預應力碳纖維加固施工工藝及其在某橋梁中的應用

■林 麗

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州 350007)

0 引言

近年來，隨著交通運輸量的不斷增加，交通荷載等級的不斷提高，橋梁服役年限的不斷延長，許多橋梁己漸漸不能適應現(xiàn)代交通的要求，使用性能惡化，安全性降低。此外不論勘察、設計、施工、養(yǎng)護等方面存在缺陷或錯誤，還是受到氣候作用、化學侵蝕引起結構老化，均會造成橋梁結構隱患，降低結構的可靠性。建成較早的一些公路橋梁技術標準低、通行能力差，橋梁往往成為公路交通運輸?shù)摹捌款i”，嚴重影響了整條線路的暢通，也成為交通事故多發(fā)地點。從目前我國基本建設投資來看，由于資金的短缺， 除了建設一定數(shù)量的新橋外， 如何充分利用現(xiàn)有橋梁，對其進行有效的加固維修，是擺在橋梁工程技術人員面前的一大課題。 因此，對橋梁結構的維修、加固和補強的研究及應用， 改善橋梁的使用性能和延長橋梁的使用壽命，己引起了世界性的關注，這是一項具有重要的理論和現(xiàn)實意義的研究課題。

目前，橋梁加固的主要方法有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法、體外預應力加固法、改變橋梁結構體系加固法等。而近期得到廣泛運用的預應力纖維加固技術是結合了體外預應力加固法和粘貼纖維增強復合材料加固法， 既克服了粘貼纖維增強復合材料加固法加固結構時存在的纖維材料應力滯后的缺點，保證了纖維材料和結構的整體性并協(xié)同工作，又延續(xù)了其輕質高強耐腐耐疲勞及可設計性強的優(yōu)點。 本文結合福州市福銀高速三際坂大橋左橋加固工程， 詳細說明采用預應力碳纖維加固技術的加固方案以及施工工藝流程，以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

三際坂大橋左橋位于福銀高速公路福州段， 橋梁全長253m，橋跨組合8×30m。 該橋設計荷載：汽-超20，掛-120。 上部結構采用預應力鋼筋混凝土準連續(xù)T 形梁，支座類型為橡膠支座，橋面鋪裝瀝青混凝土。下部結構采用橋臺U 臺擴大基礎、肋板臺配樁基礎；橋墩采用柱式墩，上、下結構分別如圖1 所示。

圖1 橋梁上、下部構造

2 歷次檢測結果

2.1 初期檢測結果

三際坂大橋左橋在2014 年橋梁定期檢查中，未發(fā)現(xiàn)該橋有梁體腹板豎向裂縫、斜向裂縫、梁底橫向裂縫。

2.2 中期檢測結果

2017 年7 月定期檢查中，發(fā)現(xiàn)護欄多處露筋，T 形梁腹板多處縱向裂縫、斜向裂縫、豎向裂縫，梁底多處橫向裂縫、縱向裂縫，如圖2 所示。 最終技術狀況評定結果為三類橋。

2.3 后期檢測結果

圖2 主梁裂縫

從2017 年7 月定期檢查至2018 年5 月專項檢查時間間隔僅10 個月，裂縫規(guī)模(縫寬)快速發(fā)展，至2018 年7 月再次檢查，裂縫規(guī)模(縫寬)快速發(fā)展，并且發(fā)現(xiàn)新增裂縫，如圖3 所示：其中粗線為2018 年7 月份檢查新增裂縫，細線為2018 年5 月前檢查裂縫。

圖3 主梁裂縫展開示意圖

3 主梁加固方案

3.1 碳纖維板布置方案

鑒于三際坂大橋主梁病害的嚴重性，提出換梁方案，但由于換梁需要全封閉施工，且施工工期較長，對高速公路正常通行造成極大影響，故更改處治方案，采用加固措施。 現(xiàn)選擇加固效果更加明顯的預應力碳纖維加固技術對7-3#、7-4#、7-5#梁進行加固，如圖4 所示。

圖4 橋型布置示意圖

7-3#、7-4#、7-5#梁為鋼筋混凝土結構，根據設計要求在梁側各布置1 條10cm 寬、0.2cm 厚的碳纖維板， 在梁底布置2 條5cm 寬、0.4cm 厚的碳纖維板，如圖5 所示。

圖5 預應力碳纖維板設計圖

3.2 加固方案各項指標

碳纖維板平行布置，采用高強度I 級板，極限拉伸強度為2400MPa，彈性模量160GPa，具體力學性能指標如表1 所示。 安裝自由長度取26.7m，采用單端張拉，張拉時按張拉應力、 伸長量雙向控制， 張拉控制應力為575MPa，張拉控制應變?yōu)?.005ε，且偏差不大于6%，底板兩條預應力碳纖維板應同步張拉， 側面與底面的錨具構造圖如圖6 所示。

