預應力CFRP板在裝配式小箱梁橋加固中的應用*

陳金州，李 謙，宋 林

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

裝配式小箱梁構造簡單、施工便捷、應用廣泛，但普遍存在嚴重病害和安全隱患，因此對該類結構橋梁進行加固改造已刻不容緩。傳統加固法主要有粘貼鋼板法、粘貼纖維復合材料法和體外預應力法等[1]，其中，粘貼碳纖維增強板(carbon fiber reinforced plate，CFRP)具有明顯優越性,在國內外橋梁加固中應用廣泛，設計理論已較成熟[1-2]；但受限于預應力CFRP板材的計算理論和施工工藝，有關預應力CFRP板材加固混凝土梁的試驗和理論研究主要集中在實驗室模型階段，針對實橋的研究相對較少[3]。

本文依托巖盤溝大橋加固工程，進行預應力CFRP板材帶載主動加固設計與驗證，并總結基于裝配式錨固裝置的快速施工工藝。

1 工程概況

巖盤溝大橋位于宜昌市秭歸縣境內，橋跨布置為(43+40+40)m，采用裝配式正交預應力混凝土小箱梁，先簡支后連續結構。橋面寬10.5m，上部結構橫向布置3片梁，預制梁高2.0m；橋面鋪裝原設計采用的13cm厚C50防水混凝土出現局部破壞，2014年調整為5cm厚瀝青混凝土+防水層+10cm厚C50防水混凝土。2015年，經荷載試驗檢測評定，其橋跨結構不滿足公路-Ⅱ級設計荷載下的承載能力要求。因此，需對本橋進行加固改造。

為提高主梁承載能力，采用主動加固設計方案：橋梁結構自重及其他早期恒荷載由原結構承擔，橋面鋪裝重新改造增加的恒荷載和使用階段的活荷載由加固后的組合截面承擔[2]。橋址鄰近三峽大壩旅游景區，處于交通要塞，缺乏轉換或替代交通道路，須在減小交通影響的情況下，對橋梁結構進行快速、帶載加固。

2 加固設計

為更好地推動CFRP材料在橋梁工程中的應用，研發預應力CFRP板材加固技術。通過錨栓將錨固裝置固定在待加固梁上，并對CFRP板施加預應力；該預應力經錨固裝置傳遞給主梁后，主梁與CFRP板材形成新的內力自平衡狀態；在受拉區采用黏結劑加強CFRP板與主梁的共同受力，從而提高主梁承載能力。該技術同時具有普通粘貼CFRP布加固法和體外預應力加固法的優點。

2.1 預應力CFRP板材與錨固裝置

相同張拉控制應力下，10cm寬CFRP板材的張拉力為5cm寬的2倍，即提供的預應力達到雙倍效果；對于底板相對較寬的混凝土箱梁，采用10cm寬CFRP板材及其配套的錨固裝置，布局更經濟、美觀，施工更快捷。

2.2 預應力CFRP板材張拉控制應力

目前沒有相關標準規范對CFRP板材張拉控制應力做出明確規定。由CFRP板材型號分類和材料特性可知，Ⅰ級CFRP板材的延伸率一般≥0.017[4]，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)[5]，允許拉應變[εcf]≤0.017×2/3=0.011，且應同時滿足[εcf]≤0.01，所以取[εcf]=0.01[6]，經計算得到允許張拉控制應力為1 650MPa，故張拉控制應力取0.65倍極限張拉應力較保守、安全和合理。

2.3 預應力CFRP板材有效預應力

CFRP板材作為體外預應力筋使用尚處于探索階段，其材料屬性、錨具及預應力損失與傳統預應力鋼筋不同[1]。對運營5年以上的巖盤溝大橋進行體外預應力加固設計時，可忽略由混凝土收縮和徐變引起的預應力損失。初始張拉應力小于50%CFRP板材抗拉強度時，松弛對其產生的預應力損失可忽略不計。由張拉體外CFRP板材引起的混凝土壓縮會導致預應力混凝土小箱梁體內預應力產生損失。因此，預應力損失主要為體內預應力損失和CFRP板材的錨固回縮。

2.4 加固設計要點

1)利用樹脂類材料在小箱梁底板縱向粘貼2條高強度 Ⅰ 級預應力CFRP板，尺寸為100mm×2mm，同步張拉，形成復合結構，通過與混凝土主梁協同工作對構件起加固作用，改善結構受力性能[2]。

2)受限于錨固裝置與混凝土主梁的局部應力控制，10cm寬預應力CFRP板材的單條張拉控制應力取1 395MPa，即161kN。張拉控制應變為0.5%，張拉采用應力和應變雙控，且偏差應≤6%。為防止CFRP板發生剝離破壞，錨固區采用多螺栓齒鎖錨固設計。

3)預應力CFRP錨具及支座構造如圖1所示。CFRP板現場下料、夾持、張拉等工序可在短時間內完成，且可避免大型施工機械設備和現場濕作業，實現快速施工。

圖1 預應力CFRP錨具及支座構造

3 有限元分析與試驗結果

為獲取橋梁的真實工作性能，加固前、后均對巖盤溝大橋進行荷載試驗，對比分析加固前、后主梁關鍵截面在荷載作用下的反應，評估橋梁加固效果，確定橋梁加固后的實際承載能力和使用性能[3]，并結合理論計算值評價CFRP板材加固效果，確定理論分析精準度。

