預應力碳纖維板對危橋加固效果的提升

汪 洋，駱美勇，袁新順

(1.中交二航局建筑科技有限公司，武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040)

石板大橋位于重慶市九龍坡區石板鎮，大橋共5跨全長130 m,所在線路道路為G212國道，等級為二級公路。其上部結構為預應力混凝土連續空心板結構，橋墩則采用柱式墩、樁基礎，橋面鋪裝層采用水泥混凝土路面。

由于石板大橋修建年限較早、當地經濟不斷發展、交通運輸量快速增長和重車超載等原因，橋梁開始出現嚴重的老化現象。橋梁管理部門在2014年對石板大橋進行定期檢測，技術評定為3類，有中度缺損。但是在2018年的檢測中，橋梁被評為4類橋梁，主要構件有重大缺損，嚴重影響橋梁使用功能和承載能力，不能保證正常使用。憑借著經濟性能好、施工便捷、對橋梁結構影響小等優點，此次加固項目將采用預應力碳纖維板加固技術對石板大橋進行加固，預應力為60 kN。

1 預應力碳纖維板技術

1.1 常見的加固方法

陳華等[1]指出加固行業中最常見的有三種加固方法。1)加大截面法：此施工工序較為復雜且會對結構產生較大影響；2)非預應力碳纖維片材加固：此方法雖然能夠增加極限荷載，但是無法發揮處出碳纖維板全部的抗拉強度，且應力滯后現象十分明顯；3)預應力碳纖維板加固：碳纖維已被預應力拉直，在橋梁結構發生變形時可以立刻發揮作用，碳纖維抗拉強度得到了充分的利用。

預應力碳纖維板加固技術于20世紀80年代后期開始運用于我國工業與民用建筑的加固修復中，并在20世紀90年代開始運用于橋梁、隧道和其他特種結構。

1.2 預應力碳纖維板的優點

國內外許多學者對預應力碳纖維板加固技術的優點都有深入的研究。Thanasis等[2]的實驗結果指出預應力碳纖維板技術能最大限度控制裂縫的產生；AI-Saidy等[3]的實驗報告展示了預應力碳纖維板能夠將損壞后的梁的承載能力恢復至損壞之前的狀態；鄧朗妮等[4]在他們的研究中指出預應力碳纖維板加固后的結構相較于普通非預應力加固方法，其承載能力和抗彎能力有顯著的提升；彭暉等[5]的實驗也顯示了預應力碳纖維板相比于非預應力碳纖維板有更高的碳纖維的強度利用率，更能充分發揮碳板的強度。以上所有學者的文章中也均提及預應力碳纖維板加固技術有著抗拉強度高、自重輕、抗腐蝕和抗疲勞的優點。

1.3 預應力碳纖維板加固法施工主要工序

此次石板大橋加固所采用的技術為“后張法”，如圖1所示，碳纖維板通過摩阻錨固原理與固定端相連接，通過千斤頂頂推反力架的方式拉動張拉桿，通過張拉桿傳遞拉力至碳纖維板并拉伸碳纖維板。具體工序如下所示：

在錨固端和張拉端位置開出深度為25 mm的槽，找平和清理開槽基面 → 在預定的位置鉆孔并種植化學錨栓 → 安裝錨固端和張拉端基座 → 安裝預應力碳纖維板 → 在碳纖維板上涂抹適量的碳板膠 → 用專用的千斤頂設備逐級張拉，張拉分級為：0、20%、40%、60%、80%和100%，并持荷2 min → 用壓緊條將碳板與橋底板貼合、碳板膠固化 → 對預應力碳纖維版和錨頭進行防護處理。

2 力學分析

2.1 加固作用原理

碳纖維板的加固作用原理和目的是使碳纖維板承擔一部分構件混凝土里面的鋼筋承擔的拉應力，所以鋼筋混凝土構件受到的拉力能得到有效的緩解，從而保護混凝土構件。根據設計要求，石板大橋加固所用的預應力碳板的抗拉強度高達2 400 MPa，彈性模量為1.6× 105MPa，如果要發揮抗拉強度需要1.7%的伸長變形；可是鋼筋的抗拉強度只有300 MPa而且拉伸率僅僅為0.15%。如果不加預應力，就算鋼筋達到屈服狀態時碳纖維板也僅僅發揮出8.8%的抗拉強度；而如果讓碳纖維板發揮出全部強度，混凝土結構則會產生大的變形和明顯的裂縫。所以對碳纖維板施加預應力能預先發揮其抗拉強度，從而提高強度利用率。

