預應力碳纖維板在舊橋加固中的設計與應用

葉建仁（1.福州市公路局；2.福州路信公路設計有限公司，福州350002）

預應力碳纖維板在舊橋加固中的設計與應用

葉建仁1，2
（1.福州市公路局；2.福州路信公路設計有限公司，福州350002）

本文以鋼筋混凝土簡支T梁加固為實例，闡明了預應力碳纖維板加固技術及其張拉工藝，剖析了T梁加固設計方案，并對加固設計原理進行理論推導計算。在此基礎上，通過對加固后的橋梁進行長期監測試驗和應力損失進行分析可知，預應力碳纖維板在長期荷載作用下，預應力損失較小，這為同類加固工程提供參考。

舊橋加固預應力碳纖維板張拉工藝預應力損失

0 引言

隨著使用年限的增長，許多建國初期建造的橋梁由于標準提高、設計施工不當、荷載增加、材料老化、環境腐蝕、使用功能變更等眾多原因，面臨著或拆除重建或加固補強，若拆除重建，勢必會給國家和社會帶來很大的經濟負擔，但傳統的加固方法存在施工困難、工期較長、抗腐蝕性差、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加固技術之一，對碳纖維板材施加預應力，可以充分利用碳纖維板材的高強性能，同時還可以改善碳纖維板材與混凝土接觸處的界面黏結應力分布，進而延緩碳纖維剝離破壞。由于碳纖維板材抗拉強度高、耐腐蝕性強、設計方便、施工簡單高效等優點，使得預應力碳纖維板材加固鋼筋混凝土構件的研究近年來在國內外深受重視。

圖1 橋梁布置圖（單位：cm）

1 工程概況

1.1 工程簡介

某橋位于G104京福線上，橋面總寬23m，橋梁全長為109m，跨徑布置為（5×20）m，正交。橋面鋪裝為水泥砼，兩側設置鋼筋混凝土護欄。上構為鋼筋砼簡支T梁，下構為重力式橋臺，擴大基礎；柱式橋墩，樁基礎。本橋建成于1996年6月，橋梁布置如圖1所示。

1.2 病害情況

根據檢測單位提供的檢查評定報告，以及對該橋進行實地外觀檢查發現，主要病害有：（1）全橋各跨T梁跨中范圍腹板均發現較多豎向裂縫，T梁兩端腹板均發現較多斜向裂縫；全橋橫隔板普遍混凝土開裂，鋼板外露、銹蝕。（2）橋面鋪裝局部破損，全橋伸縮縫堵塞，橡膠條破損。（3）個別橋墩蓋梁露筋。

2 預應力碳纖維板加固計算分析

預應力碳纖維板加固新技術與傳統的橋梁加固技術相比，主要有如下技術優勢：（1）加固效果好傳統的加固方法屬于被動受力加固，預應力碳纖維板加固技術是變被動受力為主動受力加固，減少了加固材料的應力滯后，較充分地利用了加固材料強度。另外碳纖維板材材質較輕，基本不會增加橋梁自重，加固效果好；（2）施工方便由于碳纖維板材材質較輕，張拉機具和錨固裝置精巧，所以不需要大型機具，幾個人操作即可完成；（3）耐久性好碳纖維板材耐腐蝕性較好，故可長期使用；（4）綜合造價低與其他加固方法相比，該技術操作簡單方便，施工工期短，用料少，可節省資金投入，且后期維護工作量小。

