预应力碳纤维板技术在公路桥梁加固中的应用

李 瀚

（中铁四局第四工程有限公司，安徽 合肥 230009）

1 预应力碳纤维板简介

目前，在桥梁加固的领域经常使用到的碳纤维板粘贴工艺属于被动加固，碳纤维板材自身不施加预应力。预应力碳纤维板技术对传统粘贴碳纤维加固技术进行了改进，与传统的碳纤维板粘贴工艺相比，预应力碳纤维板技术能够充分发挥碳纤维板的高强度特性，而且预应力可以让碳纤维板锚固体系的应变滞后程度得到更好的改善。

碳纤维板的抗拉强度要远远高于钢筋，可达到钢筋的10倍左右。预应力碳纤维板技术可以让碳纤维板在承担结构传递荷载应力之前处于一个比较高的应力水平，预先就支配了一定程度的强度，这样就可以让碳纤维板高强度的性能更加充分地发挥出来。此外，平衡结构的一部分恒载更好地增强了结构的刚度，可以在很大程度上延缓裂缝开展并减小裂缝的宽度，更好地提高结构的承载能力。

2 预应力碳纤维板的优缺点

碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、导电和传热等多种特性，属于高新技术的产品，目前主要用在先进复合材料的制备上。在工程建筑方面，碳纤维板材和构件内部钢筋在一起工作的时候，不考虑钢筋原来的初始应变、钢筋屈服，混凝土结构就已经发生了破坏，所以发挥出来的强度很低。传统的不加预应力的碳纤维加固混凝土结构技术不能够将纤维增强复合材料的高强度特性发挥出来，造成了材料的浪费。而预应力碳纤维板锚固体系可以很好地解决这个问题，碳纤维增强复合材料对碳纤维施加了预应力，可以有效地避免碳纤维片材的应变滞后现象，有效地发挥出了碳纤维板的强度，提高了结构承载能力。和其他的一些加固方式相比较，预应力碳纤维板加固技术的优势主要体现在以下几点：

（1）高强、高效。预应力碳纤维板加固技术充分地将碳纤维材料的高强性能发挥出来，提高了结构承载力和抗弯刚度，节约了碳纤维的用量。

（2）重量较小，空间要求也较小。碳纤维的强度高，但是质量仅仅是钢的1/5，基本上不增加原来结构的自重；而且碳纤维板可以盘卷，能够以比较大的长度供应，不需要搭接，也没有湿作业，不需要大型的施工机具，施工所占用的场地很小，在加固完成之后也不影响原来结构的使用空间。

（3）良好的耐久性能和耐腐蚀性能。预应力碳纤维板对酸碱盐以及大气环境都有较高的耐性，不需要经常维修。

预应力碳纤维板材加固技术和传统技术相比有着无法比拟的优势，在各个方面的表现都有显著的效果，但是该技术也存在一定的缺陷，对其推广与发展造成了一定的阻碍。

（1）该技术的理论研究不够成熟，在受力性能方面的研究也不够完善，而且技术应用容易受到温度等外界因素变化的影响。

（2）材料的成本比较高，选择低成本的材料无法满足质量的要求。而且该技术对施工队伍的要求很高，如果施工队伍不够专业会直接影响施工的质量，这对成本也会造成影响。虽然设计计算的总成本较低，但是因为材料质量的影响以及施工队伍的不规范，在施工的过程中碳纤维很容易受到损坏。

（3）碳纤维是一种高强度的材料，如果能将其高强度的优势充分发挥出来，对结构承载力和刚度的提高是非常有利的，并且对其大范围的应用也有很大帮助。但是现在的黏结剂还无法配合碳纤维的极限发挥，性能需要提高。

3 预应力碳纤维板施工工艺

3.1 横向预应力钢棒加固

将已经加工好的钢支撑构件运送到施工现场，将操作平台安装到各个相应的部位，并且按照提前设计好的方案准确地对位置进行钻孔。当遇到受力钢筋，确保两个T型的梁孔眼在同一高度直线上，再适当调整钻孔位置，确保位置的准确性，然后安装好横向预应力钢棒，让钢棒可以有效地从支撑构件的内孔穿过去，最后在钢棒的两端都安装上张拉螺母和锚垫板，并拧紧。在安装之前还需要严格检查预应力钢棒的安装状态以及钢支撑整体构件的稳定性。安装时，先安装钢绞线张拉连接器和千斤顶张拉撑脚，然后再连接千斤顶和张拉油泵。安装好后仔细检查相关油压设备和油泵油管的密封性能，然后开启油泵，按照相关的张拉力进行有效的张拉，整个张拉作业需有效记录。与此同时，还需向张拉棒保护钢管的内部注入适量的中性防腐油脂，对张拉棒的两个头进行一定的防腐处理。

