橋梁加固預應力CFRP板混凝土技術分析

胡麗萍、王文

（1.吉安市公共資源交易中心萬安分中心，江西萬安 343800；2.吉安市公路建設和養護中心峽江分中心，江西峽江 331409）

0 引言

預應力CFRP 板混凝土技術是橋梁加固工程中常見的施工技術，具備加固效果好、操作便捷等諸多優點。在預應力CFRP 板混凝土技術應用過程中，需結合施工標準做好技術工藝控制，提升技術應用效果，如此才能提升橋梁加固工程質量。

1 預應力CFRP 板加固體系

1.1 技術原理和特點

預應力CFRP 板，即預應力碳纖維板，是將同一方向排列的碳素纖維浸漬于樹脂內進行固化處理，同時經過一定壓強的擠壓形成規定的形式，該材料具備抗拉強度高、質量輕、厚度小、耐老化等優勢，適用于多種施工條件。預應力CFRP 板加固體系的技術原理如圖1所示，施工流程大致如下：根據現場施工要求準備結構部件；對表面涂覆專用環氧膠的高強碳纖維板進行預應力張拉施工；將碳纖維板粘貼、錨固到結構表面。

圖1 預應力CFRP 板加固技術原理

預應力CFRP 板加固施工可避免傳統有機結構膠粘貼纖維片材加固施工的不足，并且能夠消除非預應力粘貼加固法對碳纖維板強度造成的負面影響，也不會存在剝離的缺陷，不僅可以大幅度提升結構的承載力，還能夠提高結構的抗彎能力。預應力CFRP 板加固方式操作簡單，不必進行濕作業，也不會占用過大的空間，施工效果較好。

1.2 主要技術參數

第一，預應力損失計算。通過分析發現，在預應力CFRP 板加固施工中，有很多原因容易導致預應力發生損失，如錨固體系結構變形、混凝土彈性收縮，以及CFRP 板松弛、收縮、變形等。預應力損失分項計算比較煩瑣，所以需要設定合理的比例參數。第二，預應力CFRP 板在張拉施工中，其張拉控制力如果設定得比較高，會導致碳纖維板斷裂。考慮到工程的具體情況，建議應用預應力CFRP 板時進行張拉控制力計算。

結合多項工程計算結果，在合并試驗數據基礎上對各種可能存在的影響因素進行分析，發現混凝土構件長期損失能大概在3%～4%的范圍。試驗實測應力變化情況見圖2。

圖2 試驗實測應力變化

1.3 加固方案的標準化設計

為了更好地應用預應力CFRP 加固板，針對T 梁、空心板以及現澆箱梁等幾種常見結構預應力碳纖維板布設加固方案開展標準化設計，見圖3～圖5。

圖3 T 梁預應力CFRP 板布置

圖4 空心板梁預應力CFRP 板布置

圖5 箱形梁預應力CFRP 板布置

2 工程概況及加固方案

2.1 橋梁工程概況

某跨河橋梁工程，整體設計長度為1.7km。下部結構為灌注樁，屬于樁柱橋墩；上部結構為預應力連續梁，橫向為5 片小箱梁。該橋梁運行十余年以后，在養護期間發現橋梁組合梁腹板位置存在嚴重裂縫，裂縫寬度均在0.1mm 左右。多片豎向裂縫集中在某個區域內，從倒角部位向上延伸，但是沒有到達截面頂部。并且，經過封閉處理后，周邊區域發生了類似的裂縫問題。經過分析發現，裂縫的主要形成原因如下：一是裂縫區域內出現拉應力過大的情況，短期組合影響之下達到開裂的極限拉應力。二是腹板底部豎向裂縫造成截面性能降低，進而導致橫向裂縫發育變化。

