预应力碳纤维板结合体外预应力加固工程应用分析

预应力碳纤维板结合体外预应力加固工程应用分析

黄镇林磊洪德红

(武汉二航路桥特种工程有限责任公司武汉430000)

摘要在役的许多旧桥由于设计标准、施工水平较低等因素的影响，已不能满足交通量迅猛增长的要求，因此迫切需要对这类旧桥进行加固维修，其中单箱多室的宽箱梁桥横向受力情况复杂，横桥向的变形和应力分布在翼缘板处和中心线处的差异大，单一而普通的加固对该类桥梁效果不明显，采用腹板增设体外预应力，箱梁底板增加预应力碳纤维板的方法对该类桥梁进行加固，不仅能够提高桥梁刚度和承载力，还能够起到阻止裂缝发生及进一步发展的作用。文中以某一高速公路桥梁加固为例，浅谈外部张拉预应力碳纤维板结合体外预应力加固宽箱多室桥梁结构的工程应用分析。

关键词单箱多室宽箱梁体外预应力预应力碳纤维板桥梁维修加固

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.020

收稿日期：2015-02-17

近年来， 在役的许多旧桥由于设计标准、施工水平较低等因素的影响，已不能满足交通量迅猛增长的要求，因此迫切需要进行加固维修。其中由于单箱多室的宽箱梁桥横向受力情况复杂，横桥向的变形和应力分布在翼缘板处和中心线处的差异大，对这种桥梁的加固也比较难以找到合适而有效的办法。本文通过对外部张拉预应力碳纤维板结合体外预应力加固该类桥梁的工程应用分析，探讨该类桥梁加固的有效办法。

1工程概况

本次对沪蓉高速云万段高粱互通式立交主线桥左幅第12跨采用体外预应力结合预应力碳纤维板进行加固，并对加固实施过程中的位移和应力进行监测，分析体外预应力的预应力效果和新增补强材料能否有效地与原结构共同参与工作、提高结构刚度。监控过程中主要通过关键位置挠度、应力响应来反映加固措施对结构内力及刚度的改变情况。

OperationMethodoftheTool-typedRecyclingDoubleWallSteelCofferdam

inWate-pierReinforcementEngineeringintheSpringTideofPoorWater

Liu Ang, Wu Zhongxin, Zhu Cixiang

(WuhanSecondNavigationalRoadandBridgeSpecialEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430071)

Abstract：In this paper, in the engineering background of detection and reinforcement project of the No.14～18 Pier of a bridge, the construction method of the Tool-Typed Double Wall Steel Cofferdam in the bridge of low clearance flyovers which is removable and recyclable in the spring tide of poor water is introduced. In the method, the factors, the spring tide of poor water, low clearance flyovers, and details of design and fabrication of the steel cofferdams are considered. An application example shows that the method can reduce construction time, cost, energy conservation and environmental protection..

Keywords:thedoublewallsteelcofferdam;tool-typed;removable;inthespringtideofpoorwater;waterpierreinforcement;lowclearanceflyovers;recycling

高粱互通立交主线桥左幅为宽箱多室连续梁桥，左幅分3联，上部结构为4×25m+4×25m+(3×25m+30m+25m)预应力混凝土连续箱梁。主梁高1.1m、宽12.4m，需加固的第12跨是30m，桥宽12.25m，桥高1.4m，为单箱3室。

2加固施工

依据设计原理，加固内容分2步进行：第一步腹板增设2束12-Φ15.2的体外预应力成品索；第二步箱梁底板增设24条宽100mm、厚1.2mm的预应力碳纤维板，加固后桥横截面见图1。

图1　加固后桥横截面图(单位： cm)

