預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T 梁橋應(yīng)用分析

■翁嘉福

（莆田市公路事業(yè)發(fā)展中心，莆田 351100）

改革開放40 多年來，我國路橋視野蓬勃發(fā)展，截至2019 年底，全國公路橋梁近90 萬座，規(guī)模世界第一， 但是其中需要維修加固的橋梁超過總數(shù)15%，橋梁維修加固任務(wù)繁重[1-2]。 2020 年12 月，交通運輸部提出到2025 年基本完成2020 年底存量四、五類橋梁改造的要求。 提高既有橋梁的承載能力和橋梁荷載等級，確保道路交通正常運行和行車安全，已成為橋梁管養(yǎng)部門和維修加固部門的迫切需要解決的一道難題。 預(yù)應(yīng)力碳纖維板（CFRP）加固橋梁技術(shù)，是在碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力并錨固于加固橋梁的構(gòu)件上，將體外預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點與碳纖維材料高強度性能結(jié)合在一起的一種技術(shù)，可大大提高碳纖維材料的利用率，能在一定程度上愈合既有橋梁構(gòu)件的裂縫，提高構(gòu)件的承載能力。 其主要優(yōu)點表現(xiàn)在對碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力可以充分利用碳纖維的材料性能， 提高橋梁的屈服荷載和極限彎矩；對碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力還可以抵消橋梁結(jié)構(gòu)中原有的一部分荷載， 減小主梁底部承受的拉應(yīng)力作用，提高截面剛度；預(yù)應(yīng)力的施加可以閉合結(jié)構(gòu)原有的裂縫，延緩新裂縫的出現(xiàn)，提高結(jié)構(gòu)的開裂荷載，緩解主梁的剝離破壞，防止由于開裂導(dǎo)致鋼筋銹蝕并造成次生病害[3-6]。 對于預(yù)應(yīng)力CFRP 的施工技術(shù)，陳小英等[7]利用夾板與碳纖維板之間的機械咬合力以及填充膠的粘結(jié)力提供錨固力，基于波形齒錨具錨固FRP 片材的力學(xué)機理對錨固長度計算中的參數(shù)、波形齒錨具的長度、配套螺桿的設(shè)計進(jìn)行試驗研究并提出其設(shè)計參數(shù)及設(shè)計方法。 朱萬旭等[8]研發(fā)了一套新型預(yù)應(yīng)力CFRP 錨固裝置，較現(xiàn)有裝置有較大提升。 封明明等[9]詳細(xì)介紹了預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)的施工工藝流程及施工要點，并應(yīng)用于曲面混凝土梁加固工程。 李高華等[10]采用鉸式波形錨張拉碳纖維板的施工工藝， 通過鉸式錨，將兩端的錨頭調(diào)整保持兩點一線，使碳纖維板受力更均勻。 綜上所述，目前關(guān)于預(yù)應(yīng)力CFRP 加固的施工技術(shù)研究已有所進(jìn)展，但大多局限于結(jié)構(gòu)工程方面，從材料性能（碳纖維布和配套樹脂）、張拉方式、 錨固方式以及如何減少預(yù)應(yīng)力損失等方面進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)的深入研究。 因此，本文總結(jié)了預(yù)應(yīng)力CFRP 加固橋梁的主要施工技術(shù)并應(yīng)用于實際工程，通過橋梁技術(shù)狀況評定、結(jié)構(gòu)驗算、加固方案和靜載試驗，以驗證該方法的正確性，可行性，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 預(yù)應(yīng)力CFRP 加固T 梁橋施工技術(shù)

1.1 預(yù)應(yīng)力CFRP 的選擇

對于預(yù)應(yīng)力CFRP 加固橋梁而言，加固材料的選擇、張拉和錨固方式的設(shè)計，對于結(jié)構(gòu)安全和加固效果有著重要的影響。 由于T 梁跨徑大、抗彎剛度小，使得預(yù)應(yīng)力CFRP 加固T 梁的破壞形式為撓曲破壞，達(dá)到破壞荷載時，混凝土與碳纖維板之間的粘膠拉應(yīng)變接近脫開限值， 預(yù)應(yīng)力CFRP 加固T梁抗彎承載力得到明顯提高，但抗彎剛度提高不明顯。 由于受錨具尺寸與加固時所需的操作空間限制，T 梁最多加固3 片碳纖維板，不同數(shù)量的碳纖維板加固位置示意如圖1 所示。 相關(guān)研究表明，每增加一片規(guī)格為100 mm×1.4 mm 的預(yù)應(yīng)力CFRP，開裂彎矩、屈服彎矩、極限承載力分別平均提升6%、8%、12%， 側(cè)面粘貼對于承載力提高比例略低于底面粘貼，如圖2 所示[11]。 因此，T 梁橋采用預(yù)應(yīng)力CFRP 加固時一般采用3 片預(yù)應(yīng)力CFRP。

