預(yù)應(yīng)力CFRP復(fù)合HPFL加固橋梁的工程應(yīng)用

周海波 陳迎春 廖 宏

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410114;2.湖南省宏尚土木工程檢測(cè)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410208)

0 引言

傳統(tǒng)的混凝土橋梁加固方法有粘貼碳纖維片材法、粘鋼加固法、改變結(jié)構(gòu)受力體系法、增加截面加固法等，但這些方法缺點(diǎn)都比較明顯:普通粘貼碳纖維片材加固因局部粘結(jié)應(yīng)力過(guò)大以及結(jié)構(gòu)表面不平整產(chǎn)生的法向力，易導(dǎo)致剝離破壞［1］;粘鋼法一般不適用于直接承受動(dòng)力荷載作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件［2］;改變結(jié)構(gòu)受力體系法和增大截面加固法加固后使用空間受到較大影響。近年來(lái)，涌現(xiàn)出了一些新的加固方法，如預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法及高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法等。這些新方法與傳統(tǒng)加固方法相比，有節(jié)約材料、節(jié)省工程造價(jià)、施工便捷等多方面優(yōu)勢(shì)。盡管這些新的加固技術(shù)優(yōu)勢(shì)較大，但每種方法都有自身的特點(diǎn)和適用范圍，某種單一的加固方法往往不能完全滿足實(shí)際工程的需要，有時(shí)需要一種甚至幾種加固方法的復(fù)合運(yùn)用，才能獲得安全可行和經(jīng)濟(jì)適用的效果。筆者通過(guò)選擇以預(yù)應(yīng)力CFRP復(fù)合HPFL加固技術(shù)為主，增大截面加固法和改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法為輔的加固方法，成功的對(duì)某橋梁進(jìn)行了加固改造，充分的發(fā)揮了這4種方法優(yōu)勢(shì)。

1 加固新方法

1.1 預(yù)應(yīng)力CFRP板加固法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法通過(guò)碳纖維板的預(yù)應(yīng)力張拉和可靠的機(jī)械式錨固，可使碳纖維板在承擔(dān)結(jié)構(gòu)傳遞的荷載應(yīng)力之前就已經(jīng)處于較高應(yīng)力水平，預(yù)先發(fā)揮了一定的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了其高強(qiáng)性能的較充分利用，可提高橋梁結(jié)構(gòu)承載力，又可顯著減小結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)剛度［3］。與普通粘貼碳纖維技術(shù)相比，可大大減少材料用量，降低工程造價(jià)，同時(shí)改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，減小結(jié)構(gòu)變形，是對(duì)傳統(tǒng)的粘貼碳纖維片材加固技術(shù)的重大改進(jìn)［4］;與粘鋼加固法和改變結(jié)構(gòu)受力體系法相比，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)適宜直接承受動(dòng)力荷載的作用，且不會(huì)使結(jié)構(gòu)物自重和尺寸增加。

1.2 HPFL 加固法

高性能復(fù)合水泥砂漿，是一種以硅酸鹽水泥和高性能混凝土礦物摻合料為主要成分，同時(shí)摻有混凝土外加劑和少量有機(jī)纖維，加水和砂拌合而成的具有良好工作度和良好性能的砂漿。該砂漿硬化養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)后，具有高強(qiáng)度、低收縮、高抗裂性、密實(shí)性好的特點(diǎn)，并與原構(gòu)件混凝土表面有較高的粘結(jié)強(qiáng)度［5］。鋼筋網(wǎng)作為增強(qiáng)材料，其作用是提高結(jié)構(gòu)的承載力，復(fù)合砂漿起找平、保護(hù)和錨固的作用。高性能復(fù)合水泥砂漿鋼筋網(wǎng)薄層加固混凝土結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件形狀、結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)。