2.2 加固方案選擇

主要有兩種加固方案：一是預應力CFRP 板加固。應用兩條50mm×3mm 預應力CFRP 板，聯合使用錨固塊、錨具，張拉力為386kN，單價為900 元/m。二是無黏結體外預應力加固。 所選的鋼筋直徑為15.24cm，采用雙束兩股的形式。經對比分析，兩種方案的綜合成本都比較低，加固效果也都比較好，但預應力CFRP 板加固方案的結構組成比較簡單、耐腐蝕性和耐久性比較好，性價比相對較高，最終確定應用預應力CFRP 板進行橋梁加固施工。

2.3 加固設計

經計算，該工程最終確定應用兩條長度分別為26.6m 和24.6m 的50mm×3mm 預應力CFRP 板沿著橋向進行粘貼鋪裝。根據現場施工需要，連接時采用錨具與混凝土栓接的方式，錨固深度為95mm，采用鍍鋅鋼螺栓連接，以提高結構的穩定性與安全性。

2.4 有限元分析

使用有限元分析方法計算該方案技術參數，得出最終橋梁分析模型，用以模擬加固施工的效果。在模擬分析中發現，混凝土能夠與加固板密切結合在一起，不會出現滑移問題；各材料技術參數達到設計要求，預應力CFRP 板加固方式張拉控制力為1289MPa，永久預應力為1200MPa，預應力損失在6%以內，結構的強度性能合格。

3 工程施工與工藝

3.1 錨具構造及材料性能

整體結構采用的是夾片及楔形模具系統。模具制作完成后，要全面驗證模具與CFRP 板的拉伸參數。該工程驗證結果如下：CFRP 板抗拉強度為2498MPa、彈性模量為166.8GPa、破壞荷載為381kN。達到破壞荷載之后，CFRP 板會出現輕微裂縫，多出現在對中區域，夾持端與錨具周邊區域沒有出現裂縫問題。

3.2 施工工藝

加固施工開展之前需要進行測量放樣，該環節務必保證精度符合標準，同時對張拉端及固定端進行控制，使其能夠處于相同的狀態，若出現松弛等問題需要及時糾正。此外，要保證CFRP 板表面沒有任何雜質，且打磨平整。接著進行預埋鋼筋鉆孔施工，灌膠并加固達到設計強度標準后，才能進行預應力CFRP板加固施工。第一，需要在結構表面涂抹一層底膠，并安裝反力鋼筋，再利用千斤頂進行張拉作業，相鄰兩級張拉施工間隔約幾分鐘的時間。張拉作業結束后，要立即進行補膠處理。第二，設置限位卡，避免結構和加固板脫空。第三，加強CFRP 板與錨具連接部位的防護處理。在加固施工結束后，采用噴射水泥砂漿的方式對錨具、固定端、CFRP 板進行防護處理，砂漿結構的厚度為2～3cm。該防護層結構可以避免碰撞等外部因素造成CFRP 板、結構膠損壞，從而提升加固效果，延長使用壽命，實現綜合利用價值的提升。

4 工后檢測

結構參數是結構施工模擬分析必不可少的因素，必須達到準確性要求。結構參數分析要從截面尺寸、彈性模量、材料容量、膨脹系數、施工荷載等方面展開。現場施工管控中，必須加強橋梁質量檢測，隨時掌握應力、變形等結構參數，使之處于合理范圍，并保證結構部件制作、安裝都滿足精度要求，以此達到提升橋梁工程質量的目的。

4.1 伸長量變化

該工程采取分級張拉的方式進行加固施工，并實時測量CFRP 板伸長量，各級的變化參數分別為10%、20%、50%、75%、100%，對各級伸長量進行分析，發現其誤差均控制在合理范圍，表明該次加固施工達到設計標準，符合橋梁運行的要求。

4.2 CFRP 板跨中應變

通過圖6可以觀察到，隨著張拉參數的變化，CFRP 板跨中應變呈臺階式增長。短期內預應力損失為張拉控制應力的3%。

圖6 分級張拉時CFRP 板跨中應變情況

4.3 梁底跨中壓應力變化

某孔5 片梁加固結束后，1、2、3、4、5梁壓應力增量分別為0.54MPa、0.58MPa、0.55MPa、0.53MPa、0.59MPa。由上述參數可知，5 個梁底應用CFRP 板加固處理后，跨中壓應力增量均超過0.5MPa，與設計要求完全一致。