表1 碳纖維復合材料主要力學性能指標

4 施工工藝流程

4.1 施工前準備

圖6 預應力碳纖維板錨具構造圖

預應力碳纖維板施工前若粘貼部位混凝土表層含水率＞4%或環(huán)境溫度＜5℃，則應采取措施，且應先去除被加固構件表面疏松部分， 直至露出混凝土結構層。 若有裂縫，應先進行修補，然后用修補材料修復平整，并保證混凝土保護層厚度不小于15mm。 粘貼部位的混凝土，若其表面堅實，也應除去浮漿層和油污等雜質，并打磨平整，直至露出集料新面，表面打磨后，應用強力吹風器將表面粉塵徹底清除。

4.2 放線、安裝錨具及支座

加固構件表面處理完畢后，方可按設計圖紙，在加固部位放線定位。之后安裝兩端支座、錨具及碳板，且錨板、支座需安裝在碳纖維板的中心線上。 在支座的標識定位時，就需要考慮到這一點。 在標識定位時，支座被用來當成一個臨時的模板。鉆孔需垂直于混凝土，錨栓需要垂直安裝。

4.3 進行預應力張拉

接著在張拉端安裝張拉工裝及千斤頂， 本工程中使用手搖式千斤頂，并利用千斤頂進行預應力張拉，使張拉力達到設計力值。 本工程按加固設計要求分6 次進行張拉，張拉力值及油表數(shù)如表2 所示。 張拉時按張拉應力、伸長量雙向控制， 若碳纖維板實測伸長量小于理論伸長量甚至低于6%時，則表明碳纖維板錨具張拉時位移不順暢，或存在人為非正常摩擦阻力，應卸載后重新張拉。

表2 預應力碳纖維板張拉控制表

4.4 填充粘結劑

張拉完成后即可拆除張拉工具。 并使用嚴格按粘結劑供應廠商的配比和工藝進行配置的粘結劑將碳纖維板和加固構件混凝土之間的縫隙填滿。

4.5 錨具防護

因預應力碳纖維板張拉體系中，夾具為鋼構件，容易發(fā)生銹蝕；碳纖維板材質為樹脂復合，易受陽光紫外線侵蝕，張拉完成檢驗合格后，應對夾具、碳纖維板進行隱蔽防護。

4.6 施工質量檢驗

加固后的施工質量應使用粘結強度檢測儀每年檢定一次，現(xiàn)場檢驗應在已完成碳纖維片材粘貼并固化7d 的結構表面上進行， 其最終施工質量的合格評定標準及實驗報告內容按 《混凝土結構加固設計規(guī)范》GB50367-2013、《橋梁結構用碳纖維片材》JT/T532-2004 和《工程結構加固材料安全性鑒定技術規(guī)范》GB50728-2011 技術條款要求執(zhí)行。

5 加固前后靜動載試驗結果分析

為進一步確定三際坂大橋技術狀況， 加固前后實施了靜動載試驗。由試驗得到以下結論：(1)三際坂大橋的加固前承載能力滿足設計荷載要求。 (2)梁體裂縫對4#、5#梁的剛度及承載能力有較大影響，加固后裂縫得到封閉，耐久性提高。 (3)加固前4#、5# 梁的跨中裂縫在加載過程中有明顯擴展現(xiàn)象，但卸載后基本能恢復原狀。加固后裂縫封閉，試驗過程中未產生新的裂縫。 (4)加固前，第1 階豎向自振頻率實測值4.352Hz， 理論計算值為3.818Hz，實測值大于理論計算值；加固后，第1 階豎向自振頻率實測值4.393Hz，理論計算值為3.912Hz，橋梁整體剛度提高。

6 結語

橋梁加固是一個涉及面廣、受現(xiàn)實因素影響大、技術復雜的科研課題，需針對具體橋型、病害狀況、結構承載力等內容進行具體研究。本文結合工程實例，詳細介紹了應用預應力碳纖維板加固的施工加固方案以及施工工藝流程。 其以抗拉性能高、重量輕、耐久性好、施工便捷、適用范圍廣等的優(yōu)點為解決此類橋梁加固難題創(chuàng)造了良好的先決條件， 且預應力技術較好地解決了以往普通碳纖維布加固中材料高強度難以利用的缺點。 與傳統(tǒng)被動加固相比，其可有效愈合既有橋梁結構的裂縫病害，抵御新的結構裂縫產生，延長橋梁的使用壽命。