預應力碳纖維板加固體系在公路橋梁中的應用現狀

傅原星 葉青華 周攀

摘? 要：本文探討了公路橋梁中碳纖維板加固體系的應用現狀，在此基礎上分析了實際應用過程中常見的、易忽視的一些問題原因，并提出針對性解決措施，以期進一步優化公路橋梁預應力碳纖維板加固體系的應用效果。

關鍵詞：公路橋梁;橋梁加固;預應力;碳纖維板

中圖分類號：U445.72? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）08-0000-00

0 引言

近年來，通過在橋底橫向張拉預應力碳纖維板來進行加固的模式應運而生，其可以提高橋板整體剛度和承載能力。預應力碳纖維板加固技術在高速發展的同時，其在應用過程中出現的問題也越來越多。預應力碳纖維板加固技術能否真正實現預期的良好加固作用，根本在于其加固體系是否完善與合理。公路橋梁預應力碳纖維板加固技術近年來越來越受到重視，全國各地的應用案例逐年增加，這對于橋梁加固技術的發展具有十分重要的意義。

1 張拉錨固體系概述

錨固體系是將預加載應力的碳纖維板與加固對象（混凝土梁體）有機結合的構件體系的總稱，是碳纖維板與被加固混凝土梁體連接與傳力的關鍵裝置。當前，工程應用中錨固體系一般分為兩部分：錨具和錨固裝置。錨具是用于夾持預應力碳纖維板的構件;錨固裝置是將錨具固定于被加固混凝土梁體的構件[1]。

1.1 錨具概述

在預應力碳纖維板加固施工中，錨具（夾持碳纖維板材的端部構造）的選擇問題至關重要，其直接決定了體外預應力能否施加成功。基于錨具的使用特點，其必須具備較高強度，且能夠承受足夠大噸位的張拉應力，同時能對碳纖維板進行有效夾，保證碳纖維板不出現剝離損傷等特性。目前在工程實際應用中，碳纖維板錨具按夾持方式一般分為擠壓式錨具和夾片式錨具。其中擠壓式錨具主要有墩頭錨具、平板錨具和波形錨具。當前，使用較為廣泛的是湖南大學吳志平團隊研制的平板錨具和重慶大學卓靜團隊研制的波形錨具等。而夾片式錨具主要有廣西工學院鄧朗妮等基于摩阻原理研制開發的新型夾片錨具。

（1）波形錨具。波形錨具是擠壓式錨具的典型代表，其是由重慶大學卓靜在平板錨具的基礎上進行改進和研制的新型錨具。該錨具主要構造有下鋼板、上鋼板以及錨栓。其原理主要是通過摩擦力（由螺栓提供的擠壓力產生）和粘結力（碳巧維板材與上、下鋼板之間膠體），對碳板進行有效夾持。因此，該錨具不會產生橫向剪切力集中作用現象，對于抗剪性能較差的碳纖維板材具有較好的適用性。此外，該種波形錨具巧妙的將上、下鋼板內側改為波形螺紋設計，并保證上、下兩塊鋼板齒紋相吻合，有效的加大了碳纖維板材與鋼板的作用面積，提高了錨固效果。（2）夾片錨具。夾片錨具主要構造有上、下夾片和錨板。其原理主要是借鑒了鋼絞線張拉后夾片錨固的相關工藝，即借助對碳纖維板的張拉而連帶夾片有效楔入對應錨板，進而錨板產生足夠正壓力提供相應摩擦力來實現錨固作用。值得注意的是，該錨具巧妙的利用了楔形構造，使得張拉力增大的同時夾片在橫向方向的正壓力逐漸變大，進而提供對碳纖維板充足的摩擦力。另外，通過對該夾片錨具的進一步分析，在施工方面該種夾片錨具與其他錨具有較大不同，即該種錨具在作用前需要施加一定的預緊力，保障上下兩塊夾片有效楔入，以保障后續借助楔入作用在張拉力增大的同時，產生足夠的摩擦力，抵抗碳纖維板材的相對滑動。（3）對比分析。通過擠壓式波形錨具和夾片錨具的錨固性能、耐久性、施工難度等方面進行對比，兩種主流錨具各具優點：1）在受力方面，波形錨具和夾片錨具都有良好的錨固性能;2）在安全和耐久性方面，兩者都具備較好的耐久性;3）在構造和施工便利性方面，波形錨具更具優勢，構造簡單，施工便利，更適用于快速加固施工。

