預應力碳纖維板加固預應力空心板梁橋施工技術

晏勇

摘要 文章以龍云橋建設工程項目為例，對預應力碳纖維板加固技術進行了全面分析，預應力碳纖維板加固技術就是通過在梁體設置碳纖維板，施加預應力筋提高梁體承載力的一種施工技術，提出了預應力碳纖維板加固技術施工工藝及關鍵要點，總結了加固施工中的質量控制措施。該工程實踐表明，預應力碳纖維板加固施工技術方法有效，施工周期短，能有效發揮預應力碳纖維板抗拉能力，對橋梁的病害能夠起到徹底、有效處置的加固作用，能對梁板進行極大的結構補強，減少和封閉裂縫，提高橋梁的承載能力和耐久性，延長使用壽命。

關鍵詞 預應力碳纖維板加固技術；加固梁橋；施工技術

中圖分類號 U445.72文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0093-04

0 引言

在橋梁的使用過程中，環境的侵蝕、材料的自然老化、腐蝕、車輛載荷的增加及車流量的增大，在一定程度上加劇了橋梁結構的損耗。因此，隨著時間的流逝，橋梁會出現各種各樣的結構缺陷和病害，使其無法滿足使用功能要求，只能采取限重、限速等措施，嚴重者甚至不得不通過禁止通行來保證安全。因此，如何采取有效的加固措施來恢復甚至提高這些橋梁的承載能力，延長結構的壽命周期，如何在降低對橋梁使用影響的情況下進行加固，是目前橋梁加固中亟待解決的一大問題。

1 公路橋梁加固技術方法簡要概述

公路橋梁結構的加固改造技術不僅能提高橋梁結構的耐久性和橋梁使用壽命周期，更能起到對橋梁結構補強加固和節約造價的作用。

橋梁結構常用的加固方法包括增大截面加固法、粘貼鋼板（或包鋼）加固法、粘貼纖維片材加固法、簡支變連續加固法、增設支點加固法、增設輔助結構加固法、體外預應力加固法等。

各種加固方法可以分為兩類，即主動加固技術與被動加固技術，粘貼鋼板法或粘貼纖維復合材料法的加固方式均屬于被動加固技術，預應力碳纖維板加固技術屬于主動加固技術，是一種新型的碳纖維加固技術。

與直接粘貼碳纖維加固等被動加固方法相比，預應力碳纖維板加固技術是在不卸荷、不阻斷交通情況下進行加固施工，充分利用碳纖維復合材料輕質、高強、高彈材料特性，通過在梁體設置碳纖維復合板，利用兩端錨具的有效夾持向碳纖維板施加預應力，抑制構件的變形和裂縫的發展。

預應力碳纖維板加固技術還具有碳纖維板的強度利用率高、對結構損傷小、施工簡便、加固效果好等優勢。

2 工程概況

龍云橋位于 S101 線（橋梁編碼：S101511323L0020），道路等級為三級，建成時間為 2004年，橋梁橋全長138 m，上部結構為6×20 m預制預應力空心板，由4片中板和2片邊板組成，中板寬1.49 m，邊板寬1.745 m，與路線正交90 °，橋梁橫向布置為0.5 m（護欄）+8.5 m（行車道）+0.5 m（護欄）=9.5 m。

隨著當地經濟的發展，交通壓力增大，通行的重型車輛增多，該橋上部結構梁板構件出現了不同程度的損傷和橋梁病害，2008年汶川大地震后進行了局部加固維修，主要整治措施為對南部側3跨梁底貼碳纖維布、對梁板局部裂縫采用環氧砂漿進行修補。2022年對該橋梁定期檢測，檢測結果表明梁板底面混凝土剝落、梁板銹蝕露筋、開裂、下撓變形等部分病害發展加劇，嚴重影響橋梁結構使用功能和橋梁結構，經檢測結構分析計算，評定該橋總體技術狀況評分為58.98，評定等級為四類，即較差狀態，橋梁承載能力不能滿足公路—Ⅱ級荷載使用要求，橋梁存在較大結構安全隱患，要對該橋進行加固整治。