2 工程案例

2.1 工程概況

本橋梁位于湖南湘潭縣，竣工時(shí)間為1965年8月，全長(zhǎng)19.5 m。上部結(jié)構(gòu)形式:3 m×6.5 m預(yù)制實(shí)心板梁橋;下部橋墩結(jié)構(gòu)采用排架墩;橋面鋪裝采用瀝青表面處置。橋墩基礎(chǔ)類型為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，全橋無(wú)伸縮縫。橋梁分類為小橋;橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為:汽車—15級(jí)/掛車—80;公路技術(shù)等級(jí)為二級(jí)公路。

2.2 主要病害情況

由于此橋已服役47年，接近其設(shè)計(jì)壽命50年。橋梁墩柱、蓋梁、梁板出現(xiàn)多處裂縫，混凝土表面風(fēng)化，鋼筋外露，銹蝕嚴(yán)重，0號(hào)、3號(hào)墩蓋梁上部牛腿受壓區(qū)混凝土普遍壓壞，橋面預(yù)制板中間跨兩側(cè)邊板發(fā)生較大側(cè)移滑動(dòng)，導(dǎo)致橋面鋪裝層出現(xiàn)很大裂縫。采用回彈法檢測(cè)梁板混凝土強(qiáng)度不足C25，結(jié)合檢測(cè)到的鋼筋分布等數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁進(jìn)行了承載能力計(jì)算，橋梁承載能力已經(jīng)不能滿足正常使用的要求。

2.3 加固方案

由于此橋主要承受動(dòng)力荷載，從安全性的角度考慮，梁板及墩柱、蓋梁不宜采用粘鋼加固法;梁板板底受拉應(yīng)力較大，新老混凝土結(jié)合面屬薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)施工技術(shù)要求較高，故亦不采用高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法加固梁板;從施工的可行性考慮，梁板不宜采用增大截面法、置換混凝土加固法、外包鋼加固法;結(jié)合委托方提出的工期、造價(jià)及盡量不中斷交通的要求，最終決定采用如下加固方案:

1)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁受力可靠、施工簡(jiǎn)單、工期短、可不中斷全幅交通、能充分利用原梁板的剩余承載力，因此采用此法加固梁板(見(jiàn)圖1)。經(jīng)過(guò)加固計(jì)算并結(jié)合橋梁的實(shí)際情況，決定在梁板底部粘貼1.2 mm×50 mm和1.2 mm×100 mm兩種規(guī)格的碳纖維板，以達(dá)到公路Ⅱ級(jí)荷載作用下的承載能力。兩種碳纖維板抗拉強(qiáng)度不小于2 400 MPa;彈性模量不小于1.6×105MPa;伸長(zhǎng)率不小于1.7%;設(shè)計(jì)張拉控制拉力分別為54 kN，108 kN;設(shè)計(jì)控制應(yīng)力900 MPa。

2)使用強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)易、造價(jià)低廉的高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法加固橋梁墩柱及蓋梁，此法可阻止鋼筋的繼續(xù)銹蝕和混凝土表面裂縫的發(fā)展，并能置換已嚴(yán)重風(fēng)化的表層混凝土，從而提高墩柱及蓋梁的承載力(見(jiàn)圖2)。采用改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法增設(shè)承臺(tái)，并采用系梁連接(見(jiàn)圖3，圖4)，0號(hào)，3號(hào)橋墩則將承臺(tái)與蓋梁連接進(jìn)行混凝土整體現(xiàn)澆。此法使兩根墩柱連成共同受力的整體，能增加墩柱的整體剛度。

3)為解決兩側(cè)邊板發(fā)生較大側(cè)移滑動(dòng)的問(wèn)題，首先將發(fā)生側(cè)移的邊梁卸下(原橋有8片梁板)，再與加厚的橋面鋪裝層一起采用混凝土整體現(xiàn)澆，同時(shí)將每邊邊梁向外側(cè)延伸1.5 m。通過(guò)增大截面加固法，梁板與橋面鋪裝層緊緊的鎖在一起，從而避免了兩側(cè)邊梁再次產(chǎn)生側(cè)移。

