預應力碳纖維板技術在公路橋梁加固中的應用

李 瀚

（中鐵四局第四工程有限公司，安徽 合肥 230009）

1 預應力碳纖維板簡介

目前，在橋梁加固的領域經常使用到的碳纖維板粘貼工藝屬于被動加固，碳纖維板材自身不施加預應力。預應力碳纖維板技術對傳統粘貼碳纖維加固技術進行了改進，與傳統的碳纖維板粘貼工藝相比，預應力碳纖維板技術能夠充分發揮碳纖維板的高強度特性，而且預應力可以讓碳纖維板錨固體系的應變滯后程度得到更好的改善。

碳纖維板的抗拉強度要遠遠高于鋼筋，可達到鋼筋的10倍左右。預應力碳纖維板技術可以讓碳纖維板在承擔結構傳遞荷載應力之前處于一個比較高的應力水平，預先就支配了一定程度的強度，這樣就可以讓碳纖維板高強度的性能更加充分地發揮出來。此外，平衡結構的一部分恒載更好地增強了結構的剛度，可以在很大程度上延緩裂縫開展并減小裂縫的寬度，更好地提高結構的承載能力。

2 預應力碳纖維板的優缺點

碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、導電和傳熱等多種特性，屬于高新技術的產品，目前主要用在先進復合材料的制備上。在工程建筑方面，碳纖維板材和構件內部鋼筋在一起工作的時候，不考慮鋼筋原來的初始應變、鋼筋屈服，混凝土結構就已經發生了破壞，所以發揮出來的強度很低。傳統的不加預應力的碳纖維加固混凝土結構技術不能夠將纖維增強復合材料的高強度特性發揮出來，造成了材料的浪費。而預應力碳纖維板錨固體系可以很好地解決這個問題，碳纖維增強復合材料對碳纖維施加了預應力，可以有效地避免碳纖維片材的應變滯后現象，有效地發揮出了碳纖維板的強度，提高了結構承載能力。和其他的一些加固方式相比較，預應力碳纖維板加固技術的優勢主要體現在以下幾點：

（1）高強、高效。預應力碳纖維板加固技術充分地將碳纖維材料的高強性能發揮出來，提高了結構承載力和抗彎剛度，節約了碳纖維的用量。

（2）重量較小，空間要求也較小。碳纖維的強度高，但是質量僅僅是鋼的1/5，基本上不增加原來結構的自重；而且碳纖維板可以盤卷，能夠以比較大的長度供應，不需要搭接，也沒有濕作業，不需要大型的施工機具，施工所占用的場地很小，在加固完成之后也不影響原來結構的使用空間。

（3）良好的耐久性能和耐腐蝕性能。預應力碳纖維板對酸堿鹽以及大氣環境都有較高的耐性，不需要經常維修。

預應力碳纖維板材加固技術和傳統技術相比有著無法比擬的優勢，在各個方面的表現都有顯著的效果，但是該技術也存在一定的缺陷，對其推廣與發展造成了一定的阻礙。

（1）該技術的理論研究不夠成熟，在受力性能方面的研究也不夠完善，而且技術應用容易受到溫度等外界因素變化的影響。

（2）材料的成本比較高，選擇低成本的材料無法滿足質量的要求。而且該技術對施工隊伍的要求很高，如果施工隊伍不夠專業會直接影響施工的質量，這對成本也會造成影響。雖然設計計算的總成本較低，但是因為材料質量的影響以及施工隊伍的不規范，在施工的過程中碳纖維很容易受到損壞。

（3）碳纖維是一種高強度的材料，如果能將其高強度的優勢充分發揮出來，對結構承載力和剛度的提高是非常有利的，并且對其大范圍的應用也有很大幫助。但是現在的黏結劑還無法配合碳纖維的極限發揮，性能需要提高。

3 預應力碳纖維板施工工藝

3.1 橫向預應力鋼棒加固

將已經加工好的鋼支撐構件運送到施工現場，將操作平臺安裝到各個相應的部位，并且按照提前設計好的方案準確地對位置進行鉆孔。當遇到受力鋼筋，確保兩個T型的梁孔眼在同一高度直線上，再適當調整鉆孔位置，確保位置的準確性，然后安裝好橫向預應力鋼棒，讓鋼棒可以有效地從支撐構件的內孔穿過去，最后在鋼棒的兩端都安裝上張拉螺母和錨墊板，并擰緊。在安裝之前還需要嚴格檢查預應力鋼棒的安裝狀態以及鋼支撐整體構件的穩定性。安裝時，先安裝鋼絞線張拉連接器和千斤頂張拉撐腳，然后再連接千斤頂和張拉油泵。安裝好后仔細檢查相關油壓設備和油泵油管的密封性能，然后開啟油泵，按照相關的張拉力進行有效的張拉，整個張拉作業需有效記錄。與此同時，還需向張拉棒保護鋼管的內部注入適量的中性防腐油脂，對張拉棒的兩個頭進行一定的防腐處理。