3 預應力碳纖維板加固技術方案

為確保梁橋結構和運營安全，增強結構強度和梁板承載力，梁板加固整治采用預應力碳纖維板加固技術方案，通過對每跨每片梁底各布置2片預應力碳纖維板錨固體系進行承載力加固，碳纖維板尺寸規格為16 300 mm（長）×100 mm（寬）×1.4 mm（厚），梁板預應力碳纖維板加固[1]布置如圖1所示。

預應力碳纖維板錨固體系（如圖2所示）主要由錨具（兩端）、碳纖維板、專用環氧膠及張拉裝置等組成，碳纖維板錨具由固定端錨具、張拉端錨具組成[2]。

4 預應力碳纖維板加固施工工藝流程

預應力碳纖維板加固施工工藝流程如圖3所示。

5 施工技術要點

5.1 施工準備

（1）預應力碳纖維板加固施工前，根據施工現場和被加固梁板構件混凝土的實際情況，按照設計圖紙，制定施工組織實施方案和施工[3]進度安排，做好施工前的準備工作。

（2）施工作業平臺采用安全可靠的橋梁檢測車。

（3）在粘貼碳纖維板加固施工前，要對原橋梁混凝土結構表面的裂縫等病害進行修補，裂縫通過壓力灌漿的方法處置，使之快速封閉。修補完畢后，對待加固的混凝土構件表面進行全面清理，對混凝土表面出現的剝落、蜂窩、腐蝕等病害應予鑿除，鑿掉混凝土表面脆化疏松層，露出堅實的骨料新面。為保障碳纖維板與原梁板底面預留的設計間隙，確保張拉時碳纖維板能夠平直均衡位移，要對原梁板混凝土凸面進行打磨、凹面采用環氧材料等修補方法。

5.2 施工測量放樣

（1）根據設計圖尺寸，由測量工程師用測量儀器完成施工放樣、定位。

（2）用鋼筋位置探測儀，標注出原梁板鋼筋平面位置，根據錨具尺寸定出錨具安裝中心線和錨具安裝平面位置，用墨斗彈出碳纖維板中心線、錨具邊線、錨栓孔中心線、壓條板中心線等位置。

5.3 切割安放碳纖維板錨具槽

（1）根據碳纖維板設計長度，結合碳纖維板的張拉伸長量確定開槽平面位置，鑿除梁體表面混凝土，開槽深度符合設計和規范要求。開槽深度為錨具鋼板厚度，同時應滿足《混凝土結構設計規范》9.7.1要求，以保證錨具表面與梁體表面位于同一水平面。

（2）用角磨機磨打磨原混凝土梁板表面浮漿，露出堅實新拌混凝土面，保證混凝土面平整、無突出的尖銳處，混凝土表面有較大剝落、蜂窩、腐蝕等缺陷時，應進行鑿除并進行找平修補處理，處理完畢后，用丙酮或酒精等清潔劑將混凝土表面的灰塵除凈，最后用2 m的直邊靠尺檢測，最大允許差為±3 mm。

（3）錨具端端后與梁段位置，錨具端端后預留的距離不得小于30 cm（從孔洞的中心量起）。

5.4 錨栓孔位置放樣

結合設計圖紙和現場實際情況，用墨線標出需鉆孔洞的位置。

5.5 鉆錨具錨栓孔和壓條板錨栓孔

鉆孔施工要盡量避開原梁板混凝土結構內已探明的鋼筋位置，防止對混凝土結構造成損傷，鉆孔施工結束后要對照設計圖紙，再次檢查錨栓孔徑尺寸、錨栓孔平面位置、錨栓孔深及錨栓數量是否符合設計規范要求。

5.6 錨栓孔清孔

成孔后，及時用清孔裝置清除錨栓孔內的灰塵和殘渣。

5.7 混凝土表面清理

打磨清理需粘貼碳纖維板部位的混凝土表面，在其表面涂抹混凝土專用環氧修補膠進行找平。

5.8 化學錨栓植入

植入前用工業用酒精等清潔劑擦拭錨栓孔壁、孔底，然后置入錨管，將化學錨栓單向旋轉插入至孔底，保證植入錨栓與孔壁間的間隙均勻，錨栓的位置和垂直度符合設計規范要求，保證螺桿的頂端與基面處于同一水平面。

