橋梁預應力CFRP板加固技術

劉林昊、鐘小婷

（撫州市公路事業發展中心黎川分中心，江西 撫州 344600）

0 引言

隨著我國橋梁工程運行時間的延長，部分橋梁結構開始老化，若不及時養護，會導致結構損壞嚴重，無法滿足運行要求。當前，各個地區都有一定數量的危橋，會影響道路交通的安全性和穩定性。為了消除危橋的影響，推動交通事業的發展，帶動我國經濟與社會的高速發展，應加強橋梁的加固處理，恢復其通行性能。

當前，橋梁加固技術種類非常多，各種技術都有一定的優勢和不足，所以要根據實際情況選擇最佳加固技術，恢復橋梁的性能。在橋梁加固中，預應力CFRP 板加固技術效果較好，在我國橋梁加固工程中得到了廣泛的應用。

1 復合材料應用現狀

纖維復合材料簡稱FRP，其主要由基礎材料與增強材料共同組合形成的，目前廣泛應用的是碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等材料，特別是碳纖維材料，簡稱為CFRP，其力學性能比傳統的鋼板要好，在強度、耐腐蝕性等方面優勢明顯，且現場施工方便、質量比較輕，已經大范圍應用到工程領域內。

經過試驗檢測分析，CFRP 材料的極限抗拉強度超過3400MPa，是普通高強度鋼絲的3 倍左右。這類材料也因性能優越，在工程領域得到了廣泛應用，獲得工程領域專家、學者的一致好評，但該材料的研發和應用還處于初期階段，其高強度的特性并未充分發揮出來，在實際應用中依然存在一些不足[1]。

2 預應力CFRP 板加固技術原理

預應力CFRP 板具有較高的強度特性，將之應用于加固施工中，能夠提高結構承載力，延長工程使用壽命。在預應力CFRP 板加固施工中，使用千斤頂進行張拉，能夠更好地發揮出材料的強度優勢，更好地承受結構的作用力，進而達到結構穩定性效果，避免發生結構損壞問題。

在預應力CFRP 板加固施工中，主要需要用到錨具、CFRP 板、材料膠等。錨具起到固定作用，張拉之后將碳纖維板固定在規定部位上，避免發生松動、張開等問題，保證結構性能達到要求。材料膠起到黏附作用，使碳纖維板與橋梁結構組合形成整體，防止發生結構分離而造成性能不合格的問題。

應用預應力CFRP 板加固技術，能夠提升結構抗彎性能。經試驗檢測分析，通過CFRP 板加固，橋梁結構的抗彎承載力能夠提升約60%。但相較于鋼材，CFRP 板的橫向抗壓強度、抗剪強度相對較低，傳統錨固方式容易使其受到損壞，受到這方面的限制，使得該技術的推廣應用存在一定的限制[2]。

在預應力CFRP 板錨固過程中，預應力筋同時受到縱向拉力、橫向拉力、摩擦力的作用，如果板材受到的應力超出其臨界應力參數值，會發生斷裂的情況，預應力系統就會失效不能發揮出CFRP 筋抗拉強度應有的效果。在CFRP 板材料中，影響材料性能和質量的因素較多，如纖維強度、樹脂品種、生產條件、碳纖維規格等，導致錨具選擇較為困難，限制了預應力CFRP 板錨固施工效果。因此，應使用新型錨具以達到更好的錨固效果，以更好地滿足施工要求。當前，我國應用在CFRP 板加固中采用的錨具主要有如下三種：

第一，黏結型錨具。該錨具材料應用的是黏結介質、套筒、端堵等，具備較高的摩擦力及咬合力，黏結效果比較好，應用價值較高。該錨具的優勢是不會造成板材的損壞，應用范圍比較大；缺點是灌膠工藝難度高，材料性能要求較高，固化時間長。

第二，機械夾持型錨具。該類型的錨具主要是通過機械咬合力的方式進行固定，作用機理和黏結錨具相同，主要是發揮摩擦力的作用，常用的機械夾持型錨具包括CFRP 棒材錨具、齒形錨具等。該類型錨具的優點是可以根據實際情況進行片材或棒材調節，缺點是受力不均勻、偏心張拉情況明顯，容易發生結構受力損壞的情況。