2.1 基本假定

（1）構件彎曲變形符合平截面假定。

（2）受力鋼筋與混凝土之間以及碳纖維與混凝土之間沒有滑移，應力、應變連續。

（3）在極限狀態下，原結構受壓區邊緣混凝土的應變達到極限值，截面受壓區應力可以簡化為矩形計算，混凝土取抗壓強度設計值。

（4）橋梁加固時，考慮分階段受力，在新加材料與原結構（構件）未有效結合前，其恒載由原結構截面承擔，有效結合后的荷載（恒載、活載、附加載）由加固后的組合截面承擔。

（5）鋼筋被認為是理想彈塑性材料，不考慮其強化部分提高的強度，其應力-應變關系如公式（1）。

式中，σs為鋼筋應力；Es為鋼筋彈性模量；εs為鋼筋應變；fy為鋼筋屈服強度。

（6）碳纖維板在張拉階段被認為是完全彈性材料，其應力-應變關系如公式（2）。

式中，σf為碳纖維板應力；Ef為碳維板拉伸彈性模量；εf為碳纖維板應變。

2.2 加固設計原理

預應力碳纖維板加固梁正截面基本為矩形、T形或Ⅰ形，在加固計算時可以簡化為矩形截面計算，其加固正截面如圖2所示。

在對加固梁橋結構抗彎承載力計算時根據梁截面形狀和中性軸的位置分2種情況考慮。

圖2 預應力碳纖維板加固正截面

圖3 正截面抗彎承載力計算圖示（x≤hf′）

（2）T形或Ⅰ形截面且中性軸位于截面腹板內（x＞hf′），其正截面抗彎承載力計算圖示如圖4所示。

依據公式（1）和（2）計算：

圖4 正截面抗彎承載力計算圖示（x＞hf′）

依據公式（5）和（6）計算：

式中，γ0為橋梁結構重要性系數；Md為計算截面彎矩組合設計值；fpy為預應力碳纖維板抗拉強度設計值；Ap為碳纖維板面積；fpdi和Api分別為原梁體內預應力筋的抗拉強度設計值和截面面積；As和As′分別為原梁體內縱向受拉和受壓普通鋼筋的截面面積；fsd為原梁體內縱向受拉普通鋼筋的抗拉強度設計值；fcd為混凝土的抗壓強度設計值；bf′為受壓翼板的有效寬度；b為矩形截面寬度或T形截面腹板寬度；hf′為受壓翼板的厚度；h0為體外預應力碳纖維板和原梁鋼筋（普通和體內預應力筋）的合力點到梁頂面距離。

2.3 加固后截面受壓區高度驗算

為確保加固后的混凝土梁仍為塑性破壞，以上公式中的截面受壓區高度應滿足公式（7）。

式中，hs，hp分別為原梁中普通鋼筋和預應力鋼筋的合力作用點至梁頂面距離；as′為受壓區普通鋼筋的合力點至受壓邊緣距離；ξb為原預應力混凝土梁的相對界限受壓區高度。

其中x由公式（8）求出。

式中，a1為系數，混凝土強度≤C50時取1.0；M為碳纖維板加固后截面抗彎承載力，等于加固前實測截面抗彎承載力加上預應力碳纖維板提供的截面承載力。

3 預應力碳纖維板加固技術工程應用

3.1 加固設計方案

根據以上主要病害情況，該橋的主要加固方案為：在對T梁出現的裂縫用裂縫修補膠對裂縫進行封閉，對露筋、混凝土剝落等表層病害處理后，對第3～5跨T梁腹板底部（靠近底部的側面）粘帖預應力碳纖維板，以提高主梁的抗彎承載力；同時對全橋T梁靠近支座端部區域粘帖U形鋼板以提高主梁的抗剪承載力；并在橫隔板側面粘帖鋼板以提高橋梁的橫向聯系，減少單梁受力，加固設計如圖5和圖6所示。

圖5 T梁加固構造圖（單位：cm）

圖6 預應力碳纖維板錨具構造圖（單位：cm）

3.2 張拉工藝

預應力碳纖維板橋梁加固新技術操作簡單方便，不需要大型機械即可人工完成，其張拉工藝主要有以下幾個步驟。

（1）張拉前準備工作，主要包括人員分工、張拉機具和錨具裝置準備、碳纖維板裁剪。

（2）根據設計圖紙，將錨具、張拉機具和碳纖維板位置測量放樣。

（3）混凝土結構表面處理，在錨固裝置和張拉機具固定位置處，根據設計要求，鑿出一定深度混凝土凹槽，保證錨具或張拉機夾具表面與橋梁混凝土表面在同一個平面上，以便安放錨固裝置和張拉機具。

（4）植筋并安裝錨具、張拉機具和碳纖維板，植筋深度應滿足設計要求，植筋膠采用本課題組自主研發的無機植筋膠。植筋膠達到設計強度后安裝錨具裝置、張拉機具和碳纖維板，確保碳纖維板、錨具和張拉機具對中，并在碳纖維板與混凝土結合處涂一層環氧結構膠，便于碳纖維板和混凝土形成一個整體。碳纖維板錨固端固定，使用扭力扳手按照設計要求根據每根螺栓的扭力大小擰緊螺栓。

（5）碳纖維板張拉采用應力應變雙重控制同步千斤頂張拉碳纖維板，通過油壓表控制張拉應力，另外通過儀器觀測粘貼在碳纖維板表面的電阻應變片的變化控制其張拉應力。根據美國《外貼FRP加固混凝土結構設計和施工指導規程》，考慮碳纖維片材的徐變斷裂性能，限定了在加固設計中碳纖維片材的最大張拉應力不超過極限強度的55%，在加固設計中綜合考慮了張拉可能存在小偏心等因素導致碳纖維板材強度沒有完全發揮的情況，取張拉控制應力為1 000MPa，為實測碳纖維板極限抗拉強度的45%。碳纖維板采用分級加載，每級加載力為張拉控制應力的10%。當應力與應變測量結果不一致時，以應力測量結果為準，但測得的應變不應超過初始應變的15%。

