損失構成不同，預應力總損失主要包括：(1) 放張碳纖維板時錨固體系的變形損失；(2)預應力碳纖維應力松弛損失；(3)預應力碳板徐變引起的預應力的應力損失；(4) 溫度變化引起的應力損失。

在無實測資料的情況下， 預應力總損失的估算取值為張拉控制應力的10%～15%。

3 預應力碳纖維板加固后計算

3.1 預應力碳板加固后計算

依托工程采用預應力碳板加固后， 對其進行抗裂驗算及抗彎承載力驗算，計算結果詳見圖10～11。

圖10 加固后抗裂驗算

圖11 加固后抗彎承載力驗算

通過計算分析， 得出加固后第7 跨跨中截面下緣最大拉應力為-1.26 MPa，小于限值-1.68 MPa，滿足A 類構件受力要求。

第7 跨中內力為8488 kN·m， 抗彎承載能力為9733 kN·m，抗彎承載力最小安全系數為1.15，滿足規范要求。

3.2 加固前后對比

對第7 跨準連續T 梁采用預應力碳纖維板加固完后，對其跨中截面加固前后的應力、抗彎承載力及安全系數進行對比，對比結果見表3～4。 可以看出加固后橋梁的應力在規范限值范圍內，加固后抗彎承載力提高13.0%。

表3 第7 跨加固前后跨中應力對比

表4 第7 跨加固前后跨中承載力對比

依托工程采用預應力碳板加固后已經運營2 年，據定期檢查和觀測結果反饋，處治后的裂縫未開裂，未發現新增裂縫等其他梁體病害，處治效果良好。梁體采用預應力碳纖維板加固后如圖12 所示。

圖12 預應力碳板加固后梁體

4 結論

(1)預應力碳板加固能夠有效改善梁體應力，保證梁體應力滿足規范要求。

(2) 預應力碳板加固能夠提高梁體的抗彎承載能力，增加梁體的承載能力安全儲備。

(3) 預應力碳纖維板橋梁加固技術具有主動加固，施工方便，工期較短，不中斷交通，加固效果好等優點，其在依托工程上的成功應用說明此加固方法值得在國內同類工程項目上推廣應用。