圖1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁板

圖2 HPFL加固墩柱、蓋梁

圖3 增設(shè)承臺(tái)

圖4 增設(shè)系梁

2.4 加固施工方案

橋梁施工采用半幅施工，半幅進(jìn)行交通管制通行。先封閉從湘潭市到湘潭縣方向右幅3 m寬橋面進(jìn)行施工，左橋幅5 m寬作為行車道，邊板頂端1 m寬度內(nèi)盡量不要行車。待右幅施工完畢后，右幅有4.5 m寬的橋面可供車輛通行，在橋面整體鋪裝完成之前，靠近右幅邊緣的1 m范圍內(nèi)也盡量不要行車。可以達(dá)到不中斷交通完成整座橋梁加固。右幅3 m施工工序(左橋幅5 m寬施工工序與右橋幅相同):1)清理現(xiàn)場(chǎng)堆積土方、垃圾、安排人員、材料、機(jī)械進(jìn)場(chǎng);2)先封閉從湘潭市到湘潭縣方向右幅3 m寬橋面，鑿除右幅橋面原鋪裝層，吊除跨邊預(yù)制混凝土梁，每跨1片，共3片;3)橋梁排架墩柱HPFL加固;4)在牛腿上表面鑿毛、植剪切銷釘同時(shí)進(jìn)行蓋梁、牛腿部分的HPFL U型加固;5)對(duì)預(yù)制板表面進(jìn)行清理、鑿毛，在預(yù)制板表面鉆孔、植剪切銷釘;6)對(duì)邊板的1 m寬度和橋面加寬的1.5 m現(xiàn)澆混凝土支模，綁扎板底鋼筋;7)在原牛腿處預(yù)留銷釘處與牛腿處的板底進(jìn)行鋼筋綁扎;8)綁扎預(yù)制板頂鋼筋網(wǎng)，與預(yù)制板剪切銷釘綁扎固定;9)綁扎鋪裝層最頂面鋼筋網(wǎng)，橋面兩層鋼筋網(wǎng)之間要保證距離，整體固定;10)在半幅內(nèi)側(cè)橫向鋼筋要留20 cm焊接長(zhǎng)度，與另半幅橋面橫向鋼筋進(jìn)行焊接;11)澆筑混凝土;12)等待混凝土產(chǎn)生強(qiáng)度期間，在預(yù)制板底;安裝預(yù)應(yīng)力碳纖維錨具，并為張拉機(jī)安裝定位做準(zhǔn)備;13)待混凝土產(chǎn)生強(qiáng)度后進(jìn)行碳纖維板張拉;14)碳纖維板張拉完成后解除封閉，開(kāi)啟半幅交通進(jìn)行另半幅施工;15)另半幅施工工序同上，橫向鋼筋與預(yù)留鋼筋進(jìn)行焊接;16)懸挑板下部模板支撐待整座橋梁加固完成后再進(jìn)行拆除。

3 結(jié)語(yǔ)

1)選擇以預(yù)應(yīng)力CFRP復(fù)合HPFL加固技術(shù)為主，增大截面加固法和改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法為輔的加固方法，對(duì)橋梁進(jìn)行了加固改造，充分發(fā)揮了這4種方法的優(yōu)點(diǎn)，滿足了業(yè)主對(duì)工期、造價(jià)、不中斷交通等方面的要求，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益可觀。2)橋梁自2012年9月加固完成以后，已使用一年。到目前為止，橋梁各部位均未出現(xiàn)新的裂縫，梁板未發(fā)生側(cè)移。由此證明，采用預(yù)應(yīng)力CFRP復(fù)合HPFL加固技術(shù)提高了橋梁的整體剛度，有效的抑制了裂縫的發(fā)展，加固效果是令人滿意的。

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