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil軟件，使用梁格法建立全橋分析有限元模型，共劃分371個結點，235個梁單元，256個虛擬梁單元(模擬主梁間橫向聯系)，如圖2所示。

圖2 巖盤溝大橋梁格模型

用虛擬橫梁代替橋梁橫向連系，避免橫向分布簡化帶來的計算誤差。CFRP板材料彈性模量為1.6×106MPa，容重為18kN/m3，線膨脹系數為1×10-6/℃。

3.2 測點布置

經計算，得到加固前、后主要靜載試驗工況如表1所示，測點布置如圖3，4所示，除1號梁撓度測點(fa-1，fb-1，fc-1，fg-1)外，其他均為應變測點。工況2，7偏載狀況下加載車輛布置如圖5所示。動載試驗過程中，在圖3所示3個跨中截面各布置1個頻率測點，1個動撓度測點。

表1 靜載試驗工況

圖3 巖盤溝大橋試驗跨控制截面布置

圖4 A—A(B—B，C—C，D—D，E—E，G—G)截面應變及撓度測點布置

圖5 工況2，7加載位布置

3.3 靜載試驗分析

3.3.1應變分析

預應力CFRP加固前、后，主梁在各工況下的應變變化如圖6所示(負值表示壓應變，正值表示拉應變)。限于篇幅，僅列出部分工況的應變變化曲線。

圖6 各工況下加固前、后主梁應變曲線

加固前，工況1，2，5作用下的應變實測絕對值均小于理論值；工況3，4作用下B—B截面4號測點的實測值大于理論值，說明該工況作用下第2跨跨中梁底偏不安全；同時，工況6，7作用下G—G截面5號測點的應變實測值大于理論值，此處應為加固設計的關鍵部位。

經預應力CFRP加固后，巖盤溝大橋實測應變值小于加固前的實測應變值，且小于理論值；加固后的應變理論值、實測值曲線變化趨勢基本相同，且兩者相差較小。預應力CFRP加固理論計算合理，加固后巖盤溝大橋主梁的受力性能得到明顯改善。

3.3.2撓度分析

通過CFRP板對主梁施加預應力后，各工況下的撓度值均小于理論值。加固后的理論撓度值較加固前有所減小，最大相差8%，出現在工況3作用下的B—B截面；其中，主梁加固后的撓度實測值較加固前最大減小1.65mm，出現在工況2作用下的A—A截面。說明預應力CFRP板加固可顯著減小主梁結構變形。

3.4 動載試驗分析

巖盤溝大橋加固前、后結構一階頻率實測值如表2所示，橋梁加固前、后結構一階頻率的實測值均大于理論計算值，且加固后一階頻率變大；實測振型與計算模型振型吻合較好。因此，預應力CFRP板加固可提高結構豎向剛度。

表2 巖盤溝大橋加固前、后一階頻率

4 加固施工

1)放樣與基層處理 按設計圖紙放樣，用鋼筋定位儀核定鋼筋位置，并確定CFRP板和錨栓安裝位置。采用機械分條切割錨固板槽口，槽口深度≥30mm；對混凝土基層粘貼表面進行打磨除塵處理。

2)錨栓與張拉機具固定安裝 采用電鉆種植錨栓安裝兩端錨固板；張拉端錨固板上分別安裝鎖固座和張拉底座。

3)碳纖維筋板下料與涂膠 裁剪CFRP板并使用細砂布輕輕打磨粘貼面，壓入兩端錨具；在CFRP板與梁板混凝土接觸面涂膠黏劑。

4)CFRP板及錨具安裝 將CFRP板固定端直接安裝至鎖固座；張拉端錨固裝置螺栓安裝就位后，沿張拉方向安裝張拉牽引螺桿和臨時張拉底座，張拉牽引螺桿穿過張拉底座后，安裝液壓千斤頂。

5)CFRP板張拉 旋擰固定端螺母調整CFRP板位置，確保錨具張拉行程。對CFRP板施加15%的張拉應力，使其繃直。依次張拉至設計控制應力的30%,50%和75%，每級間持荷5min。施加預應力達到設計控制應力的100%后繼續持荷5min，復驗CFRP板組件張拉伸長值與理論伸長值是否滿足要求。張拉控制應力為1 395MPa，控制伸長率為0.9%。當張拉應力值和張拉錨具行程滿足要求后，超張拉加載3%～5%，錨固張拉端至鎖固座，液壓千斤頂卸壓，拆除張拉底座、千斤頂等張拉機具。

5 結語

通過在巖盤溝大橋應用預應力CFRP板加固技術，實現帶載、主動加固設計和快速便捷施工，解決預應力CFRP板材加固計算和錨固等關鍵技術問題；并系統研究主梁在加固前、后的受力性能和動力特性。預應力CFRP加固技術具有高強高效、施工便捷快速、低交通影響及不改變橋梁凈空等顯著優點，在橋梁維修加固工程中具有很大的應用與推廣前景。