預應力碳纖維板加固空心板橋的實踐及評估分析

張春雨

（青島交建集團有限公司，山東 青島 266000）

我國道路交通體系一般多數采用空心板橋梁，具有跨徑小、適應性強、施工便捷特點，通過實踐證實，空心板橋梁過于注重經濟指標，導致工程建造細節存在問題，影響橋梁使用年限。空心板橋梁鉸縫在設計和構建過程中病害發生主要是鉸縫過大，影響橋梁荷載橫向分布，影響橋梁服役期間的安全性。國外針對空心板橋病害問題采取梁頂澆筑鋼筋混凝土，增強橫向預應力，控制鉸縫病害發生。日本針對鉸縫病害在梁頂運用瀝青混凝土鋪裝，減少了空心板橋梁鉸縫病害發生。

1 空心板梁橋病害相關研究

1.1 空心板梁橋病害機理研究現狀

空心板橋梁橫向連接過程中鉸縫發揮巨大作用，對橋梁結構受力情況影響較大。鉸縫主要存在以下病害。第一，鉸縫滲水。鉸縫滲水表明鉸縫出現開裂，隨著雨水沖刷導致橋面鋼筋暴露在潮濕環境，增加了混凝土碳化速度，影響橋梁耐久性。第二，橋面鋪裝縱向裂縫。在車輛的荷載作用下，鉸縫出現病害，影響鉸縫構件穩定性，導致橫向傳力能力下降，橋面鋪裝過程中順延橋向出現破碎帶。第三，空心板梁橫向分離。鉸縫混凝土內部出現脫落、塌陷等病害，導致難以向荷載橫向傳遞，空心板梁橋出現單板受力，加重了鉸縫病害，每個板梁撓度不均勻，底部出現橫向裂縫，影響行車安全。

設計方面空心板梁橋標準將設計驗算方法做進一步改進，通過改進荷載橫向分布計算系數，鉸縫可傳遞橫向彎矩，如果鉸縫傳遞豎向剪力會影響結果出現差異，因此，鉸縫受力與破損程度具有直接關系，因此，在施工環節，應精準計算豎向剪力強度。施工方面主要是在鉸縫施工過程中，下層鋼筋焊接較為困難，現澆筑混凝土振搗存在蜂窩，空心板梁與鉸縫連接處不良，如果不能對交界面預濕處理，將會弱化鉸縫與板梁之間的關聯。施工人員如果不能對空心板橋梁鉸縫重視，將影響工程建設質量，導致主梁與鉸縫粘結出現問題。養護及運營環節不能按照規定標準使用，易出現超早現象，長期高負荷作用下加重了空心板梁橋鉸縫損壞程度，工作人員不能對病害快速識別，加劇了病害發展程度。

1.2 空心板梁橋加固方法研究現狀

鉸縫病害在空心板橋梁中帶來了巨大安全隱患，應對當前空心板梁橋加固方法做出全面分析。第一，化學灌漿法。這種方法主要是對裂縫進行關鍵處理。例如，以環氧樹脂材料為主的粘結劑對病害處實施灌漿，使鉸縫恢復連接。這種適用于已經出現小幅裂縫，但沒有進一步發展。第二，翻新鉸縫，如果橋面出現初期鉸縫破損，表現為縱向破損帶，可以對空心板橋面做重新鋪裝處理，具體實施步驟為重新澆筑混凝土，盡量增大鋪裝厚度，確保橋面穩固，控制橋面病害進一步發展，提高整體受力性能。第三，采取復合材料加固。一般在處理橋梁病害還可以采取鋼板為材料的原料進行加固，恢復不同板材的橫向連接，還應提高橋梁整體承載性能。第四，縱向體外預應力加固。如果服役板橋欠缺承載能力，為了滿足使用需求，應對受力薄弱區段實施加固處理，抑制鉸縫病害加劇。第五，橫向預應力加固。應調整鉸縫受力方向，增加橋梁板材橫向聯系，增加新老混凝土交匯處摩擦力和橋梁橫向抗彎剛度，使受力更加均勻。

1.3 預應力碳纖維板加固技術研究現狀

土木工程領域為了提高力學性能，采用纖維增強復合材料，具有強度高、比重輕、耐久性好、占用場地好的特點，一般采取碳纖維復合材料粘貼梁底部。目前碳纖維板彈性模量與鋼材相近，為了提高碳纖維材料的拉伸效果，應對碳纖維板施壓預應力，提高其強度。

2 橫向預應力加固效果影響因素研究

由于構造原因，鉸縫易受到雙向拉力作用導致開裂，一般采取橫向預應力措施加固處理，嚴格控制鉸縫病害進一步擴大。應根據工程施工現場需要，判斷張拉力大小、橋梁寬度、橫向預應力布置位置、間距等對加固效果影響分析。本文針對大鉸縫空心板梁橋進行分析。

