碳纖維板預應力加固梁橋技術(shù)研究

馮永齊，肖長禮，卓 靜

（1.焦作市公路管理局，河南 焦作454100；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450000；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400000）

碳纖維板是一種重量輕、厚度薄、耐腐蝕的新型材料，因其具有抗拉強度高、抗疲勞、低松弛的性能，并且易于與被加固梁板黏結(jié)，被用于鋼筋混凝土橋梁加固。預應力碳纖維板最近幾年被廣泛用于橋梁加固，它綜合了普通粘貼碳纖維片材加固法和預應力加固法的優(yōu)點，是一種梁橋主動加固技術(shù)。通過對碳纖維板施加預應力，與加固梁板的受拉面貼合共同受力，消減梁底板的拉應力，從而有效減小梁板的變形，進一步提高梁板的承載能力。焦作市公路管理局與國內(nèi)橋梁加固方面專家、博士組成課題組，通過大量的理論分析和試驗研究，提出了基于鉸式波形錨的碳纖維板預應力加固板梁技術(shù)的張拉和錨固新工藝，依托焦作市公路管理局S309獲軹線沁河特大橋加固工程，通過靜載試驗驗證了鉸式波形錨錨具體系的工作性能和碳纖維板預應力加固梁板的效果。

1 預應力碳纖維板加固梁橋法的適用條件

（1）梁體結(jié)構(gòu)整體剛度不足；（2）梁體結(jié)構(gòu)承載力降低；（3）梁體裂縫超出設(shè)計規(guī)定。

2 碳纖維板預應力加固機理

受車輛豎向荷載作用，梁板彎曲，梁板截面下部受拉應力、上部受壓應力。因為混凝土耐壓不抗拉，易產(chǎn)生裂縫，隨著環(huán)境因素的影響和車輛荷載的反復作用，裂縫持續(xù)發(fā)展，鋼筋銹蝕，梁板的內(nèi)力超過設(shè)計承載能力，耐久性和安全性降低。預應力碳纖維板加固法是將碳纖維板錨固于梁底板，并施加一個壓力，抵消其彎拉應力，使截面處于受壓狀態(tài)，梁板剛度得以提高，阻止裂縫的進一步發(fā)展。該技術(shù)是體外預應力的力學原理的進一步擴展，是一種主動加固法。

3 鉸式波形錨工作原理

鉸式波形錨利用上、下波形齒板與碳纖維板之間的黏結(jié)力和摩擦力，將碳纖維板可靠地夾持并錨固于上、下波形齒板之間。上、下波形齒板為凹凸緣結(jié)構(gòu)，有增大摩擦力和增加黏結(jié)面積的作用；壓緊及鎖定裝置使上波形齒板、下波形齒板以及它們之間所粘貼并夾持的碳纖維板互相擠壓，進一步增大摩擦力和提高粘結(jié)力，使碳纖維板的夾持和錨固效果更可靠。

4 碳纖維板預應力加固梁板極限承載力計算

試驗和理論研究證明，在極限狀態(tài)下，錨固在底板上的碳纖維板能夠達到其極限強度，故在計算加固梁板受彎極限承載力時，參照普通粘貼碳纖維板加固梁的正截面承載力公式進行計算。

式中：ε1不考慮二次受力時取0，考慮二次受力影響時，ε1為加固前梁板在初始彎矩作用下，截面受拉邊緣混凝土的初始應變；[εf]為碳纖維板的允許拉應變，取碳纖維板極限拉應變的2/3和0.007兩者中的較小值；εfp為考慮體外預應力碳纖維板的有效預應變；εcu為碳纖維板的極限拉應變。

5 鉸式波形錨高溫性能

通過試驗結(jié)果表明，鉸式波形錨張拉系統(tǒng)在溫度85℃、張拉應力2000MPa條件下，錨具的錨固性能和碳纖維板的張拉強度幾乎沒有損失，說明該系統(tǒng)能夠很好地適用于橋梁加固工程中的復雜環(huán)境。

6 基于鉸式波形錨的碳纖維板預應力加固技術(shù)在工程中的應用

6.1 S309獲軹線沁河特大橋概況

焦作市武陟縣S309獲軹線沁河特大橋建于2001年，全長1207.24m，橋?qū)挾?8m。上部結(jié)構(gòu)采用40×30m后張法預應力砼箱梁，橋面連續(xù)共7聯(lián)。設(shè)計荷載：汽車-超20級，掛-120。

橋梁加固前焦作市公路管理局委托檢測單位進行定期檢測及靜載試驗，試驗結(jié)果顯示：

（1）箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫；

（2）撓度校驗系數(shù)＞1，撓度較大，橋梁的實際狀況不能完全滿足設(shè)計荷載要求。

6.2 橋梁維修加固方案

（1）箱梁底裂縫封閉。對寬度＜0.15mm的裂縫，采用環(huán)氧樹脂膠對裂縫進行封閉。

（2）箱梁梁底進行碳纖維板預應力加固。對箱梁粘貼碳纖維板，并對碳纖維板施加預應力來補償由于箱梁剛度損失而導致的撓度增加，抑制裂縫的發(fā)展，增加箱梁底面壓應力的儲備，同時提高箱梁的抗彎和抗剪能力。

6.3 碳纖維板預應力施加大小的確定

試驗研究表明，碳纖維板預應力加固后的梁板滿足平截面假定。混凝土和鋼筋的應力-應變關(guān)系符合規(guī)范，混凝土和碳纖維板無相對滑移，在彎曲極限狀態(tài)梁板鋼筋屈服，開裂截面受拉區(qū)混凝土作用不考慮。基于上述基本假定，加固后碳纖維板預應力加固梁板正截面分析如圖1所示。