2.2 預應力的損失

石板大橋加固工程采用的預應力碳纖維板加固技術屬于“后張法”，由于張拉工藝和材料的特點，預應力會部分損失，因此預應力損失后剩余的預應力即為有效預應力。參考《混凝土結構設計規范》，主要有瞬時損失和長期損失。瞬時損失主要有：1)錨具變形和碳纖維板回縮引起的損失；2)后張拉的預應力碳板所產生的混凝土彈性壓縮變形會導致相鄰先張拉的預應力碳板的預應力損失。長期損失主要有：1)溫度變化造成的預應力損失；2)碳纖維板徐變導致的預應力損失； 3)混凝土的收縮和徐變導致的預應力損失[4]。

以上造成預應力損失與碳纖維板的幾何尺寸、錨具的構造類別、施工方法以及混凝土的強度有比較大的關系。根據鄧朗妮論文中的實驗數據，預應力損失基本在施加預應力的8%以內。由于千斤頂的讀數與實際也有一定的誤差，所以建議預應力損失估算值為10%～15%。

3 加固效果分析

如圖2和圖3所示，本次橋梁加固項目采用有限元分析軟件Midas Civil建立有限元分析模型，主梁為平面梁單元。按照設計，考慮了永久作用載荷、汽車、人群、溫度等荷載。橋全長130 m，跨徑組合為：17 m+3×23 m+17 m。預應力碳纖維板張拉力為60 kN。

表1 加固前后最不利截面彎矩驗算表 /(kN·m)

根據Midas Civil的計算結果，如表1所示，預應力碳纖維板張拉以后彎矩抗力值在墩頂截面、中跨跨中截面和邊跨最大彎矩處截面均滿足要求，故此次加固項目達到恢復橋梁承載力的目的。

4 施工應注意的問題

石板大橋修建于1999年，由于其修建年代久遠以及施工工藝等問題，給現場施工帶來了些許不便。因此有必要列舉此次施工應注意的事項和問題，以便分享經驗防范施工風險。

1)由于錨固端位于橋墩附近，且該處鋼筋分布十分密集，所以應提前用鋼筋探測儀探明鋼筋的具體位置，再選擇合適位置打孔。

2)由于當年修建石板大橋的年代存在施工人員素質參差不齊和施工工藝較落后等問題，開槽發現混凝土保護層存在過薄的情況，有的厚度甚至不到5 mm。面對這種情況需要使用壓緊條保證碳纖維板和橋底面相貼合。

3)由于錨具的設計原因，錨栓孔過大，從而導致四只錨栓穿過錨具后不能保證全都能與支座相接觸并提供抗剪力。所以張拉過程中存在四只錨栓不全都抗剪的現象，嚴重時可能只有一根錨栓抗剪。所以施工中一定要保證所有錨栓都要接觸到錨具，如有未接觸現象，務必保證使用適當措施填充滿錨栓與錨具之間的縫隙。

5 展 望

預應力碳纖維板加固技術目前已在一定數量的工程中得到應用并取得了良好的加固效果，有效解決了碳纖維板與鋼筋共同工作性能差的缺點，充分利用了碳纖維板的抗拉強度。但是目前而言在此項技術的研究還是非常薄弱，施工工藝也有待加強，以下幾項值得進一步完善和研究：

1)目前建筑行業中還是缺少有針對性的技術規范，有的相關公式都只是借鑒于其他規范尚未形成一套整體。有的規范多限于梁底加固，對于梁側加固甚至是鋼結構加固缺少研究，成為技術應用的瓶頸。

2)缺少加固完成后碳纖維板長期性能的研究，預應力的損失、碳纖維板的耐腐蝕性、壽命和耐火性都缺少研究和實驗。

3)開發一種不需要開槽且同樣可以讓碳板與橋底板相貼合的錨具，避免出現論文所描述的混凝土保護層過薄現象對施工造成的困擾。

4)隨著越來越多的橋梁結構需要加固，需要開發一種結構加固運算專用的插件，以便更有效地運用Midas Civil、Ansys甚至是BIM相關軟件。