预应力碳纤维板加固技术在旧桥加固中的应用

郭继祥

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710021）

0 引言

为了优化提升桥梁的运行性能，使旧桥满足当前运行要求，需进行加固处理，为保证加固效果，需对加固材料及加固技术进行研究，满足社会发展需求。当前桥梁结构加固技术主要分为粘贴钢板及碳纤维片材两种[1]。但这两种加固技术均为被动加固方法，加固效果不理想，尤其是碳纤维布，因厚度较大，对增强桥梁结构刚度及减小裂缝宽度等影响有限。工程实践结果表明碳纤维材料的应用效果最佳。

1 预应力碳纤维板加固技术概述

碳纤维片材又称为CFRP，主要优势体现在材料强度较高、质量较强、耐腐蚀等能力较强，为此被广泛应用于桥梁等混凝土结构加固工程中。由于碳纤维片材以及钢筋的弹性模量相同，但抗拉强度更高，造成碳纤维片材料的利用率较低，据统计约为15%。在正常使用状态下，碳纤维片材料不能发挥出其利用价值，加固性能不明显。预应力碳纤维板加固技术是体外预应力技术及粘贴碳纤维片材加固技术发展和结合的结果，使用专用的环氧胶碳纤维板进行预应力张拉，修复原有桥梁结构上的裂缝等，将材料布设于适宜位置，提升桥梁构件的强度。与一般非预应力碳纤维片材相较后发现：当桥梁受力后，碳纤维片材承受大部分应力，所以应变滞后得以改善，而碳纤维材料的高强度特征也得以发挥，优化桥梁的负荷能力，改善加固梁的使用性能。

2 实例分析

某桥梁桥面宽度为23 m，桥梁的总长度为109 m，跨径布置为（5×20）m。桥面铺装为水泥混凝土，两侧布设有钢筋混凝土护栏。该桥梁的上部结构为钢筋混凝土简支T梁，下部结构为重力式桥台，可以扩大基础。桥梁布设如图1所示。

2.1 病害情况

依据检测单位提供的检查报告，该桥病害如下：全桥各跨T梁跨中范围腹板均发现较多竖向裂缝，T梁两端腹板均发现较多斜向裂缝；全桥横隔板普遍混凝土开裂，钢板外露、锈蚀；桥面铺装局部破损，全桥伸缩缝堵塞，橡胶条破损；个别桥墩盖梁露筋。

2.2 加固设计方案

根据以上主要病害情况，该桥主要加固方案为：在对T梁出现的裂缝用裂缝修补胶对裂缝进行封闭，对露筋、混凝土剥落等表层病害处理后，对第3～5跨T梁腹板底部（靠近底部的侧面）粘贴预应力碳纤维板，以提高主梁的抗弯承载力；同时对全桥T梁靠近支座端部区域粘贴U形钢板以提高主梁的抗剪承载力，并在横隔板侧面粘贴钢板以提高桥梁的横向联系，减少单梁受力[1]。

2.3 加固

2.3.1 基底处理

为了保证桥梁加固效果，提高碳纤维板的利用效率，在施工前需对基底进行处理。在加固前需先修复桥梁的破损位置，去除碳化、破损部位，修补缺口并处理破损位置的锈蚀钢筋，保证桥梁结构的完整性。对旧桥中破损严重和突出部位进行打磨，保证桥梁结构表面的平整美观；使用磨光机对桥梁的边角位置进行打磨，倒角半径需大于30 mm。间隔一段时间后，桥面完全干燥符合施工要求，则可开始加固处理。