3.2 縱向預應力碳纖維板加固

施工準備：（1）對梁構件的地面鋼構件進行準確有效的定位，根據設計的方案確定預應力碳纖維板在加固時固定端的鋼構件和張拉端的位置。（2）在運送至工地前，按設計使用長度裁剪預應力碳纖維板。（3）根據鋼構件放置位置對梁底的混凝土保護層進行鑿除工作，使其中的受力鋼筋顯露出來，鑿除后的混凝土表面需平整、無凸起。（4）確定好固定端鋼構件和張拉端螺桿鉆孔的位置，進行植筋作業。鉆孔的位置設置在結構內部的鋼筋之間，保證不破壞原來的結構鋼筋。鉆孔的深度約17.5cm，鉆孔的直徑約2.4cm，植入直徑約20mm的高強度螺桿。

施工流程：（1）膠體固化（膠體的固化需要控制在一定的時間和范圍之內）后安裝固定端鋼構件和張拉端鋼構件。固定端鋼構件和張拉端鋼構件安裝前，應根據種植好的螺桿位置進行鋼板的鉆孔工作，并確保張拉端鋼構件和固定端鋼構件的中心線在同一直線上。安裝時使用專用提升工具提升固定端鋼構件和張拉端鋼構件，安裝就位后按照相關的規定擰固高強度的螺栓，防止后續出現意外。（2）預應力碳纖維帶的安裝。安裝前需要對表面進行處理，確保表面的清潔；仔細檢查碳纖維帶錨具和固定端；混合攪勻環氧膠，將膠粘劑攪拌均勻之后涂抹到碳板上和等待加固的梁底面。（3）預應力碳纖維帶的張拉。確保千斤頂位于2個螺桿的中心處，確保千斤頂和加固構件的中心線平行，不能離錨固碳纖維帶和張拉端太近，如果有偏差需要及時整改，然后啟動油泵并讓千斤頂頂緊座板和基板。在進行張拉的過程中需要先給碳纖維帶施加一個一定力度的初荷載進行碳纖維帶的拉直工作，在此期間需仔細檢查各個部位，確保定位準確。另外，為了能夠測量碳纖維帶的張拉伸長量，還應張拉基板使之固定到初始的位置，并做好標記，確保后續可以快速找到該位置。當每一級的張拉結束之后都應該使用扳手擰緊張拉端底座的螺母，并測量張拉的伸長量，做好記錄，方便后續查詢。控制好張拉的實際伸長量和計算值的偏差，確保在合格范圍之內，最大的偏差不能超過1/10。如果超過規定范圍，應及時停止好張拉并仔細找出原因，不能盲目施工。在預應力碳纖維帶張拉工作結束之后，用扳手擰緊座板前的螺帽。

4 相關注意事項

4.1 橫向預應力鋼棒施工

橫向預應力鋼棒施工中還應注意以下事項：

（1）橫向預應力鋼筋的外套管應該選擇直徑約32mm、壁厚≥2mm的專業無縫鋼管，并且需要在套管的內部填充中性油脂。

（2）橫向預應力的鋼筋應該選擇直徑約25mm的冷拉四級精軋螺紋鋼，并需符合相關規定；抗拉強度也有相應的規定，需＜850MPa；在使用前做好冷拉試驗，確保冷拉率＜3%，并將冷拉控制在750MPa以上；冷拉在經過時效處理之后才能夠使用。

（3）橫向預應力鋼筋的張拉力應該保持在20萬N左右，張拉應有一定的順序，先張拉距跨中最近的兩端，然后繼續對稱張拉其他部分。在張拉過程中應仔細觀察梁體的應變，如果出現裂縫或是發出響聲，應立即停止張拉，并仔細分析出現問題的原因，避免在后續施工中出現類似問題。

4.2 縱向預應力碳纖維帶施工

縱向預應力碳纖維帶施工的過程有以下注意事項：

（1）梁底的基面應確保沒有油脂、浮塵及其他雜物，也不應有其他尖銳凸起物質。

（2）碳纖維板黏結膠攪拌均勻后應該確保在活性的時間范圍內有效使用。

（3）固定端鋼構件和張拉端鋼構件的中心線應處于和加固梁體相互平行的狀態，并嚴格控制張拉力。

（4）碳纖維屬于導電材料，應避免接觸電源。

（5）固定錨具和張拉端錨具應采用工廠自動切割和焊接方法，確保切割的邊緣光滑，無毛刺、咬口現象，錨具的黏合面采用砂輪打磨直至露出金屬光澤。打磨的紋路也有一定的講究，需要和鋼板的受力方向垂直，錨具的黏合面應有一定的粗糙度。

（6）控制好溫度，如果溫度較低，應利用太陽燈照射，加快固定端粘鋼板膠的固化。

（7）碳纖維板的張拉工作應該在未通車狀態下逐級進行，且在每一級完成之后還應準確測量伸長量。

5 總結

在高速公路、市政道路建設中，裝配式預應力混凝土梁因設計、施工、運營等方面的原因導致主梁開裂的情況時有發生，這時橋梁加固工程可以取長補短，延長橋梁的使用壽命，增強橋梁的承載能力，使橋梁更能滿足使用的要求，相比重建也節省了大量的人力、物力。而預應力碳纖維板加固混凝土梁結構的加固方案，不僅充分利用了碳纖維板的高抗拉強度，恢復了橋梁的承載能力，而且其耐久性非常好，方便施工，不影響橋面的通車，對橋梁的加固搶修工程來說非常實用，讓橋梁建設更符合可持續發展的策略，更好地為現代運輸交通服務，也給國家帶來更大的經濟效益和社會效益。