第三，其他錨具。除了上述兩種錨具，還有其他類型的錨具，如機械夾持型錨具和由CFRP 筋組合的復合型錨具等。許多國家都在積極研發新型錨具，如最近推出的非金屬錨具，其抗拉強度超過了200MPa，可以用于制造錨環、夾片等，能夠替代傳統的金屬錨具。這種創新型錨具在特殊條件下有明顯優勢，可以為CFRP 板錨固施工提供新的解決方案。

3 工程概況與施工方案

3.1 工程概況

某座跨越河流的橋梁項目總長1.7km，其基礎結構采用灌注樁形式，上部結構采用預應力連續梁形式，橫跨河流的橋梁由5 片小箱梁組成。該橋梁已投入使用超過10 年，在近期的養護工作中發現腹板結構存在較多裂縫，裂縫寬度大約在0.1mm 左右，且多集中在特定區域，并逐漸延伸，但尚未達到截面頂部。

經過詳細分析，確定腹板結構裂縫問題的根本原因。第一，一部分裂縫是因裂縫部位受到了超出其結構性能承受能力的拉應力而產生的，多為豎向裂縫。第二，腹板底部的豎向裂縫降低了截面的性能，從而引發橫向裂縫。

3.2 加固方案選擇

對于該項目，養護管理單位的技術人員提出如下兩種加固方案：

第一方案：預應力CFRP 板加固。制作兩條寬50mm、高3mm 的預應力CFRP 板，應用錨固塊、錨具等固定，單價為900 元/m。該方案旨在通過預應力CFRP 板的加固作用，提高腹板的承載能力，從而減輕裂縫擴展、提高結構的穩定性。

第二方案：無黏結體外預應力加固。鉆孔并安裝預應力錨固套筒，將預應力鋼筋穿過套筒并張拉，以產生預應力效果，之后錨固預應力鋼筋。該方案旨在通過外部預應力鋼筋施工，提高腹板的受力能力，進而提高結構整體的穩定性。考慮到成本、技術性能、施工便捷、加固效果等因素，最終確定應用CFRP 板加固方式，其操作簡單、耐腐蝕性好，具備較高的耐久性，使用壽命比較長，綜合效益較高。

3.3 加固設計

通過對現場展開綜合分析，確定該項目應用兩條長度分別為26.6m 和24.6m 的寬50mm×高3mm 的預應力CFRP 板，順橋梁方向進行鋪設施工。結合施工情況，應用錨具與混凝土結構進行栓接，連接深度在95mm 左右，采用鍍鋅螺栓連接，以滿足連接標準。

3.4 有限元分析

應用有限元軟件展開結構設計分析，計算各項參數，構建結構設計模型，模擬加固效果是否符合工程要求。通過模型分析發現，在混凝土和預應力CFRP板緊密貼合成為整體之后，不存在滑移問題。對材料性能進行檢測分析，發現預應力CFRP 板的張拉控制力為1289MPa，永久預應力為1200MPa，在使用中會出現預應力損失的情況，但損失幅度較小，說明加固后的總體強度性能較高[3]。

4 施工工藝分析

4.1 選擇適宜的施工材料

在橋梁預應力CFRP 板加固施工中，選擇適宜的施工材料對項目開展有很重要幫助。首先，需要考慮CFRP 板的材質，通常選擇高質量、高強度的碳纖維復合材料，以確保加固效果穩定、可靠。其次，對于夾持器、錨具等部件，應選擇具有良好耐久性和抗拉強度的材料，以確保加固結構的牢固連接。最后，需要考慮施工材料的環保性能，選擇對環境友好的材料，以滿足可持續發展要求。

4.2 施工工藝

進行加固施工前，應進行現場測量和放樣工作，并加強對各項參數精度的控制，以確保張拉端和固定端處于可控范圍內，并處于相同狀態。如果發現存在松弛情況，應立即進行糾正。施工之前應對CFRP 板表面進行清理和檢查，確保沒有任何雜質存在，并進行打磨和平整處理，以滿足施工要求。