圖1 加固位置示意圖

圖2 加固數(shù)量對不同跨徑T 梁抗彎承載力影響

1.2 施工技術(shù)與工藝

根據(jù) 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）、《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》（JTG H30-2015）、《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（JTG F90-2015）等規(guī)范的要求，建立完善的預(yù)應(yīng)力CFRP 加固橋梁施工技術(shù)體系用于指導(dǎo)工程實踐。 主要施工步驟如圖3 所示，具體包括：（1）前期準(zhǔn)備。 根據(jù)橋址現(xiàn)場情況搭設(shè)施工支架，根據(jù)設(shè)計圖紙的要求，確定預(yù)應(yīng)力CFRP、錨具等位置。（2）表面處理。在確定預(yù)應(yīng)力CFRP、錨具等位置后，鑿除主梁表面混凝土（約1.5 cm 厚），保證錨具能完全貼合主梁表面，修整預(yù)應(yīng)力CFRP 粘貼區(qū)域的混凝土，保證粘貼面平整無塵。 （3）植入螺栓。 采用植筋法安裝螺栓，鉆孔直徑宜大于螺栓直徑2 mm， 深度不少于10 倍螺栓直徑，宜采用10.8 級及以上高強螺栓。 當(dāng)植螺栓位置與主梁鋼筋沖突時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整植螺栓位置。 依次采用吹風(fēng)機和硬毛刷清理植螺栓孔的灰塵和油污，重復(fù)5 次；再使用丙酮擦拭孔壁、孔底和螺栓；注入合格的植筋膠。（4）錨固固定端和張拉端錨具。使用前，錨具切割邊緣表面光滑，無毛刺、咬口等現(xiàn)象。需使用打磨機或砂紙?zhí)幚礤^具表面，當(dāng)表面有金屬光澤，且打磨紋路應(yīng)與鋼板受力方向垂直，錨具黏結(jié)面有一定的粗糙度時方可使用。 確定螺桿位置，保證中線應(yīng)于碳板軸線基本重合。 使用時，在錨具和主梁混凝土間涂抹粘結(jié)膠， 涂膠應(yīng)自上而下進(jìn)行，中間膠體厚度約5 mm，兩邊略薄，將錨具預(yù)留孔平穩(wěn)對準(zhǔn)螺栓并迅速擰緊螺帽，使錨具與混凝土緊密粘合，清理多余膠體。 （5）張拉CFRP。CFRP 為導(dǎo)電材料， 使用時應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電氣設(shè)備及電源，且應(yīng)避免碳纖維板的彎折。 張拉前，錨具與CFRP 接觸的部位涂上油脂，混凝土與CFRP 接觸的部位使用丙酮擦拭。在碳纖維板上抹2～3 mm 的粘貼膠，先在固定端安裝上碳纖維板，然后在張拉端安裝上碳纖維板和轉(zhuǎn)向板。 張拉時， 應(yīng)確認(rèn)千斤頂與CFRP兩者中線重合。 先給CFRP 施加10%的應(yīng)力，繃直然后將力歸零，記錄張拉端夾具的位置，并再次檢查各部件的位置。 再以20%和60%應(yīng)力給CFRP 施加預(yù)應(yīng)力， 每一級張拉結(jié)束后用扳手?jǐn)Q緊螺帽，每一級之間持荷5 min，記錄張拉端夾具的位置，比較實測值與計算值之間的偏差。 張拉全程需對梁體變形進(jìn)行觀測，異常時應(yīng)及時停止。 應(yīng)力和位移應(yīng)均滿足要求，停頓5 min。無異常后緩慢張拉至設(shè)計值的100%，持荷30 min。 系統(tǒng)無明顯滑移、崩裂等現(xiàn)象，繼續(xù)張拉至設(shè)計值的103%，用雙螺帽固螺桿，卸除千斤頂，螺帽后端留3 cm，其余螺桿做切除處理。 將錨具表面涂上一層防銹油脂，安裝蓋帽。 （6）成品保護(hù)。 用粘結(jié)膠填補錨具四周的縫隙并制作CFRP 保護(hù)層，厚度5 mm。 對所有裸露的金屬蓋帽表面滾涂丙烯酸彈性涂料兩遍。