定公式（9）求出混凝土下緣應變值εb

式中：εce為碳纖維板張拉后混凝土的預壓應變；Ec和Ef分別為混凝土和碳纖維板彈性模量；A0和I0分別為梁換算截面的面積和慣性矩；e為碳纖維板受力中心至截面中性軸的距離。

經(jīng)過計算分析，確定碳纖維板規(guī)格和碳纖維板預應力。在橋跨范圍每片小箱梁沿底板縱向布置寬50mm、厚2.0mm的單層碳纖維板2條，碳纖維板設(shè)計強度為2800MPa，張拉控制應力為1400MPa，單條碳纖維板張拉力為140kN。

圖1 碳纖維板預應力加固梁板正截面分析圖

根據(jù)梁板截面受力平衡可以得出：

由x=0.8xc可求出受壓區(qū)高度xc，并結(jié)合平截面假

6.4 箱梁碳纖維板預應力加固工藝流程

預應力碳纖維板加固工藝流程：搭設(shè)施工平臺→梁底表面處理→鉆孔植入錨栓，安裝錨固座鋼板→安裝碳纖維板張拉端和固定端的錨夾具→張拉碳纖維板并錨固→碳纖維板涂膠并頂壓粘貼→碳纖維板張拉端和固定端的砂漿封閉防護。

（1）材料選擇。①應使用與碳纖維板配套膠黏材料和表面防護材料；②碳纖維板和配套膠黏材料應符合規(guī)范規(guī)定的性能指標及使用環(huán)境要求；③經(jīng)過對橋梁特點、材料經(jīng)濟性等多方面綜合考慮，沁河特大橋采用的碳纖維板厚度為2.0mm、寬度為50mm；④碳纖維板的主要技術(shù)標準：抗拉強度＞2800MPa，彈性模量＞164000MPa，伸長率≥1.7%。

（2）施工環(huán)境。①施工溫度范圍以5～35℃為宜，當環(huán)境溫度＜5℃時，應采用與低溫配套的膠黏劑，或采取升溫措施；②濕度在80%以下，如施工環(huán)境濕度較大，應對粘貼面進行干燥處理；涂刷膠黏劑前，確認板底粘貼表面干燥，無油污、無粉塵。

（3）施工放樣。①在箱梁板底放樣應先用鋼筋定位儀找出定鋼筋的位置，再標記出碳纖維板和錨具的位置；②打磨混凝土基層表面，并使其表面平整。

（4）安裝預應力碳纖維板。①施工時的溫、濕度要求同前；②按設(shè)計要求的長度尺寸截取碳纖維板，并保證其整潔、平整、無瑕疵；③嚴格按照錨固裝置要求，將碳纖維板安裝在固定端夾具及張拉端夾具內(nèi)；④待預應力張拉完畢后，在碳纖維板和梁底接觸面上涂抹粘結(jié)劑。

（5）張拉碳纖維板。①碳纖維板張拉控制應力1400MPa；②確保碳纖維板受力均勻，碳纖維板中心線為受力中心線；③施加預應力時，先給碳纖維板施加10%的控制應力，使碳纖維板繃直，再以20%和60%控制應力給碳纖維板施加預應力，預應力達到100%的控制應力時，校驗張拉伸長值，每一級之間持荷5min；④碳纖維板張拉的過程中，如撓度變化有異常，應停止張拉，并檢查原因。

6.5 橋梁加固后靜載試驗結(jié)果及效果評估

為了評估碳纖維板預應力加固后的效果，在橋梁加固前和加固完成后，對橋梁結(jié)構(gòu)進行靜力荷載試驗，對箱梁頂部及底部砼應變、梁撓度等進行對比，綜合分析加固后橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際受力狀況是否滿足設(shè)計及規(guī)范要求，對橋梁結(jié)構(gòu)做出總體評價。

（1）撓度測試結(jié)果。沁河特大橋撓度測試結(jié)果表如表1所示。測試結(jié)果表明，各片箱梁撓度測點的校驗系數(shù)在0.49～0.68，平均校驗系數(shù)0.588，校驗系數(shù)均＜1；撓度測試值變化趨勢與理論值基本一致，說明橋跨實際剛度滿足設(shè)計荷載要求。試驗荷載作用下，各片箱梁的撓度相對殘余值最大值為2.81%，均＜20%的規(guī)范值，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況。

（2）應變測試結(jié)果。沁河特大橋應變測試結(jié)果表如表2所示。測試結(jié)果表明，各片箱梁應變測點的校驗系數(shù)在0.31～0.62，平均校驗系數(shù)為0.467，均＜1；應變測試值變化趨勢與理論值基本一致，說明橋跨實際承載能力滿足設(shè)計荷載要求。試驗荷載作用下，各片箱梁的應變相對殘余最大值為6.13%，均＜20%的規(guī)范值，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況。

（3）根據(jù)靜載試驗結(jié)果可以分析出，碳纖維預應力板加固后，能夠顯著改善梁體結(jié)構(gòu)應力狀況，增強結(jié)構(gòu)的剛度和箱梁截面的承載能力，提高了橋梁的結(jié)構(gòu)安全性。通過對箱梁梁底施加預應力，可以使既有的裂縫得到一定程度的閉合，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性。

7 結(jié)束語

采用預應力碳纖維板加固混凝土梁橋技術(shù)，不需要封閉交通，對原梁板不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，封閉板底裂縫，加固工藝簡單、周期短，不僅能提高橋梁的承載能力，增加橋梁的耐久性，而且維修加固成本低。因此，預應力碳纖維板加固技術(shù)有很好的應用前景。

表1 沁河特大橋撓度測試結(jié)果表

表2 沁河特大橋應變測試結(jié)果表