預應力碳纖維板橋梁加固技術發展與應用

儲曉文 葉品 傅俊磊 胡皓

摘 ?要：橋梁經長時間服役，其使用性能及承載能力發生退化，大量舊空心板橋出現鋪裝開裂、鉸縫滲水等病害，空心板之間鉸縫失效嚴重，出現單板受力導致梁板承載力大幅降低，危及橋梁安全。采用預應力碳纖維板加固技術可快速有效地對受損空心板梁進行加固修復，提升橋梁承載能力。

關鍵詞：空心板梁;預應力碳纖維板;加固

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0167-02

Abstract： After long-term service， the service performance and bearing capacity of the bridge are degraded， a large number of old hollow slab bridges appear diseases such as pavement cracking， hinge joint seepage and other diseases， the hinge joint failure between the hollow slab is serious， and the stress of the veneer leads to the substantial reduction of the bearing capacity of the beam and slab， endangering the safety of the bridge. The use of prestressed carbon fiber board reinforcement technology can quickly and effectively strengthen and repair the damaged hollow slab beam and improve the bearing capacity of the bridge.

Keywords： hollow slab beam; prestressed carbon fiber board; reinforcement

前言

隨著我國交通運輸事業迅速發展，公路橋梁建設取得了巨大成就。然而，由于橋梁的長期服役和車流量增加等因素的影響，橋梁性能會一定程度的退化。近年來橋梁病害問題日益暴露在公眾視野中。大量舊空心板橋出現鋪裝開裂、鉸縫滲水等病害，導致梁板結構變成單板受力，單板受力承載力大幅降低，危及橋梁安全，成為公路運營的隱患。在實際工程中，對受損構件常采取拆除重建，但很多的橋梁構件（尤其是中小跨徑的梁橋）損傷的程度并不嚴重，如被拆除廢棄，無疑造成資源浪費。顯然，這些橋梁構件的承載潛力可通過各種新技術進行加固，使其短時間內恢復一定承載力從而繼續工作[1]。因此，對受損橋梁進行加固修復，是經濟可行且安全的必要手段。

1 橋梁加固技術的發展

裝配式預應力混凝土空心板橋具有建筑高度低、預制方便、用材經濟等特點，是中小跨徑橋梁中最常用橋型之一。調查研究發現，在役空心板橋常見病害的主要成因是橫向整體性能差[2]。對此，加固方法大多基于改善空心板橋的橫向整體性及提高承載力，包括體外橫向預應力加固、橫向粘貼鋼板加固、Π形鋼板加固法、去梁增肋加固法、縱向粘貼加固法等方法[2]。

傳統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[3]，相比較而言，外貼加勁材料的加固技術具備不需要大型施工設備和中斷交通等優勢，其中預應力碳纖維板材加固橋梁技術脫穎而出。該技術針對粘貼碳纖維片材加固與體外預應力加固技術的缺陷，結合兩種技術的優勢，既可提高橋梁結構承載力，又可顯著減小結構變形，提高結構剛度，充分利用材料性能，節省材料及工程造價。

2 預應力碳纖維板加固技術的發展

自20世紀80年代，英美、加拿大、日本等發達國家著手把碳纖維材料應用于結構加固。1992年，Triantafillou等[4]發現采用預應力碳纖維布材加固，試驗梁的承載力提高了3～4倍，同時還觀測到施加預應力對加固梁裂縫有明顯的抑制作用。1993年，Deuring[5]對比了預應力和非預應力碳纖維板加固技術發現，兩種加固技術對構件的承載能力都有提高，但采用前者構件的變形明顯小于后者。1997年，Garden[6]認為提高構件的剛度及承載能力，較高的預應力水平對預應力碳纖維來說是必要的。預應力水平至少要達到碳纖維極限強度的25%。2004年，Wight等通過試驗研究，得出碳纖維布施加預應力這種技術可以抑制加固梁裂縫的產生。在國內，湖南大學的尚守平[3]和吳志平團隊[7]對此也進行了相應的研究，并取得了不菲的成果。

3 預應力碳纖維板加固技術應用

3.1 空心板梁構件受損情況

本文取長度為20m的后張法預應力混凝土等截面空心板梁為研究對象，其服役期達22年，梁腹板存在少量縱向裂縫和斜向裂縫，梁體結構見圖1。根據現場梁板破碎后量測所得：單梁底板配5束冷拉IV級預應力粗鋼筋，采用金屬波紋管，波紋管外徑32mm，粗鋼筋直徑為 25mm，梁兩端4m附近采用直徑 12mm 螺紋鋼筋加強，其它部分為 8mm構造鋼筋，橋面板厚度8cm。梁混凝土強度C50，橋面板混凝土強度C30。在加固修復前，作者通過靜載實驗測定該預應力混凝土空心板梁的真實受力狀態、使用性能。以此檢驗其實際工作性能以承載力。經分級加載檢測，受損空心板梁在加載到破壞時，其承載力是380kN，最大裂縫寬度1.5mm。

3.2 預應力碳纖維板加固工藝

作者采用預應力碳纖維板、鋼板對該單梁的梁底和支座附近斜裂縫進行了抗彎加固和抗剪加固。加固工藝見表1。經過加固后的空心板梁底見圖2。

3.3 加固效果

加固后，再次對空心板梁進行靜力加載實驗。試驗發現，加固后的空心板梁變形成漸進變化，碳纖維板受力性能良好;最終以預應力碳纖維板局部脫膠為終止條件，極限荷載達420kN，加固后的空心板梁比加固前有更好的極限承載力。這充分驗證了預應力碳纖維板加固技術對空心板梁的提載效果。

4 結束語

預應力碳纖維板加固技術在混凝空心板梁加固修復中具有良好的應用效果。能夠有效提高空心板梁橋的承載性能。經驗證，加固后受損混凝空心板梁承載力回復甚至比原先承載力略有提升。與傳統的結構加固方法相比，預應力碳纖維板加固技術具有施工工期短，施工快速、對交通影響小、耐久性好等優點，具有良好的推廣應用價值。

參考文獻：

[1]肖驍.預應力碳纖維板加固既有橋梁的應用研究[D].吉林大學，2016.

[2]杜紅靜，趙瑞.在役空心板橋加固方法綜述[J].城市建設理論研究（電子版），2014（23）：3968.

[3]尚守平，張寶靜，呂新飛.預應力碳纖維板加固梁橋新技術的應用[J].施工技術，2016，45（4）：95-99，132.

[4]Triantafillou， T. c.， Deskovic， N. and Deuring， M.. Strengthening of Concrete Structures with Prestressed Fiber Reinforced Plastic Reinforced Plastic Sheets[J]. ACI Structural Journa1，1992，89（3）：235-244.

[5]Deuring， M.. Post-Strengthening of Concrete Structures with Pretensioned Advanced Composites[J]. The EMPA in German as EMPA Research Report 1993（224）：247-313.

[6]Garden， H.N.. The Strengthening of Reinforced Concrete Members Using Externally Bonded Composite Materials： [dissertation]. University of Surrey， London， UK， 1997，138-196.

[7]吳志平，起海東，張田田，等.預應力碳纖維板加固混凝±受彎構件應用設計[J].結構工程師，2013（04）：172-178.