論預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固中的應(yīng)用

1 前言

我國橋梁逐漸從建設(shè)期進(jìn)入建設(shè)與養(yǎng)護(hù)并重的時(shí)期，由于日益加大的交通量以及車輛超載等問題，導(dǎo)致僅公路系統(tǒng)里就有近30%的舊橋是因病害需要進(jìn)行加固。其中，數(shù)量龐大的中小跨徑連續(xù)梁橋逐漸面臨梁體承載力和剛度不足等問題，因此加固橋梁延長其使用壽命是橋梁新建的必要階段。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是將預(yù)應(yīng)力技術(shù)與碳纖維板有效結(jié)合的主動(dòng)加固技術(shù)，材料的高強(qiáng)度、耐腐蝕、低蠕變等優(yōu)異性能以及其自身能夠閉合裂縫、提高剛度等主動(dòng)加固的優(yōu)點(diǎn)，克服了粘貼碳纖維片材法等被動(dòng)加固法不容易控制施工質(zhì)量、不能減少變形以及封閉裂縫的缺點(diǎn)，從而提高了被加固結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，且有較好的抗彎加固性能，適用于預(yù)應(yīng)力的施加及加固后維護(hù)和保養(yǎng)[1]。隨著制造和技術(shù)水平的提高，碳纖維制品成本降低，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)逐漸受到加固行業(yè)的青睞，成為橋梁加固的熱點(diǎn)技術(shù)。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)要點(diǎn)

2.1 碳纖維板材選擇

碳纖維板材的選擇是技術(shù)的關(guān)鍵所在。結(jié)合其材料特性和力學(xué)性能選取對(duì)橋梁加固性能最好的板材進(jìn)行施工，碳纖維板自身特點(diǎn)就是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。目前市面上的碳纖維板材分為兩種型號(hào)，以卡本公司的T級(jí)、B級(jí)碳纖維板為例，常規(guī)尺寸可分為：寬度50mm、100mm 兩種，厚度12mm、14mm 兩種。即四種規(guī)格，分別為：50mm×12mm、50mm×14mm、100mm×12mm、100mm×14mm[2]。在實(shí)際施工板材的選取上要根據(jù)具體情況下碳纖維板材所需要的張拉力和生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)意見來確定。

2.2 碳纖維板張拉方法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉施加的方法是整個(gè)運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)加固能否達(dá)到效果的關(guān)鍵所在。目前預(yù)應(yīng)力施加方式可以分為三種，分別是反拱法、先張法和后張法。

2.2.1 反拱法

反拱法在實(shí)施中的基本理論是用千斤頂給混凝土舊橋梁體施加反拱力，從而使混凝土梁體向上反拱，然后用CFRP 貼于混凝土梁體上，待粘貼強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后對(duì)外部荷載進(jìn)行卸載，在整個(gè)卸載過程中要對(duì)CERP 施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力[3]。在當(dāng)下的施工工藝中，這種直接采用粘貼的辦法在二次預(yù)應(yīng)力受力中還是有一定效果的。但是由于反拱法的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)施工環(huán)境的苛刻性，使其必須使用大噸位的千斤頂才能實(shí)現(xiàn)混凝土梁體的起重；混凝土預(yù)應(yīng)力梁體的自身恒荷載較大且對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁體獲得的二次預(yù)應(yīng)力較小，施工過程不易控制，施加的預(yù)應(yīng)力大小不好把控，因此該方法在實(shí)際施工中應(yīng)用較少。

2.2.2 先張法

在碳纖維板加固橋梁中先將橋梁底板進(jìn)行一定程序的處理，接著利用外界設(shè)定的張拉設(shè)備，使板材張拉到之前設(shè)定好的應(yīng)力水準(zhǔn)，然后在橋底等位置涂上所需的粘黏劑，使得板材和梁底部分保持充分結(jié)合接觸[4]。在外部壓力的作用下實(shí)現(xiàn)高度粘合，后續(xù)再對(duì)端部的板材進(jìn)行剪斷處理，并給予相關(guān)構(gòu)件一定的預(yù)應(yīng)力。

2.2.3 后張法

在使用后張法加固施工中，碳纖維板材施加預(yù)應(yīng)力必須要使用完整的錨具對(duì)其進(jìn)行后張法施工，且錨具永久作用于后張法梁體上，并使預(yù)應(yīng)力與梁體整體受力，形成永久共同受力的加固構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)后張法的應(yīng)用。

2.3 粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系的應(yīng)用范圍

近年隨著技術(shù)的發(fā)展，混凝土預(yù)應(yīng)力梁體體外預(yù)應(yīng)力加固的方式可分為兩種，分別為無粘結(jié)體法和有粘結(jié)體法，這也是當(dāng)前使用碳纖維板加固橋梁常用的首選辦法[5]。無粘結(jié)體法是將預(yù)應(yīng)力碳纖維板固定于混凝土梁體內(nèi)部，在混凝土梁體達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)其施加張拉力。運(yùn)用這種技術(shù)，后續(xù)最大的核心技術(shù)為：碳纖維板的支撐保護(hù)問題和加固位置的穩(wěn)定粘結(jié)性問題。因此，這種施工工藝在中小型的鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力T梁加固處理中應(yīng)用廣泛。對(duì)于有粘結(jié)體法而言，后張法必須使用鋼絞線或精軋螺紋鋼等施加預(yù)應(yīng)力，且張拉完必須應(yīng)用滿足抗拉強(qiáng)度的壓漿料進(jìn)行注漿，從而實(shí)現(xiàn)梁體和鋼絞線張拉力的整體受力。這種有粘結(jié)體的加固方式效果穩(wěn)定，是常用的加固技術(shù)；一般適合運(yùn)用在中小型鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力T梁或者預(yù)應(yīng)力小箱梁和空心板中。因此，本文的依托工程也選取的是有粘結(jié)體預(yù)應(yīng)力加固法。