4.4 CFRP 板預應力長期損失

加固作業完成后，要選擇LG-FBG 光纖光柵傳感器對其進行全面檢測，了解其參數變化情況。在該工程中，經過9 個月的連續檢測，發現相關結構的累積損失只有315με，張拉控制損失為4%。由此可見，應用CFRP 板加固后，損失比較小，且多數是變形、裂縫造成的。隨著時間的推移，應變損失速度會逐漸減慢，且到達一定程度后不會再發生變化。

5 施工控制的內容及方法

5.1 施工控制的內容

其一，加強原材料控制。橋梁加固施工對原材料、部件的質量要求極高，對橋梁成型之后的強度、耐久性、使用壽命方面也有著更高的要求。因此，在項目正式實施前，必須嚴格落實對鋼材、水泥、砂石、支座、預應力錨具、夾片等原材料、部件的檢驗，保證其質量和性能完全符合工程的要求。

其二，混凝土強度管控。該環節是橋梁項目實施的核心，尤其是基礎結構及下部結構的混凝土強度，是保證橋梁穩定的重點。在項目正式實施前，要落實混凝土強度性能檢測工作，確保其性能合格，能夠承受上部結構的荷載和作用力，并確保基礎結構和下部結構不會因為上部荷載而產生預應力結構開裂的問題，滿足橋梁的安全運行要求。

其三，嚴格落實預應力體系控制。一是應在張拉施工開始之前進行混凝土抗壓強度檢查，確保其強度等級不低于C40 級；并應嚴格根據設計方案進行張拉施工，確保施工質量符合技術標準和規范性要求；而且張拉階段應采用雙控的方式，即控制預應力及伸長量，確保加固施工達到設計標準。二是在張拉施工環節如果因為千斤頂工具夾片磨損而導致無法夾緊，發生滑絲的情況，應該及時回油處理。千斤頂工具夾片的處理方式是，清理錨孔和夾片，對錨墊板喇叭口內的混凝土重新進行張拉施工；如果依然存在滑絲的問題，則應再次檢測錨具及鋼絞線的結構，并對千斤頂再次進行標定處理。三是如果波紋管部件損壞而產生漏漿問題，將導致鋼絞線和混凝土握裹，導致摩擦力超出規定的標準。對于該問題，應采用反復張拉作業的方式，并且要持荷一定的時間，以消除摩擦力的持續作用，同時要落實對預應力T 梁的清孔處理。四是對于孔道摩阻導致伸長量比較小的問題，要先將鋼絞線張拉到5MPa，然后將回油數調整到0，達到技術要求后才能開始張拉作業，并采用分級張拉的作業方式，使伸長量達到設計要求。五是張拉環節應進行梁體結構的上拱度、梁體側向變形分析，以免變形過大而產生裂紋，且要隨時了解數據信息，為后續設計、施工建設提供良好的基礎，有效預防質量問題。

5.2 施工控制的方法

一是加強事前主動控制。橋梁項目施工前，要總結經驗教訓，全面落實事前控制措施，并選擇合理的預防和應對方法，分析和了解可能影響施工質量的因素，消除負面因素的干擾，保證結構的性能合格。此外，要重視對新技術、新工藝的研發和應用。二是加強施工管理和控制。在項目建設中，有些偶發性因素的影響也是不容忽視的，因此要掌握現場施工環節各個方面的影響因素，如材料質量、施工組織、設計方案、工藝方案等，如果有任何問題，要立即采取合理的應對措施，將質量與安全隱患消除在萌芽階段，保證工程順利開展。

6 結語

綜上所述，橋梁加固預應力CFRP 板混凝土技術有著非常明顯的優勢。結合工程實例來看，應用預應力CFRP 板進行加固施工后，梁體結構的抗拉強度得以提升，應力增量大約是0.5MPa，且總體性能優良。由此可見，該技術操作簡單、方便，經濟性、技術性較高，可以廣泛應用于橋梁建設領域。