在混凝土結構內進行預埋鋼筋鉆孔作業，灌膠并加固，達到強度要求后開始粘貼CFRP 板。第一，按照施工要求涂抹底膠，設置反力鋼筋，應用千斤頂開展張拉作業，相鄰鋼筋張拉需間隔幾分鐘。該環節結束后，對于膠液缺少的位置及時補充處理。第二，安裝限位卡，預防出現脫空現象影響連接效果。第三，上述工作完成后，需要對CFRP 板與錨具進行防護處理，保證結構加固質量。一般采用噴射水泥漿的方法進行封閉處理，砂漿噴射厚度在2～3cm 之間，該防護層可以保護整體結構，避免投入使用后發生損壞問題，可延長加固結構使用壽命，提高加固效果[4]。

5 加固效果檢測

預應力CFRP 板加固施工結束后，需要對加固效果進行檢測，對截面尺寸、彈性模量、材料容量、膨脹系數、施工荷載等進行檢測，確保各參數滿足橋梁運行需要，確保施工精度合格，以提高橋梁工程結構性能。

6 施工控制內容及方法

6.1 施工控制內容

其一，原材料質量控制。橋梁加固工作過程中，原材料質量尤為關鍵，必須滿足耐久性、強度、使用壽命等要求。因此，開展加固工作前應加強對各種材料的試驗檢測，保證每種材料的性能和質量合格，達到工程使用標準。

其二，混凝土材料性能控制。對于橋梁工程而言，混凝土是主要組施工材料，尤其是在基礎結構中，因此必須確?；炷敛牧系男阅苓_到標準，具備足夠的強度，以提升整體結構的穩定性。在實際施工前，必須進行混凝土性能檢測，以了解其強度等參數，確保荷載和受力情況合格。

其三，加強對預應力加固體系的控制。一是張拉作業實施前，需要檢查混凝土結構強度，確保其等級滿足設計要求；張拉環節采取雙控方式，保證應力、伸長量都在規定范圍內。二是如果在張拉階段發現千斤頂夾片磨損，應及時進行回油處理，以防止滑絲現象發生。夾片處理過程必須符合工程規范要求。如果回油處理無法解決問題，應對錨具和鋼絞線進行全面檢查而后進行調整，以確保施工符合標準。

其三，波紋管損壞可能導致漏漿，進而影響鋼絞線和混凝土的連接性能。對于這個問題，在現場施工中應進行多次反復張拉，并確保荷載持續一定的時間，以防止摩擦力對施工效果產生不利影響。

其四，如果存在孔道摩阻，且影響伸長量參數，應將鋼絞線張拉到5MPa，并將回油數調整為零，重新進行張拉施工，并采用分級張拉的方式，嚴格控制伸長量。

其五，現場張拉階段應準確了解結構部位的拱度和變形數據，以防止超出標準，引發裂紋等問題[5-6]。

6.2 施工控制方法

第一，加強事前控制。需要進行詳細的結構檢查和評估，以確定加固的具體位置和范圍。進行充分的材料測試和性能評估，確保選用的CFRP 板符合設計要求，對混凝土和鋼筋等材料也需要進行必要的檢測，以確保它們的性能和質量滿足施工要求。此外，事前控制還包括施工計劃的制訂，確保施工過程中的工序和時間安排得當，以及施工現場準備工作（包括清理、平整和安全措施）的有效落實。

第二，加強現場施工質量管控。根據橋梁工程建設的標準要求，制訂相應的質量管理措施，建立完善的應急預案，及時解決質量問題，使每個環節都處于可控范圍內，確保加固作業順利完成。

第三，加強事后控制。加固工作結束后，組織質檢人員對現場進行全面的檢查，對每個細節都要進行全面的質量檢查，并落實處理措施，消除各種缺陷問題，提高施工效果。

7 結語

綜上所述，在橋梁加固工程中通過采用預應力CFRP 板加固技術，對提高橋梁加固的穩定性有重要幫助。文章對預應力CFRP 板加固技術的要點進行了分析，同時結合工程實例論述預應力CFRP 板加固技術的工藝流程，提出相關的技術要點。在往后的橋梁加固施工中，要結合橋梁加固要求，明確預應力CFRP板加固施工方案，同時注重材料選擇，且在施工環節要根據工藝規范進行施工，做好施工現場的質量及安全管控，以提高施工效果，為橋梁的穩定運行奠定基礎。