1.2 錨固裝置

錨固裝置是將碳纖維板有效固定在被加固試件上的構件，主要是通過錨固裝置將張拉應力穩定的向被加固橋梁傳遞，即錨固裝置需要有足夠強度承擔大噸位的張拉力，此外結構穩定性、安全性也至關重要。長期工程實際證明，對于板梁體外預應力碳纖維板錨固裝置，其尺寸允許保持在較小范圍，主要是因為該種情況一般張拉應力不大且底板空間相對有限。實際操作中，錨固裝置具體尺寸往往依據張拉噸位的大小進行反向驗算。具體做法上，可配置少許錨栓，方形的底鋼板，并在錨固裝置間設計鋼肋板提高承載力，進而保障有效傳遞張拉力。

2 現有錨固體系存在的問題

通過對現有工程應用案例的廣泛調查和長期應用效果跟蹤，主要有以下兩方面問題值得關注 [2]：

2.1 后張拉索對先張拉索的損失

通常現場加固時每一跨會有多根預應力碳板，而這些碳板的張拉是逐根進行的，因此先張拉索的預應力在后續索張拉過程中，隨著梁體的上拱變形預應力會損失，從而使得各索的預應力不均勻達不到設計要求。近期也有一些項目要求施工時各索要同步張拉，但限于設備原因，要做到同步張拉比較困難。

2.2 預應力碳板與梁體之間的空隙大

不論使用哪種錨具，由于錨具本身的厚度至少在2.5cm以上，故在錨具處碳板與梁體表面間隙至少有1cm。由于梁板本身有一個施工上拱度和張拉拱度，而碳板在張拉過程中會促使梁板進一步上拱，因此碳板與梁體表面的間隙越往跨中會越大。筆者現場實測，20m空心板，張拉完成時最大間隙達到5cm。而設計文件要求碳板要緊貼梁體，使用結構膠粘貼在一起。為了達到這個要求，施工時通常使用壓板來固結，但在固結過程中，將促使預應力碳板的應力增加，這與設計應力相去甚遠。

3 相關建議

基于對以上工程實際的總結分析，參考現有理論及技術研究，就公路橋梁預應力碳纖維板加固體系提出以下建議[3]：

3.1 著重于后張法相關研究

結合工程實際看，后張法是目前應用最廣泛和效果相對穩定的預應力施加方式，各領域應著重加強對其施加方式本身原理、施工方式優化等方面的研究，以及與其相關的裝置設備的研制。

3.2 合理選擇錨固方式

當前預應力碳板加固相關的錨固方式多樣，且相關研究不斷深入、相關裝置持續研發。因此在實際工程中，一方面需根據實際需求、工程特點、成本等進行合理選擇，保障其適用性和可行性;另一方面也應積極嘗試成熟安全的新方法和新裝置，共同推動碳板錨固技術的進步。

3.3 結合實際深化碳板加固體系研究

當前，針對橋梁碳板加固整個體系的研究較多，但多偏于理論，往往容易忽略部分常見問題，這與實際有一定距離。因此，應進一步結合實際，以解決工程問題為導向，深化碳板加固研究，如：（1）在工程實際中較難實現同步張拉，需結合實際解決多次張拉產生的預應力損失問題;（2）預應力碳板與梁體之間的空隙在理論研究中忽略較多，而在實際中對預應力卻又影響較大，應結合實際深化分析;（3）運營期預應力損失比較難獲得準確數據，應探索內置傳感器自動監測的方式實現。

參考文獻

[1] 廖陽.預應力碳纖維板錨具夾持性能試驗研究[J].四川水泥，2017（2）：344.

[2] 田密.錨索預應力損失與控制分析[J].交通世界，2016（31）：74-75.

[3] 中交第一公路勘察設計研究院有限公司.JTG/J22-2008.公路橋梁加固設計規范[S].北京：人民交通出版社，2008.

收稿日期：2020-07-03

基金項目：浙江省公路與運輸管理中心科技計劃項目《空心板橋自感知預應力碳板橫向加固和監測技術研究》（2019H20）。

作者簡介：傅原星（1989—），男，浙江麗水人，大專，工程師，研究方向：橋梁工程檢測。