預應力碳纖維板在公路舊橋加固中的應用研究

張祥亮

山東省公路橋梁檢測中心有限公司 山東 東營 257091

引言

公路交通作為一種重要的交通方式在國民經濟中承擔著舉足輕重的作用，而我國現在已經在橋梁數量上已經躋身世界第一梯隊。若對既有橋梁進行拆除重建，則會給國家和社會帶來巨大資源浪費和經濟損失，所以對既有橋梁采用適當加固技術進行改造，延長橋梁的運營周期已迫在眉睫。

1 預應力碳纖維板加固原理及方法

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，并使使用階段的性能得到改善[1]。

預應力碳纖維板加固混凝土梁是一種新穎的結構加固方法，其施加預應力方式共分為：反拱法、先張法和后張法。其中反拱法僅適用于室內實驗室研究，在實際工程加固中操作較困難。采用這種方法獲得的預應力較小，無法準確地確定其數值，具有很大的局限性；先張法需要龐大的張拉臺座，這就限制了加固構件的長度，否則不易實現。故在工程實際應用上常采用后張法對碳纖維板施加預應力。后張法需要在梁上設置永久性錨具，碳纖維板以加固構件本身作為反力架進行預應力張拉，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件之間的黏結破壞，有效地防止加固梁的早期破壞，使得強度得到充分發揮，且適用性廣，對構件尺寸沒有特殊要求，同時該方法不需要使用張拉設備，更便于現場施工。

2 預應力碳纖維板抗彎加固研究

2.1 工程概況

某T梁橋為雙幅橋，雙向四車道，全寬28m。上部結構型式為27×30m裝配式預應力混凝土T梁，現澆鋪裝層，左幅右幅均橫向布置6片梁。下部結構型式為鉆孔灌注樁基礎，柱式墩，樁基U臺，橋梁于1993年12月竣工，設計荷載等級汽車-超20級。該橋屬于改擴建項目，按照盡量利用原有結構或構件的原則，結合既有橋梁技術狀況評定和承載能力評定結果，對既有橋梁進行加固改造，另外在既有橋梁進行雙側加寬擴建。

2.2 加固方案

綜合檢測評定承載力計算結果，預在T梁梁體馬蹄兩側粘貼預應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：在每片預應力混凝土梁體馬蹄兩側各粘貼一條預應力碳纖維板，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梁兩側同時進行碳纖維板張拉，張拉方式采用單端分級張拉，對張拉力和伸長量采取雙控原則。張拉控制應力為0.4fpk，（碳纖維板抗拉強度標準值為2400MPa，拉伸彈性模量為165GPa）張拉控制力為192kN。碳纖維板采用I級碳纖維板。張拉完成后在碳纖維板與梁體之間用結構膠填充密實并用壓緊條固定牢固。

2.3 預應力碳纖維板施工工藝

2.3.1 定位、放樣。首先用探測儀器確定梁體內的鋼筋的實際所在位置，并在梁體上用記號筆進行標注，以便準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應碳纖維板的順直，在梁上切割槽口，使得錨具底座安裝后與梁體 保持一個平面。根據固定端、張拉端錨具底座的尺寸，用電錘將放樣區域進行鑿平，并確保槽的深度 滿足設計要求。

2.3.3 鉆化學錨栓孔。為防止鉆孔碰到梁底板結構鋼筋，梁底打孔前，必須先探明鋼筋位置，以便進行避讓，打孔位置可根據實際進行適當調整。打孔時可先制作一個模板，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的孔洞，使用模板的孔洞用記號筆在梁體上標出孔洞的位置。根據梁體上標記的孔洞位置，用沖擊鉆在梁體上進行鉆孔作業，其中孔徑、孔深必須符合設計要求，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行鉆孔，保證化學螺栓能夠與錨具底座的孔匹配。鉆孔時如碰到結構鋼筋或鋼絞線，可根據實際情況進行適當偏移。鉆孔時應用沖擊鉆孔，以確保孔表面有足夠的粗糙度[2]。

2.3.4 清孔。首先對孔內的粉塵進行清掃，再用高壓風對孔洞進行吹洗，最后用高濃度的酒精徹底清洗孔道內部。干燥后應立即進行植栓作業，如不能馬上進行植栓，應采取措施對孔洞進行臨時封閉，防止雜塵、污物、油污或水分等進入孔中影響化學錨栓錨固的質量。

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

2.3.6 植化學錨栓。植栓時應先用高濃度酒精對孔洞進行擦洗，再進行植栓。在孔洞中先置入化學藥管，然后將錨栓單向旋轉插入，應保證錨栓達到設計深度，并注意錨栓與孔壁間的間隙保持均勻，確保錨栓垂直。在化學試劑完全固化之前不得對錨栓進行人為的擾動。

2.3.7 錨具底座的找平、安裝。在槽口內的混凝土底面涂抹聚合物砂漿或者修補膠對底面進行修補找平。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 預應力碳纖維板安裝。用高濃度酒精對碳纖維板需要涂膠的部位進行擦洗并晾干，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構膠，結構膠應涂抹均勻，且平均厚度不應小于3mm。將涂好結構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。在對碳纖維板進行張拉前先對預應力碳纖維板進行預緊，使碳纖維板繃直，檢查碳纖維板的受力是否均勻。每片T梁兩側的碳纖維板應同時對稱張拉，并分級（20%，40%，60%，80%，100%）進行，張拉控制力為192kN，不得超張拉或少張拉。