3.2 纵向预应力碳纤维板加固

施工准备：（1）对梁构件的地面钢构件进行准确有效的定位，根据设计的方案确定预应力碳纤维板在加固时固定端的钢构件和张拉端的位置。（2）在运送至工地前，按设计使用长度裁剪预应力碳纤维板。（3）根据钢构件放置位置对梁底的混凝土保护层进行凿除工作，使其中的受力钢筋显露出来，凿除后的混凝土表面需平整、无凸起。（4）确定好固定端钢构件和张拉端螺杆钻孔的位置，进行植筋作业。钻孔的位置设置在结构内部的钢筋之间，保证不破坏原来的结构钢筋。钻孔的深度约17.5cm，钻孔的直径约2.4cm，植入直径约20mm的高强度螺杆。

施工流程：（1）胶体固化（胶体的固化需要控制在一定的时间和范围之内）后安装固定端钢构件和张拉端钢构件。固定端钢构件和张拉端钢构件安装前，应根据种植好的螺杆位置进行钢板的钻孔工作，并确保张拉端钢构件和固定端钢构件的中心线在同一直线上。安装时使用专用提升工具提升固定端钢构件和张拉端钢构件，安装就位后按照相关的规定拧固高强度的螺栓，防止后续出现意外。（2）预应力碳纤维带的安装。安装前需要对表面进行处理，确保表面的清洁；仔细检查碳纤维带锚具和固定端；混合搅匀环氧胶，将胶粘剂搅拌均匀之后涂抹到碳板上和等待加固的梁底面。（3）预应力碳纤维带的张拉。确保千斤顶位于2个螺杆的中心处，确保千斤顶和加固构件的中心线平行，不能离锚固碳纤维带和张拉端太近，如果有偏差需要及时整改，然后启动油泵并让千斤顶顶紧座板和基板。在进行张拉的过程中需要先给碳纤维带施加一个一定力度的初荷载进行碳纤维带的拉直工作，在此期间需仔细检查各个部位，确保定位准确。另外，为了能够测量碳纤维带的张拉伸长量，还应张拉基板使之固定到初始的位置，并做好标记，确保后续可以快速找到该位置。当每一级的张拉结束之后都应该使用扳手拧紧张拉端底座的螺母，并测量张拉的伸长量，做好记录，方便后续查询。控制好张拉的实际伸长量和计算值的偏差，确保在合格范围之内，最大的偏差不能超过1/10。如果超过规定范围，应及时停止好张拉并仔细找出原因，不能盲目施工。在预应力碳纤维带张拉工作结束之后，用扳手拧紧座板前的螺帽。

4 相关注意事项

4.1 横向预应力钢棒施工

横向预应力钢棒施工中还应注意以下事项：

（1）横向预应力钢筋的外套管应该选择直径约32mm、壁厚≥2mm的专业无缝钢管，并且需要在套管的内部填充中性油脂。

（2）横向预应力的钢筋应该选择直径约25mm的冷拉四级精轧螺纹钢，并需符合相关规定；抗拉强度也有相应的规定，需＜850MPa；在使用前做好冷拉试验，确保冷拉率＜3%，并将冷拉控制在750MPa以上；冷拉在经过时效处理之后才能够使用。

（3）横向预应力钢筋的张拉力应该保持在20万N左右，张拉应有一定的顺序，先张拉距跨中最近的两端，然后继续对称张拉其他部分。在张拉过程中应仔细观察梁体的应变，如果出现裂缝或是发出响声，应立即停止张拉，并仔细分析出现问题的原因，避免在后续施工中出现类似问题。

4.2 纵向预应力碳纤维带施工

纵向预应力碳纤维带施工的过程有以下注意事项：

（1）梁底的基面应确保没有油脂、浮尘及其他杂物，也不应有其他尖锐凸起物质。

（2）碳纤维板黏结胶搅拌均匀后应该确保在活性的时间范围内有效使用。

（3）固定端钢构件和张拉端钢构件的中心线应处于和加固梁体相互平行的状态，并严格控制张拉力。

（4）碳纤维属于导电材料，应避免接触电源。

（5）固定锚具和张拉端锚具应采用工厂自动切割和焊接方法，确保切割的边缘光滑，无毛刺、咬口现象，锚具的黏合面采用砂轮打磨直至露出金属光泽。打磨的纹路也有一定的讲究，需要和钢板的受力方向垂直，锚具的黏合面应有一定的粗糙度。

（6）控制好温度，如果温度较低，应利用太阳灯照射，加快固定端粘钢板胶的固化。

（7）碳纤维板的张拉工作应该在未通车状态下逐级进行，且在每一级完成之后还应准确测量伸长量。

5 总结

在高速公路、市政道路建设中，装配式预应力混凝土梁因设计、施工、运营等方面的原因导致主梁开裂的情况时有发生，这时桥梁加固工程可以取长补短，延长桥梁的使用寿命，增强桥梁的承载能力，使桥梁更能满足使用的要求，相比重建也节省了大量的人力、物力。而预应力碳纤维板加固混凝土梁结构的加固方案，不仅充分利用了碳纤维板的高抗拉强度，恢复了桥梁的承载能力，而且其耐久性非常好，方便施工，不影响桥面的通车，对桥梁的加固抢修工程来说非常实用，让桥梁建设更符合可持续发展的策略，更好地为现代运输交通服务，也给国家带来更大的经济效益和社会效益。