2.1 鉸縫損傷模式及加固模型的確定

2.1.1 不利荷載工況下的比選。

為了明確鉸縫處在不利荷載工況下應對比車道與車輛荷載，分析鉸縫底層橫向拉應力，路面出現裂縫因素，為了控制計算成本，在偏載工況作用下，選擇跨徑模板做深入研究。結合公路橋涵設計通用規范要求，車輛均勻荷載為q =10.5kN/m，車道寬度為3.75m。

圖1 車輛荷載加載工況（單位： mm）

針對工程實際判斷空心板橋模型，根據鉸縫地緣橫向應力來確定不利工況。偏載工況下鉸縫底緣橫向正應力沿縱向分布，通過對不同荷載作用應力峰值分析，車道在中載與偏載情況下荷載作用影響較大，在預應力加固過程中應考慮沖擊系數。

2.1.2 鉸縫損傷程度對比分析

加固空心板梁橋在養護及服役期荷載作用下，會加速鉸縫病害程度。本文主要針對空心板梁橋加固技術進行分析，為了提高空心板梁橋加固效果，應將鉸縫損傷程度按照不同等級分裂，其中，以13m跨徑空心板梁橋為例，不同鉸縫等級開裂程度有所區別。其中不損傷鉸縫深度為0，一級損傷鉸縫深度為80mm，二級損傷鉸縫深度為230mm，三類損傷鉸縫深度380mm，四類損傷鉸縫深度530mm。鉸縫應根據損傷情況以及荷載工況必選結果，根據鉸縫底緣橫向正應力評估鉸縫開裂程度，結果表明越靠近橋梁中線位置越容易發生開裂，并按順序從中間鉸縫向周邊延展。對不同損傷模式下板梁撓度量化結果分析，隨著中間鉸縫損傷程度越來越嚴重，邊鉸縫會發生開裂。鉸縫損傷程度不同，當鉸縫損傷加劇，所有鉸縫均較上一類別更加不利，跨中撓度對比如圖2。

圖2 中損傷模式3 為一類損傷，損傷模式5 為二類損傷，損傷模式9 為三類損傷，損傷模式16 為四類損傷。

圖2 不同損傷模式跨中撓度對比

2.1.3 加固模型及橫向預應力材料選取

加固模型中鉸縫和空心板材料一般以C50 混凝土為主，模擬橫向預應力加固后鉸縫混凝土恢復受壓性能，加固后應恢復受壓性能，縱向預應力材料選擇高強鋼絞線，橫向預應力材料選擇碳纖維板。

2.2 加固效果影響因素分析

2.2.1 橫向預應力布置區域加固效果

為了起到加固效果，應對橫向預應力車道荷載系數分析，板底跨中位置應增加橫向預應力，對四類損傷模式撓度及未損傷模型應力分析，向支座部位平移橫向預應力，以達到支座位置為例。不同位置橫向預應力對鉸縫應力及跨中撓度改善有所區別，將改善效果量化后，對比發現20m和13m跨徑空心板橋梁鉸縫應力規律相同，中間鉸縫底緣存在橫向拉應力，對比跨中撓度，表明橫向預應力中施加80kN難以達到加固預期性能，為了保障加固效果，以13m跨徑空心板橋梁為例，L/3 ～2L/3 區間實施加固作業。

2.2.2 橫向預應力施加大小對加固效果的影響

根據不同鉸縫損傷程度，為了提高加固性能，對L/3、L/2、2L/3 跨徑處布置三道橫向預應力分析，對每一級鉸縫損傷模式進行分析，橫向預應力增大到一定程度后，鉸縫損傷程度會變得不明顯，由于橫向聯系密切，加固后性能并未得到大幅提高。橫向預應力會使邊板位置出現下撓，橫向預應力的增加下撓值也會隨著增加，主要是空心板橋中間部位的不利荷載作用難以抵消邊板橫向預應力。加固后鉸縫損傷程度模型量化體現，不同橫向預應力對加固效果有所區別，當橫向預應力達到125kN，加固效果影響會出現弱化，為了控制成本，應取橫向預應力對加固效果的臨界值。由于鉸縫縱向抗彎剛度受到影響，增加了跨中撓度，為了使加固后達到空心板橋初始水平，當橫向預應力增加到150kN，考慮縱向鉸縫抗彎剛度后，邊鉸縫到中間鉸縫橫向預應力逐漸減弱，當橫向預應力保持125kN，四類鉸縫底緣混凝土橫向拉應力為0.9MPa，一類和二類鉸縫底緣混凝土橫向受壓平衡。