（6）張拉端碳纖維板固定，使用扭力扳手按照設計要求根據每根螺栓的扭力大小擰緊螺栓（由于碳纖維板抗剪強度低，容易被壓斷，所以對錨具的設計要求比較高，尤其是錨具齒紋和螺栓扭力的設計）。千斤頂卸載取下，然后卸掉張拉機具，并對張拉端碳纖維板進行修剪。

（7）在碳纖維板表面粘貼光纖光柵傳感器，以便后期對碳纖維板的長期徐變進行試驗觀測。

（8）在碳纖維板表面每隔1m安裝1個角鋼壓條，然后在碳纖維板表面涂抹復合砂漿以便保護碳纖維板免受外界因素破壞，之后在碳纖維板兩端錨具處填抹復合砂漿，防止錨具銹蝕。

3.3 碳纖維板加固前后對比

（1）計算結論

本橋使用預應力碳纖維板加固完后，對其跨中截面增加的抗彎承載力及安全系數進行計算，計算結果如表1所示，從表1可看出加固后的橋梁安全系數＞1；加固后截面受壓區高度經過驗算，滿足本文公式（5）的要求。

表1 計算結果對比

（2）荷載試驗結論

加固設計前荷載試驗的主要測點撓度校驗系數在0.73～1.00之間，撓度對殘余變形范圍在18.9%～38.2%之間，而主要測點應變校驗系數在0.64～1.15之間，表明結構主結構剛度不滿足設計要求，其受力性能和正常使用承載能力不滿足原設計荷載要求。

加固設計后荷載試驗的主要測點撓度校驗系數在0.73～0.85之間，撓度對殘余變形范圍在6.9%～11.4%之間，而主要測點應變校驗系數在0.64～0.91之間，表明結構主結構剛度滿足設計要求，其受力性能和正常使用承載能力滿足原設計荷載要求。

4 預應力觀測分析

在長期荷載作用下，碳纖維板材的徐變會引起預應力損失，對加固的長期效果產生一定的影響，所以橋梁加固完以后，非常有必要對其預應力損失進行長期觀測。因此，本項目做了如下試驗方案：選取代表性的碳纖維板（T梁跨中底板兩側碳纖維板、跨中兩側腹板碳纖維板和1/4截面底板兩側碳纖維板作為觀測對象，每塊碳纖維板上粘貼一片光纖光柵傳感器共6組觀測對象，對應的編號分別為①～⑥），由此觀測碳纖維板在長期荷載作用下的徐變，求出其預應力損失大小。

碳纖維板在張拉至控制應力釋放后開始2個月內有少量的應變變化，應變曲線呈上升趨勢，之后的1個月內應變變化較小，應變曲線趨于緩和。從表2可看出，1號碳纖維板應變最大為21.55，在前2個月，應變量達到20.45，后1個月增長速度非常慢，不到1，可見這時碳纖維板徐變已經趨于穩定，初始應變的預應力損失為0.37%。這里預應力損失包括碳纖維板徐變及錨具滑移。根據以上測量，說明使用的錨具松動滑移量很小。錨具能較好地防止碳纖維板由于錨具滑移引起的預應力損失。從另一方面可看出，預應力碳纖維板加固技術不是依靠常溫固化有機膠將碳纖維板粘接于被加固構件上，而是靠錨具將碳纖維板錨固于被加固構件上。這樣大大減少了常溫固化有機膠老化而引起的耐久性問題。

表2 碳纖維板徐變觀測值

5 結束語

預應力碳纖維板橋梁加固新技術操作簡單，工期較短，經濟效益明顯，加固效果好，其在舊橋加固上的成功應用說明該種加固方法很值得在國內同類工程項目上的推廣應用。橋梁結構的耐久性是近年來我國工程界越來越重視的問題。室內按照“高溫固化”工藝生產的碳纖維板耐高溫性能較好，一般軟化溫度高達110℃以上。而室外常溫固化的環氧樹脂在環境溫度達50℃開始軟化，抗紫外線老化性能更差。湖南大學發明的這一套錨具具有獨特的優點∶它不依賴室外常溫固化膠（有機膠）將碳纖維板膠貼于混凝土構件表面受力，而是依靠優質的國產錨具將碳纖維板錨固于混凝土構件表面受力，使得用預應力碳纖維板加固的梁橋具有較好的耐久性。

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