圖3 預(yù)應(yīng)力CFRP 加固主要施工步驟

1.3 施工控制要點

施工控制要點包括如下：（1）CFRP 涂抹粘貼膠后，張拉至設(shè)計張拉應(yīng)力值的5%，刻錄錨具張拉移動起始線。 繼續(xù)張拉至設(shè)計值的10%， 檢查CFRP與主梁結(jié)合面是否有膠液均勻溢出，如無應(yīng)瀉壓補充膠液；檢測錨具行程位移是否對應(yīng)預(yù)張拉時的刻錄線。 （2）當(dāng)張拉至設(shè)計張拉應(yīng)力值的50%、80%、100%時，再次檢測錨具張拉行程位移是否對應(yīng)預(yù)張拉時的刻度值。超過6%應(yīng)檢查安裝是否正常；若超過10%應(yīng)停止張拉， 更換CFRP。 （3）CFRP 粘貼膠和植螺栓膠均應(yīng)安全有效， 各種機械設(shè)備專職使用，確保萬無一失后方可施工，千斤頂行程速度應(yīng)不超過20 mm/min，嚴(yán)禁快速升降千斤頂。

2 工程背景

2.1 工程概況

某大橋是一座6×20 m 裝配式鋼筋混凝土簡支T 梁橋，橋梁橫斷面由5 片T 梁組成，原設(shè)計荷載：汽車-20 級， 掛車-100 級， 于2001 年2 月建成通車。 橋梁布置如圖4 所示。

圖4 大橋立面布置

2.2 加固前橋梁技術(shù)狀況評定

對背景工程橋梁進(jìn)行病害檢測，根據(jù)現(xiàn)狀檢查結(jié)果， 依據(jù) 《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011）[12]中推薦的評定方法對各部件和各部件進(jìn)行技術(shù)狀況評分計算，采用分層綜合評定與5 類橋梁單項控制指標(biāo)相結(jié)合的方法進(jìn)行橋梁總體技術(shù)狀況的評定。 橋梁總體技術(shù)狀況評分值為72.55，如表1 所示， 背景工程總體技術(shù)狀況等級評定為3 類，即橋梁有中等缺損，尚能維持正常使用功能。由于普通T 梁的承載能力安全儲備較小，加之超載車輛的荷載效應(yīng)有可能大于結(jié)構(gòu)的承載能力，全橋T 梁腹板側(cè)存在大量裂縫， 裂縫寬度最大為0.25 mm。 腹板的豎向裂縫部分呈現(xiàn)中間寬度大、兩端頭細(xì)小的形態(tài)，且往往未貫通梁底，原因主要為混凝土收縮引起； 而部分腹板豎向裂縫呈下大上小，貫通到梁底部，主要為鋼筋混凝土梁在恒載及車輛荷載等作用下產(chǎn)生的彎曲裂縫，屬于結(jié)構(gòu)受力裂縫；支座至1/4 跨區(qū)段的肋板表面出現(xiàn)的斜向裂縫呈現(xiàn)為恒載作用及車輛荷載等作用下產(chǎn)生的混凝土彎剪裂縫。

表1 橋梁總體技術(shù)狀況評定計算結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)驗算

采用MIDAS/Civil 軟件，運用“梁格法”建立全橋桿系有限元模型，如圖5 所示。 根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)，對該橋梁的主梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的荷載組合進(jìn)行承載能力檢算，并且計入相關(guān)的惡化系數(shù)和檢算系數(shù)。

圖5 大橋有限元模型

選取結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力驗算截面如圖6所示，本次驗算截面主要為主筋彎起截面（A、B、C、D）和跨中截面。結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力驗算結(jié)果詳見表2，檢算結(jié)果表明，除跨中截面外上部結(jié)構(gòu)主梁正截面抗彎承載能力滿足要求。

圖6 抗彎驗算截面位置示意圖

表2 正截面抗彎強度驗算結(jié)果匯總

選取結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載能力驗算截面如圖7所示，本次驗算截面主要為主筋彎起截面（A、B、C、D）、支點附近h/2 截面（E）及箍筋間距變化截面（F）。結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載能力驗算結(jié)果詳見表3， 驗算結(jié)果表明上部結(jié)構(gòu)主梁斜截面抗剪承載能力滿足要求。

圖7 抗剪驗算截面位置示意圖

表3 斜截面抗剪強度驗算結(jié)果匯總

2.4 加固方案

外觀檢測和結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果表明，背景工程除跨中截面外上部結(jié)構(gòu)主梁正截面抗彎承載能力滿足要求。 因此，考慮采用自重較輕的預(yù)應(yīng)力CFRP 加固橋梁，經(jīng)濟(jì)效益較好，在該大橋主梁梁底和側(cè)面粘貼并張拉預(yù)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板抗彎加固；同時，主梁端部粘貼鋼板以提高抗剪承載力。 加固方案如圖8 所示。

圖8 大橋加固方案

加固后，最不利荷載組合作用下，跨中截面最大彎矩2682 kN·m， 小于抗彎承載力4231 kN·m；支點截面最大剪力為1006 kN， 小于抗剪承載力2630 kN， 說明承載能力極限狀態(tài)最不利荷載組合下該橋主梁正彎矩區(qū)抗彎承載力、支點截面抗剪承載力滿足要求。