5.9 固定端和張拉端錨具安裝

（1）安裝固定端和張拉端錨具、化學螺栓墊片、螺母等，并擰緊。

（2）將結構膠通過預留注射管注射到錨具螺栓與孔壁之間的間隙內，保證孔內結構膠液飽滿，且螺栓垂直于結構混凝土基面，在結構膠完成固化過程之前12 h內不得對錨桿進行擾動。

（3）發現錨具安裝螺栓孔因鉆孔偏差修整后與螺栓出現的間隙，或者錨具墊板調平后與結構構件混凝土間的較大空隙，要采用環氧修補膠材料修補。

（4）注射結構膠前必須測量施工溫度和結構構件露點溫度，施工溫度要大于結構構件露點溫度3 ℃以上，且結構構件基面含水率不超過4%。

（5）錨具安裝結束后，在螺母墊片內側抹上封邊膠并將螺母擰緊，或用早凝的無機封堵料整個將外露的螺桿、螺母、墊片包裹和封閉。

5.10 預應力碳纖維板安裝

（1）根據兩端錨具的位置、碳纖維板伸長量、工作長度、設計長度確定碳纖維板的下料長度，將預應力碳纖維板分別與固定端、張拉端錨具[4]相連接、固定，并旋緊。

（2）在結構構件基面表面涂抹一薄層底膠，待表面干燥后方可進行下一道工序碳纖維板施工。

（3）撕去碳纖維板需要涂抹結構膠面的保護層，施工中要采取措施保護碳纖維板板面完好無損。

（4）對需涂結構膠的面用干凈抹布和丙酮清潔劑進行清潔處理，注意保護碳纖維板板面完好無損。

（5）用抹灰刮刀在需涂結構膠的面涂抹碳纖維專用結構膠，施工要求是張拉端后面3 cm和固定端最后的8 cm不要涂抹結構膠。

（6）用手將涂有結構膠的碳纖維板板面輕壓貼于粘貼面位置，施工技術要求是粘貼面平直、無空腔。

5.11 張拉機具設備安裝

連接張拉端錨具，安裝已經標定校核的千斤頂、油管、油泵和壓力表等張拉機具設備并與之相連接，檢查確認后方可進行下道工序施工。

5.12 碳纖維板張拉施工

（1）待化學錨栓完全固化后，方可按設計和技術規范要求對碳纖維板進行張拉。

（2）在碳纖維板張拉施工前，必須確保張拉施工現場質量安全保障措施到位，并落實到責任人。

（3）每次施工結束后，千斤頂油缸回程前應及時擰緊張拉錨具端面的固定螺母。張拉施工時，非現場操作人員應遠離作業區，張拉操作施工人員要做好必要的安全防護和安全措施。

（4）同一片梁板碳纖維板采用單端對稱分級張拉進行，張拉控制力設計值為50 kN，按以下步驟進行：①在固定端和張拉端安裝并固定碳纖維板；②安裝已經標定校核后配套的千斤頂，安裝過程中要保證千斤頂中線與碳纖維板中線位于同一軸線，保證碳纖維板的軸線受力均勻可靠；③張拉設備連接安裝經檢查正確無誤后，先給碳纖維板施加8～10 kN的初張拉控制力，使碳纖維板繃直，然后停機再將油表讀數歸零，并再次檢查各結構部位是否滿足設計要求；④然后再分別以20%、50%的張拉力控制力張拉碳纖維板，量測千斤頂活塞伸長長度，記錄初始讀數；⑤碳纖維板張拉控制力施加到100%時，持荷5 min，量測千斤頂活塞伸長長度，記錄張拉終讀數，計算碳纖維板實際伸長值，張拉結束后擰緊螺帽，若發現伸長量值異常，則應立即停止張拉，檢查原因。

（5）為保證預應力張拉的安全性以及達到設計要求的效果，預應力碳纖維張拉采用張拉力與伸長量雙控制原則的方式進行。張拉時以張拉噸位為依據逐級張拉并記錄碳纖維相應伸長量，將實際伸長量與理論設計伸長量進行比較，其偏差不宜超過±6%。