2.1　体外预应力成品索加固腹板

腹板增设体外预应力成品索加固工艺如下。

(1) 搭设施工支架。

(2) 混凝土面凿毛及开凿剪力槽。

(3) 钻孔植筋。在原桥腹板钻孔，孔径20mm，孔深20cm，种植钢筋直径为16mm。

(4) 安装预应力管道及锚垫板安装[1]。严格按照横纵坐标控制预埋管和锚垫板的位置，要求预埋管道顺畅，成品索的弯折处采用圆曲线过渡，管道必须圆顺。

(5) 模板制作与安装。

(6) 浇注C50自密实混凝土。边浇注混凝土边敲击模板，保证浇注密实。

(7) 张拉预应力成品索。等到混凝土养护期到达15d，强度不低于45MPa时开始张拉。

2.2　预应力碳纤维板加固箱梁底板

粘贴碳纤维板加固箱梁底板主要工艺如下[2]。

(1) 混凝土表面处理。凿除表层抹灰，对于表面不平整的部位进行打磨。

(2) 定位开槽。通过施工放线，确定预应力碳纤维板固定端及张拉端预留槽的具体位置，开槽完成后，对槽底面掏平。其锚固体系见图2。

图2　预应力碳纤维板锚固体系张拉示意图

(3) 种植锚栓。在固定端和张拉端确定后，依据放线孔位钻直径28mm孔，种植长250mm、直径25mm化学螺栓，锚栓种植深度180mm。

(4) 锚固体系安装。待化学螺栓完全达到其设计强度后，在锚固端及张拉端底座上涂抹环氧胶，然后用螺帽将其锚固在化学螺栓上，并调平张拉端及锚固端底座。

(5) 底胶涂抹及碳纤维板预紧。在碳纤维板粘贴位置区域内涂抹底胶，底胶涂抹完成后，对碳纤维板进行预紧，预紧力为控制张拉力的10%，约10kN。

(6) 涂抹碳纤维板粘结胶。涂抹时，中间厚两边薄，胶泥涂抹成三角形。

(7) 张拉碳纤维板。在环氧胶固化之前完成张拉，达到张拉控制应力(96kN)以后，扭紧螺母以长期保持预应力。

(8) 锚具防护处理。采用喷射水泥砂浆结合抹灰的方法，对两端锚具进行防护。

3理论与实测监控对比分析

3.1　材料

(1) 碳纤维板

等级：高强的I级。

聚丙烯腈基：不大于15k的小丝束纤维。

抗拉强度标准值：2 400MPa。

抗拉强度设计值：1 150MPa。

弹性模量：160GPa。

(2) 预应力钢材

弹性模量：195GPa。

标准强度：1 860MPa。

热膨胀系数：0.000 012。

钢筋松弛率：0.025。

孔道摩阻系数：0.30。

锚具变形及钢束回缩值：6mm。

3.2　计算模型

体外预应力分析计算布置见图3，预应力碳纤维板分析计算布置见图4。

图3　体外预应力

图4　预应力碳纤维板

3.3　理论分析与对比

(1) 施加体外预应力产生的弯矩见图5，产生的理论形变与实测形变见表1，产生的理论应力与实测应力见表2。

图5　体外预应力产生的弯矩图

mm

由表1可见，施加体外预应力后，利用midas计算软件所得在边跨跨中产生的理论变形-1.71mm的下挠变形，30m跨产生2.72mm的上挠变形，在相邻的第3跨跨中产生-1.49mm的下挠变形；而实际施工监测边跨跨中变形-1.25mm的下绕变形，30m跨中产生2.46mm的上饶变形，在相邻的第3跨中产生-1.23mm上饶变形。

表2　理论应力增量值 　 MPa

由表2可见，施加体外预应力后，在边跨跨中截面上缘产生-0.23MPa的压应力，下缘产生0.35MPa的拉应力；在30m跨跨中截面上缘产生-0.14MPa压应力，下缘产生-0.8MPa压应力；在相邻的第3跨跨中截面上缘产生-0.22MPa的压应力，下缘产生0.32MPa的拉应力。

(2) 施加预应力碳纤维板产生的弯矩见图6，产生的理论形变与实测形变见表3，产生的理论应力与实测应力见表4。

图6　体外预应力和预应力碳纤维板产生的弯矩图

由表3可见，施加体外预应力和张拉预应力碳纤维板后，在边跨跨中产生-2.17mm的下挠变形，30m跨产生3.1mm的上挠变形，在相邻的第3跨跨中产生-1.45mm的下挠变形。

表4　理论应力增量值 　 MPa

由表4可见，施加体外预应力和张拉预应力碳纤维板后，在边跨跨中截面上缘产生-0.4MPa的压应力，下缘产生0.58MPa的拉应力；在30m跨跨中截面上缘产生-0.18MPa的压应力，下缘产生-1.29MPa的压应力；在相邻的第3跨跨中截面上缘产生-0.38MPa的压应力，下缘产生0.47MPa的拉应力。

4结语

(1) 在体外预应力和预应力碳纤维板的共同作用下，桥梁产生3.1mm的上挠变形，在梁底产生一个1.29MPa的预压应力，不仅提高了桥梁承载力，而且大大提高了桥梁刚度。

(2) 体外预应力和预应力碳纤维板均属于主动加固方法，预应力产生的反向弯矩，可抵消一部分初始荷载的影响,提高使用阶段的承载力，使构件中原有裂缝宽度减小甚至闭合，并限制新裂缝的出现，从而提高ASG构件的刚度，减小原构件的挠度,改善使用阶段的性能[3]。

(3) 碳纤维的变形=初始变形+荷载引起的变形，而对应这两部分变形的胶粘剂剪切变形又分别分布于构件的两端和跨中区域，使得胶粘剂的剪切变形分布更为均匀，可有效避免粘结破坏，充分发挥高强碳纤维板耐腐蚀、重量轻(容重只有钢材的1/5～1/4)、强度高(强度高于高强钢丝或与之相当)等优点。

(4) 预应力碳纤维板锚固体系是一种先进的混凝土加固技术，施加预应力使CFRP高强特性得到提前发挥，在二次受力之前就有较大的应变，从而有效减小CFRP片材应变滞后的现象，达到更好的加固效果，使桥梁在后期破坏时更具有延性，充分弥补了体外预应力的不足[4]。

参考文献

[1]张媛.后张预应力小箱梁预制施工工艺研究[J].交通标准化，2012(5)：108-110.

[2]肖慧坚.预应力碳板加固混凝土结构工程应用研究[J].四川建材，2013(3):36-37.

[3]何贤锋，彭晖，罗杰.外部粘贴预应力碳纤维板技术加固桥梁结构的工程应用与评估[J].中国铁道科学，2007(2)：71-73.

[4]尚守平，彭晖，曾令宏.预应力碳纤维板布材料加固混凝土梁受弯性能非线性分析[J].工程力学，2006,23(11)85-90,98.