2.3.10 壓緊條安裝。張拉作業完成后，及時清理碳纖維板兩邊擠出的多余結構膠，并及時安裝壓緊條。

2.3.11 預應力碳纖維板防護。每片T梁預應力碳纖維板施工完成后，卸掉千斤頂、工具擋板等張拉工具，并清理現場。對兩端的錨具部位用環氧砂漿進行封錨防護，對碳纖維板表面涂抹防護膠進行防護。

3 預應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1749m，建成于1994年12月。全橋共9跨，上部結構：第1～8跨上部結構采用預應力混凝土空心板，第9跨上部結構采用普通鋼筋混凝土梁板。橋梁設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100 級。下部結構： 9#臺為 U形式臺，其余墩臺均為雙柱式、鉆孔灌注樁基礎。橋面系：橋面鋪裝采用鋼筋混凝土。2017年9月本橋的技術狀況等級綜合評定為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、墩臺蓋梁水蝕等。

3.2 加固方案

針對本橋第1～9跨橋面的縱向裂縫和局部板底 的縱向裂縫，在梁板板底使用預應力碳纖維板進行橫向整體性補強加固。

經過對橫向預應力鋼絞線加固方案與橫向預應力碳纖維板方案的比較，采用了施工更為快速的橫向預應力碳纖維板新技術，且不對空心板梁進行鑿孔作業，可以最大限度減小對橋梁的損害。全橋共設置了碳纖維板59條，每跨布置7道，對第9跨梁板板底橫向設置預應力碳纖維板，布置3道。碳纖維板型號為寬度100mm，厚度2mm。碳纖維板張拉采用單端分級張拉，采用張拉力和伸長量雙控原則。張拉控制應力為500MPa，張拉控制力為100kN。碳纖維板采用I級碳纖維板，強度為2400MPa。張拉完成后同樣在碳纖維板與梁體之間用結構膠填充密實并用壓緊條固定牢固。

3.3 施工操作要點及注意事項

橫向預應力碳纖維板的施工工藝主要包括施工準備、梁體加固部位的表面處理、鉆孔植化學錨栓、安裝錨具支座、碳纖維板涂膠、預應力碳纖維板的張拉和預應力碳纖維板的防護等[3]。

3.3.1 施工前的準備。施工前應對混凝土的表層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。施工前應按設計圖紙上給定的位置在橋梁的實際部位進行放線。

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，對與有裂縫和缺陷的部位應先進行修補處理，然后對預應力碳纖維板加固部位的混凝土表面進行打磨修整并吹掃干凈，然后使用高濃度酒精進行擦洗并晾干。

3.3.3 鉆孔植化學錨栓。用鋼筋探測儀探出鋼筋位置并使用記號筆在梁體上標出，根據設計圖紙上要求的位置，確定需要打孔的部位，如果孔位與鋼筋沖突，根據現場實際情況適當將整體錨固體系微調，再進行鉆孔。壓緊條一般按3m一道布置，具體是否加密根據設計圖紙確定。

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

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

3.3.5 張拉和粘貼預應力碳纖維板。首先將成品預應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先安裝應變傳感器，檢測張拉過程中碳纖維板的應變數值。安裝完畢后應先進行試張拉，檢查碳纖維板和錨固系統的工作狀況。正式張拉作業前在碳纖維板上均勻涂刷一層結構膠，平均厚度不小于3mm。正式張拉作業時采用分級、對稱張拉的方法對碳纖維板施加預應力，按照張拉力和伸長量雙控原則，張拉順序為：20%～40%～60%～80%～100%，每級持荷5min，并隨時擰緊螺母。張拉控制應力為500MPa，張拉控制力為100kN，每級張拉完成后應及時鎖緊張拉連桿上的調節螺母。放張時瞬時預應力損失不得超過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構膠。張拉預應力碳纖維板及安裝壓緊條做特應在結構膠凝固前完成。

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

3.3.7 其他注意事項。首先，對于黏結膠的配制，應按結構膠供應商提供的配比和工藝要求進行調配，且應有專人負責。調膠使用的工具應為低速攪拌器，攪拌應均勻按同一個方向攪拌，嚴格避免攪拌過程中氣泡的產生，并應防止灰塵等雜質混入。其次，千斤頂的量程應不小于1.5倍張拉控制力，張拉過程應緩慢且勻速施加張拉力。同時在碳纖維板張拉過程中，要對張拉力和伸長量進行經常性的校核，確保張拉施工完成后的碳纖維板實際張拉控制力達到設計要求。

4 結束語

本文就采用體外預應力碳纖維板加固公路橋梁進行了相關應用研究，在某T梁橋抗彎加固工程對預應力碳纖維板抗彎加固進行了加固效果分析，基于某空心板梁橋橫向預應力碳纖維板整體性加固工程實踐，分析了預應力碳纖維板橫向加固的效果。實踐結果表明，預應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，進而間接提高了橋梁整體承載能力。