2.2.3 橫向預應力錨固位置對加固效果的影響

鉸縫四類損傷為研究對象，分析預應力錨固施工效果，在板底跨境處布置橫向預應力實施加固處理，其中預應力大小為150kN，研究橫向預應力錨固位置對加固效果影響。橫向預應力在邊板底部錨固時，錨固位置會出現橫向位移，橫向預應力損傷模型的跨中撓度未發生較大改變，錨固位置貼合橋梁內側使鉸縫附近主梁出現一定撓度。應通過增加布置數量，提高加固效果。應充分考慮橋梁車輛荷載情況，隨著荷載不斷加大，中載和偏載加固效果會弱化，應結合運行車輛荷載情況做好橫向預應力加固設計。鉸縫底緣橫向應力會隨著空心板橋寬度的增加而減弱加固效果，因此，空心板橋梁加固設計應充分考慮橋面寬度，確保達到預期加固效果。

3 橫向預應力碳纖維板加固設計方法研究

3.1 13m跨徑10 塊板空心板梁橋加固設計

不同工況加載后鉸縫應力不同，在最不利荷載工況下，2 輛車加載時，在中間鉸縫底緣產生橫向拉應力，考慮1.3 倍沖擊系數和1.5 倍保證系數。以跨中界面為加固目標，對13m跨徑空心板梁橋加固區L/3～2L/3 跨徑區間分析，距跨中0.5m、2m處分別設置預應力加固分析。在最不利荷載作用下，對比加固效果，通過分析鉸縫橫向應力確定加固橫向預應力。加固前后鉸縫橫向應力大小達到215kN時，橋梁中間鉸縫底緣橫向應力減弱，其他應力保持橫向受壓，橫向預應力增加，邊鉸縫底緣與中鉸縫底緣橫向正應力呈反方向變化，當橫向預應力保持215kN時實施加固措施，梁頂最大橫向拉應力符合安全要求。鉸縫損傷程度對加固效果的影響分析中應以跨中位置豎向撓度變化作為評價標準。當橫向預應力達到215kN，增大橫向預應力對加固效果影響不大，為了全面掌握加固效果，盤點加固后每個空心板撓度與整體板橋撓度比，鉸縫損傷程度加重，撓度恢復難度越大，當預應力達到215kN后，加固效果保持恒定，其中最大橫向拉應力1.05MPa，符合行業安全要求。加固空心板橋結構受力情況發生變更，應分析荷載橫向分布規律，其中中間板荷載橫向分布與未損傷模型最為接近。

3.2 實用設計計算方法

一般采用在跨中部位布置5 道橫向預應力，加固后，應確保界面最不利荷載環境下達到加固要求，以13m跨徑10 塊板模型為例，確定布置間距應在靠近支座位置擴大間距，分析不利荷載條件下不同損傷模式橫向受壓恢復能力。當橋梁跨徑、寬度以及橫向預應力間距明確，對不同鉸縫病害加固所需橫向預應力差異不大，主要是不同損傷模式的空心板橋模型恢復抗彎能力及水壓區高度差異不大，因此，應對損傷模式下最大橫向預應力加固。不同荷載條件下，一般中間幾塊板承載最大荷載，隨著橋梁寬度增加，鉸縫橫向應力值隨著橋梁寬度增加而減小，雙向受力明顯，損失部分橫向預應力。橫向預應力間距增大，鉸縫底緣橫向預壓應力峰值衰減。隨著混凝土結構層厚增加，鉸縫底緣橫向正應力逐漸減小，加固后梁頂產生橫向壓力逐漸減小，混凝土結構會增加橫向預應力偏心，中間交鋒較邊鉸縫損失隨著混凝土結構層厚度逐漸增加。

3.3 標準圖單板1m寬空心板梁橋加固設計

不同跨徑空心板橋橫向預應力碳纖維板加固設計不同，在恒載作用下，橫向預應力在梁頂產生的橫向拉應力不會對橋梁混凝土產生影響。不利荷載條件下，不同損傷模式采取預應力碳纖維板加固后，鉸縫底緣可恢復橫向受壓性能。實施加固措施后，邊鉸縫底緣應力隨著縱向連續分布，但不會超過應力值上限。以標準圖單板1m布置，常用預應力碳纖維板截面寬度為100mm，截面厚度為2mm，抗拉強度下限為2400MPa，當碳纖維板張拉力為0.65 倍破斷力時，可以推算出碳纖維板最大張拉力為312kN，隨著橫向預應力增加，達到峰值312kN可適當控制預應力間距。隨著寬跨比增加，不利荷載中間鉸縫底緣橫向拉應力增加，預壓應力隨之減少，當跨徑10m空心板橋梁，運用碳纖維板進行加固，當間距保持1m會增加張拉力，因此，應控制間距，才能達到預期加固效果。

4 結語

本文針對預應力碳纖維板加固空心板橋實踐進行分析，對不利荷載條件下橫線分布及鉸縫應力分析，對鉸縫病害機理提出了預應力加固可行性分析，對橫向預應力張拉力大小、橋梁寬度、鉸縫損傷、布置間距等對加固效果影響。對碳纖維板加固技術提出了相應加固原則、計算方法及加固設計方案，確保工程實踐中發揮預應力碳纖維板加固的實效性。