（6）張拉結束后，將碳纖維板粘貼到梁上。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩壓實，使結構膠從兩邊擠出，保證密實無空洞，并及時清理兩邊擠出的多余結構膠。

5.13 壓條板安裝

壓條板按設計3～5 m設置一處，相鄰兩塊碳板的壓條板需縱向錯開50 cm布置。

5.14 錨固端保護

（1）張拉結束后，割掉過長的張拉桿。

（2）對錨具噴涂3 cm厚的聚合物砂漿進行封錨防護。

（3）對碳纖維板表面涂抹防護膠。

6 檢查驗收

張拉施工結束后用小錘敲擊每塊碳纖維板，根據敲擊聲音判斷，碳纖維板空鼓不得大于總面積的10%。

7 施工現場控制

（1）施工現場應整潔有序，并保持通風。

（2）加固梁板混凝土表面應潔凈、粗糙，無灰塵。

（3）應在5℃以上、相對濕度小于85%的環境溫度條件下進行施工。

（4）嚴禁雨雪天施工。

（5）碳纖維板安裝就位后，在張拉前要安裝壓條板，留1 cm空隙，暫不壓緊碳纖維板；張拉完畢后，將螺栓擰緊，再將壓條板壓緊碳纖維板。

（6）張拉完畢，檢測合格后，對錨具進行封錨防護，碳纖維板油漆涂裝。

（7）預應力碳纖維板加固施工，應在梁板裂縫修補及梁體破損、露筋、蜂窩麻面等病害整治完成后進行。

（8）梁底采用預應力碳纖維板進行預應力補強加固，若設計無特殊要求，張拉順序是梁體左右側對稱單端分級張拉，嚴禁沿梁體一邊順序張拉。

8 預應力碳纖維板加固施工質量控制

8.1 結構膠的質量控制

（1）預應力碳纖維板加固所需要的結構膠粘劑應一次全部到場。

（2）預應力碳纖維板加固結構膠進場時，應檢查結構膠的品種、級別、批號、包裝、出廠日期、產品合格證、出廠質量檢驗報告等是否符合設計和規范要求。

（3）結構膠粘劑等材料的各項指標性能要滿足預應力碳纖維板加固設計和規范要求。

（4）檢查結構膠粘劑的外觀質量，應無結塊、分層或者沉淀等現象。

（5）結構膠涂抹施工技術要求：結構膠呈突起狀、均勻、無漏涂抹，結構膠平均厚度大于2 mm。

8.2 碳纖維板的質量控制

（1）材料要求。碳纖維板材料各項力學性能指標滿足《橋梁結構用碳纖維片材》（JT/T 532—2004）、《結構加固修復用碳纖維片材》（JG/T 167—2016）、《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》（CECS146：2003）及《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367—2013）。

（2）碳纖維板按照設計用量進場到位。材料進場時，應對碳纖維板進行取樣，檢測下列重要性能和指標性能：①碳纖維板的抗拉強度、抗拉彈性模量和斷裂延伸率；②碳纖維板板材體積含量和厚度。

（3）檢查碳纖維板與配套的結構膠粘劑的適配性。

8.3 成品保護

外露鋼板按照有關設計及規范要求進行防腐處理，防腐等級為Sa2。

9 結語

在橋梁加固施工過程中，為達到設計加固效果和確保預應力碳纖維板加固的施工質量，要求現場作業人員掌握預應力碳纖維板加固的施工技術操作要點，制定切實有效的質量保障措施，加強施工過程質量控制，最大限度發揮出碳纖維板加固技術的優勢作用。由被動加固變為主動加固，切實解決應力滯后問題，充分發揮碳纖維的高強度特性，同時減小原構件裂縫及撓度，提高橋梁結構的承載力和耐久性。

參考文獻

[1]竇勇芝， 韋福堂， 甘科， 等. 預應力碳纖維板加固T梁橋施工技術[J]. 預應力技術， 2014（1）： 35-38.

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[3]張健. 碳纖維布加固技術在舊橋維修中的應用[J]. 交通標準化， 2008（14）： 50-52.

[4]王宇. 危橋改造工程中碳纖維板加固施工工藝研究[J]. 低溫建筑技術， 2022（11）： 148-151.