2.4 張拉控制應(yīng)力

使用預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)鋼筋混凝土梁體進(jìn)行加固，能夠有效控制構(gòu)件變形，增強(qiáng)梁體的應(yīng)力體系，提高梁體的整體性和橫向作用力，顯著減小梁體的撓度變形，阻止梁體裂縫擴(kuò)張。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)，主要的研究方向?yàn)閺埨Φ氖┘庸に嚪绞胶蛷埨κ欠窨煽亍?duì)于這種張拉預(yù)應(yīng)力板材，張拉控制應(yīng)力的取值大小直接影響梁體加固技術(shù)的效果。如果給碳纖維板材施加的控制應(yīng)力偏小，碳纖維板材就不能全性能的投入工作，也無法發(fā)揮力學(xué)性能，其梁體加固效果也就達(dá)不到要求，從而導(dǎo)致整個(gè)加固過程的失敗；如果碳纖維板材的控制應(yīng)力取值偏大，梁體在荷載發(fā)生變形時(shí)則無法保證其碳纖維板有一定的變形區(qū)間，進(jìn)而使得碳纖維板材極易發(fā)生斷裂問題。因此，施工人員必須精準(zhǔn)計(jì)算碳纖維板材控制應(yīng)力的范圍，使碳纖維板材的力學(xué)性能控制在一個(gè)合理的區(qū)間范圍，避免因控制應(yīng)力的取值問題造成加固措施失敗，進(jìn)而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)和安全問題。

2.5 錨固方式

對(duì)于預(yù)應(yīng)力碳纖維板材后張法加固技術(shù)來說，其采用的錨固方式是整個(gè)加固是否成功的關(guān)鍵所在。目前的錨固系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)有很大影響，合理有效的錨固系統(tǒng)可以更好地體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維的力學(xué)性能，從而使加固效果更加顯著。目前施工技術(shù)所采用的錨固方式有開槽式和非開槽式兩種。開槽式錨固方式是在混凝土梁體地板下方鑿除一層混凝土，一般梁體開槽深度為20mm 作業(yè)，以此對(duì)碳纖維板所安置的部位進(jìn)行處理；但是混凝土梁體的底板保護(hù)層厚度一般為30～50mm厚，所以鑿除20mm混凝土?xí)?duì)保護(hù)層造成一定程度的破壞，使得部分底板鋼筋裸露，從而破壞梁體的耐久性。非開槽式錨固方式最大的優(yōu)勢(shì)是不需要對(duì)混凝土梁體造成破壞，也不需要開鑿梁體地板，施工工藝簡潔，施工過程更好控制，效果也更佳。因此這種方式在應(yīng)用中更為廣泛。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固中的應(yīng)用

3.1 工程概況

本文以30m 鋼筋混凝土小箱梁橋?yàn)槔錁蛄褐行臉短?hào)為K0+410，橋梁全長127m，4跨，單孔5片箱梁，箱梁中板頂寬2.4m，邊板頂寬2.85m，濕接縫寬0.9m，橋梁全寬16.5m，凈寬15.5m，混凝土防撞墻寬0.5m，以此對(duì)橋梁進(jìn)行加固施工。橋面為10cm 瀝青混凝土加10cmC50 水泥混凝土鋪裝，上部結(jié)構(gòu)為30m×4 連續(xù)小箱梁，橋面連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩柱，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)加橋臺(tái)為承臺(tái)式。該橋修建于2000年，且已通車20年，近年來出現(xiàn)的病害有箱梁底板縱向裂縫貫通、橋面鋪裝坑槽、縱向裂縫等病害。

3.2 加固方案

3.2.1 確定預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置方案

此橋梁為30m跨徑混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁每一片梁體地板寬度1m，橋梁每一孔橫向由5片箱梁組成。

3.2.1.1 縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置。每條預(yù)應(yīng)力碳纖維板長29m，碳纖維板規(guī)格采用2×50mm，規(guī)格選取根據(jù)張拉控制應(yīng)力的值而設(shè)定。

3.2.1.2 橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置。目前該橋已出現(xiàn)了濕接縫處縱向通縫病害，為了增加箱梁的整體性，在箱梁板底中橫梁處又增加了兩道預(yù)應(yīng)力碳纖維板，規(guī)格如縱向碳纖維板相同2mm×50mm，碳纖維板長為15.5m。對(duì)于30m×4的混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，在箱梁底板加上預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固，使得受損的梁體二次受預(yù)應(yīng)力，梁體中的鋼筋和鋼絞線能夠滿足極限荷載下的承載力。對(duì)于加固后的整個(gè)梁體而言，加固前梁體內(nèi)的鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線以及加固的預(yù)應(yīng)力碳纖維板，三者充分結(jié)合在一起，可以形成整體作用力，在提高控制裂縫問題和結(jié)構(gòu)破壞前的延展性方面有了很大提升。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)，在橋梁加固中因其材料自身力學(xué)性能好、高度高、良好的耐腐蝕性、施工工藝較簡易，目前被廣泛使用于同類型工程施工中。本文通過對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)要點(diǎn)分析，為此技術(shù)提供了工程實(shí)際性應(yīng)用案例。