2.5 加固后橋梁技術(shù)狀況評定

加固后，再次進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況評定，背景工程總體技術(shù)狀況評分結(jié)果見表4， 技術(shù)狀況由加固前的3 類橋變?yōu)? 類橋，由“有中等缺損，尚能維持正常使用功能”變?yōu)椤坝休p微缺損，對橋梁使用功能無影響”，加固效果明顯。

表4 橋梁總體技術(shù)狀況評定計算結(jié)果

3 加固前、后靜載試驗

3.1 靜載試驗工況和測點布置

為驗證預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁方案的合理性，保證大橋加固后的運營安全，并為預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固提供工程實踐，某大橋在加固前后分別進(jìn)行了荷載試驗[13]。通過荷載試驗結(jié)果，對比大橋加固前后，在試驗荷載作用下，橋梁的應(yīng)變、撓度的變化情況，對加固效果進(jìn)行分析和驗證。

根據(jù)等代荷載的方式進(jìn)行車輛布載，采用2 輛總重約400 kN 的三軸汽車替代大橋設(shè)計荷載等級（汽-20、掛-100）進(jìn)行加載。 選取該大橋1# 跨作為試驗跨。 表5 列出了本次試驗的加載工況和相應(yīng)的試驗效率，試驗效率滿足規(guī)范要求。

表5 大橋靜載試驗工況加載效率（單位：kN·m）

如圖9 所示， 應(yīng)變測試位置為跨中截面每片T梁的梁底，共5 個應(yīng)變測點；沿縱橋向，在支點截面、L/4 截面、跨中截面對稱布設(shè)5 個撓度測點截面；橫橋向在上下游側(cè)對稱布置測點； 全橋共布置10 個撓度測點。

圖9 靜載試驗測點布置

3.2 加固前后應(yīng)變、撓度對比

利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固前后，在不同工況荷載作用下， 該大橋跨中截面應(yīng)變變化如圖10所示。 增量符號為正表示應(yīng)變增加，增量符號為負(fù)表示應(yīng)變減小。 預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固后，試驗荷載作用下T 梁梁底應(yīng)變減小，控制截面控制測點應(yīng)變減小約10%。這是因為主梁抗彎剛度隨著預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固而增加，同時截面重心下移，造成梁底的應(yīng)力和應(yīng)變減小。

圖10 加固前后跨中截面應(yīng)變實測值比較

加固前后該大橋T 梁撓度變化如圖11 所示。增量符號為正表示撓度增加，增量符號為負(fù)表示撓度減小。運用預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固后，T 梁撓度減小，控制截面控制測點撓度最多減小18.48%。 究其原因是因為利用碳纖維板對各主梁進(jìn)行加固后，各主梁的剛度均有所增大。 同時，加固前主梁沿縱橋向方向裂縫的開展情況不同，可能導(dǎo)致主梁沿縱橋向方向的剛度差異較大，出現(xiàn)個別位置撓度過大的情況，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后，避免了主梁整體受力較差的現(xiàn)象。

圖11 加固前后撓度實測結(jié)果對比

因此，利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T 梁橋，可以有效地增加主梁的抗彎剛度，減小荷載作用下主梁撓度和梁底應(yīng)變。

4 結(jié)論

以某座裝配式鋼筋混凝土簡支T 梁橋為例，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固應(yīng)用分析，結(jié)果顯示：（1）每增加一片規(guī)格為100 mm×1.4 mm 的預(yù)應(yīng)力CFRP，開裂彎矩、 屈服彎矩、 極限承載力分別平均提升6%、8%、12%， 側(cè)面粘貼對于承載力提高比例略低于底面粘貼。 T 梁橋采用預(yù)應(yīng)力CFRP 加固時一般采用3 片預(yù)應(yīng)力CFRP。 （2）總結(jié)了預(yù)應(yīng)力CFRP 加固橋梁的施工工序，有利于預(yù)應(yīng)力CFRP 加固施工的標(biāo)準(zhǔn)化。 （3）驗算結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力CFRP 加固背景工程T 梁的抗彎承載力滿足要求。 加固后，該橋技術(shù)狀況由3 類橋變?yōu)? 類橋，由“有中等缺損，尚能維持正常使用功能”變?yōu)椤坝休p微缺損，對橋梁使用功能無影響”，加固效果明顯。 （4）預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行加固后， 試驗荷載作用下T 梁梁底應(yīng)變減小， 控制截面控制測點應(yīng)變減小約10%；T 梁撓度減小，控制截面控制測點撓度最多減小18.48%。 利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T 梁橋，可以增加主梁的抗彎剛度，減小荷載作用下主梁撓度和梁底應(yīng)變。