图1 桥梁布置示意图（单位：mm）

2.3.2 涂刷底层

需按照设计要求配制涂料，并充分搅拌，保证涂料的均匀性。因底层涂料易固化，在涂料配制好后需在短时间内完成涂料的涂刷作业。

2.3.3 粘贴碳纤维板

依据桥梁加固面积确定碳纤维板的使用量。首先需要依据桥梁加固位置的形状对碳纤维板进行裁剪。该工程将碳纤维板的长度控制在2 m以下。施工人员用手触摸施工面底漆的干燥程度，采用适量环氧树脂主剂及固化剂依据设计的配置比例进行拌和，持续搅拌2 min，保证材料的均匀性；使用毛刷滚轮在底漆上均匀涂刷环氧树脂，而施工面的粗糙度决定涂料的使用量。将碳纤维板粘贴在树脂涂布面上后，需使用毛刷滚轮或橡皮刮刀顺着纤维的方向进行涂平，去除其中的气泡。在纤维方向上，需为后期施工调整预留出10 cm长度的搭接空间，短向无须预留，碳纤维板粘贴结束后需要静置30 min，若在这段时间内出现浮出、脱线等问题，则需要使用滚轮或橡皮刮刀进行压平或修复，保证最终的施工效果。需注意的是，在粘贴碳纤维板过程中，需保证施工现场整洁、空气畅通，施工人员需佩戴安全防护设施。

2.3.4 养护

在碳纤维板粘贴结束后需立即进行养护，保证施工质量。养护工作需持续7～14 d。为保证养护效果，对可能受到外部环境影响或是人为可以扰动的部位，需使用封闭或者是遮挡等方法。

3 加固效果分析

3.1 计算结论

该桥使用预应力碳纤维板加固完后，对其跨中截面增加的抗弯承载力及安全系数进行计算，计算结果见表1。从表1可看出，加固后的桥梁安全系数大于1；加固后截面受压区高度经过验算，满足相关要求[2]。

表1 计算结果对比

3.2 预应力观测分析

在车辆的荷载作用下，碳纤维板材的徐变会造成预应力的损坏，不利于加固处理作用的维持，因此在加固后，非常有必要对其预应力损失进行长期观测。因此该项目做了如下试验方案：选取代表性的碳纤维板（T梁跨中底板两侧碳纤维板、跨中两侧腹板碳纤维板和1/4截面底板两侧碳纤维板作为观测对象，每块碳纤维板上粘贴一片光纤光栅传感器，共6组观测对象,对应的编号分别为1～6），由此观测碳纤维板在长期荷载作用下的徐变，计算出预应力的具体损失。碳纤维板在张拉至控制应力释放后2个月内会发生些许应变变化，且应变逐渐增加，在1个月后逐渐减小。从表2可看出，1号碳纤维板应变最大为21.55，在前2个月，应变量达到20.45，后1个月增长速度非常慢，不到1，可见这时碳纤维板徐变已经趋于稳定，初始应变的预应力损失为0.37%。这里预应力损失包括碳纤维板徐变及锚具滑移。根据以上测量，锚具未出现较大的松动或滑移。锚具的使用可以有效避免碳纤维板因为锚具滑移引发的预应力损失。由此可见，预应力碳纤维板加固技术的应用不是基于常温固化有机胶将碳纤维板直接黏结于需加固的构件上，而是通过锚具将碳纤维板锚固在需加固的构件上，这样就可以避免因为有机胶老化引发的耐久性欠缺问题。

4 结语

综上所述，预应力碳纤维板桥梁加固新技术操作简单、工期较短，经济效益明显，加固效果好，其在旧桥加固上的成功应用说明该种加固方法很值得在国内同类工程项目上推广应用。桥梁结构的耐久性是近年来我国工程界越来越重视的问题。室内按照“高温固化”工艺生产的碳纤维板耐高温性能较好，一般软化温度高达110℃以上。

[1]尚守平，吴建任，张毛心，等.预应力碳纤维板加固系统的预应力损失试验[J].公路交通科技，2012，29（1）：70-74，133.

[2]张俊，赵泽俊，邓朗妮，等.预应力碳纤维板加固混凝土梁抗弯承载力设计计算方法[J].桂林理工大学学报，2011，31（1）：73-76.