預應力碳纖維板加固技術在舊橋加固中的應用

郭繼祥

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710021）

0 引言

為了優化提升橋梁的運行性能，使舊橋滿足當前運行要求，需進行加固處理，為保證加固效果，需對加固材料及加固技術進行研究，滿足社會發展需求。當前橋梁結構加固技術主要分為粘貼鋼板及碳纖維片材兩種[1]。但這兩種加固技術均為被動加固方法，加固效果不理想，尤其是碳纖維布，因厚度較大，對增強橋梁結構剛度及減小裂縫寬度等影響有限。工程實踐結果表明碳纖維材料的應用效果最佳。

1 預應力碳纖維板加固技術概述

碳纖維片材又稱為CFRP，主要優勢體現在材料強度較高、質量較強、耐腐蝕等能力較強，為此被廣泛應用于橋梁等混凝土結構加固工程中。由于碳纖維片材以及鋼筋的彈性模量相同，但抗拉強度更高，造成碳纖維片材料的利用率較低，據統計約為15%。在正常使用狀態下，碳纖維片材料不能發揮出其利用價值，加固性能不明顯。預應力碳纖維板加固技術是體外預應力技術及粘貼碳纖維片材加固技術發展和結合的結果，使用專用的環氧膠碳纖維板進行預應力張拉，修復原有橋梁結構上的裂縫等，將材料布設于適宜位置，提升橋梁構件的強度。與一般非預應力碳纖維片材相較后發現：當橋梁受力后，碳纖維片材承受大部分應力，所以應變滯后得以改善，而碳纖維材料的高強度特征也得以發揮，優化橋梁的負荷能力，改善加固梁的使用性能。

2 實例分析

某橋梁橋面寬度為23 m，橋梁的總長度為109 m，跨徑布置為（5×20）m。橋面鋪裝為水泥混凝土，兩側布設有鋼筋混凝土護欄。該橋梁的上部結構為鋼筋混凝土簡支T梁，下部結構為重力式橋臺，可以擴大基礎。橋梁布設如圖1所示。

2.1 病害情況

依據檢測單位提供的檢查報告，該橋病害如下：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；橋面鋪裝局部破損，全橋伸縮縫堵塞，橡膠條破損；個別橋墩蓋梁露筋。

2.2 加固設計方案

根據以上主要病害情況，該橋主要加固方案為：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）粘貼預應力碳纖維板，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貼U形鋼板以提高主梁的抗剪承載力，并在橫隔板側面粘貼鋼板以提高橋梁的橫向聯系，減少單梁受力[1]。

2.3 加固

2.3.1 基底處理

為了保證橋梁加固效果，提高碳纖維板的利用效率，在施工前需對基底進行處理。在加固前需先修復橋梁的破損位置，去除碳化、破損部位，修補缺口并處理破損位置的銹蝕鋼筋，保證橋梁結構的完整性。對舊橋中破損嚴重和突出部位進行打磨，保證橋梁結構表面的平整美觀；使用磨光機對橋梁的邊角位置進行打磨，倒角半徑需大于30 mm。間隔一段時間后，橋面完全干燥符合施工要求，則可開始加固處理。

圖1 橋梁布置示意圖（單位：mm）

2.3.2 涂刷底層

需按照設計要求配制涂料，并充分攪拌，保證涂料的均勻性。因底層涂料易固化，在涂料配制好后需在短時間內完成涂料的涂刷作業。

2.3.3 粘貼碳纖維板

依據橋梁加固面積確定碳纖維板的使用量。首先需要依據橋梁加固位置的形狀對碳纖維板進行裁剪。該工程將碳纖維板的長度控制在2 m以下。施工人員用手觸摸施工面底漆的干燥程度，采用適量環氧樹脂主劑及固化劑依據設計的配置比例進行拌和，持續攪拌2 min，保證材料的均勻性；使用毛刷滾輪在底漆上均勻涂刷環氧樹脂，而施工面的粗糙度決定涂料的使用量。將碳纖維板粘貼在樹脂涂布面上后，需使用毛刷滾輪或橡皮刮刀順著纖維的方向進行涂平，去除其中的氣泡。在纖維方向上，需為后期施工調整預留出10 cm長度的搭接空間，短向無須預留，碳纖維板粘貼結束后需要靜置30 min，若在這段時間內出現浮出、脫線等問題，則需要使用滾輪或橡皮刮刀進行壓平或修復，保證最終的施工效果。需注意的是，在粘貼碳纖維板過程中，需保證施工現場整潔、空氣暢通，施工人員需佩戴安全防護設施。

2.3.4 養護

在碳纖維板粘貼結束后需立即進行養護，保證施工質量。養護工作需持續7～14 d。為保證養護效果，對可能受到外部環境影響或是人為可以擾動的部位，需使用封閉或者是遮擋等方法。

3 加固效果分析

3.1 計算結論

該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，計算結果見表1。從表1可看出，加固后的橋梁安全系數大于1；加固后截面受壓區高度經過驗算，滿足相關要求[2]。

表1 計算結果對比

3.2 預應力觀測分析

在車輛的荷載作用下，碳纖維板材的徐變會造成預應力的損壞，不利于加固處理作用的維持，因此在加固后，非常有必要對其預應力損失進行長期觀測。因此該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，計算出預應力的具體損失。碳纖維板在張拉至控制應力釋放后2個月內會發生些許應變變化，且應變逐漸增加，在1個月后逐漸減小。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，錨具未出現較大的松動或滑移。錨具的使用可以有效避免碳纖維板因為錨具滑移引發的預應力損失。由此可見，預應力碳纖維板加固技術的應用不是基于常溫固化有機膠將碳纖維板直接黏結于需加固的構件上，而是通過錨具將碳纖維板錨固在需加固的構件上，這樣就可以避免因為有機膠老化引發的耐久性欠缺問題。

4 結語

綜上所述，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。

[1]尚守平，吳建任，張毛心，等.預應力碳纖維板加固系統的預應力損失試驗[J].公路交通科技，2012，29（1）：70-74，133.

[2]張俊，趙澤俊，鄧朗妮，等.預應力碳纖維板加固混凝土梁抗彎承載力設計計算方法[J].桂林理工大學學報，2011，31（1）：73-76.