碳纤维板预应力加固梁桥技术研究

冯永齐，肖长礼，卓 静

（1.焦作市公路管理局，河南 焦作454100；2.河南交通职业技术学院，河南 郑州 450000；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400000）

碳纤维板是一种重量轻、厚度薄、耐腐蚀的新型材料，因其具有抗拉强度高、抗疲劳、低松弛的性能，并且易于与被加固梁板黏结，被用于钢筋混凝土桥梁加固。预应力碳纤维板最近几年被广泛用于桥梁加固，它综合了普通粘贴碳纤维片材加固法和预应力加固法的优点，是一种梁桥主动加固技术。通过对碳纤维板施加预应力，与加固梁板的受拉面贴合共同受力，消减梁底板的拉应力，从而有效减小梁板的变形，进一步提高梁板的承载能力。焦作市公路管理局与国内桥梁加固方面专家、博士组成课题组，通过大量的理论分析和试验研究，提出了基于铰式波形锚的碳纤维板预应力加固板梁技术的张拉和锚固新工艺，依托焦作市公路管理局S309获轵线沁河特大桥加固工程，通过静载试验验证了铰式波形锚锚具体系的工作性能和碳纤维板预应力加固梁板的效果。

1 预应力碳纤维板加固梁桥法的适用条件

（1）梁体结构整体刚度不足；（2）梁体结构承载力降低；（3）梁体裂缝超出设计规定。

2 碳纤维板预应力加固机理

受车辆竖向荷载作用，梁板弯曲，梁板截面下部受拉应力、上部受压应力。因为混凝土耐压不抗拉，易产生裂缝，随着环境因素的影响和车辆荷载的反复作用，裂缝持续发展，钢筋锈蚀，梁板的内力超过设计承载能力，耐久性和安全性降低。预应力碳纤维板加固法是将碳纤维板锚固于梁底板，并施加一个压力，抵消其弯拉应力，使截面处于受压状态，梁板刚度得以提高，阻止裂缝的进一步发展。该技术是体外预应力的力学原理的进一步扩展，是一种主动加固法。

3 铰式波形锚工作原理

铰式波形锚利用上、下波形齿板与碳纤维板之间的黏结力和摩擦力，将碳纤维板可靠地夹持并锚固于上、下波形齿板之间。上、下波形齿板为凹凸缘结构，有增大摩擦力和增加黏结面积的作用；压紧及锁定装置使上波形齿板、下波形齿板以及它们之间所粘贴并夹持的碳纤维板互相挤压，进一步增大摩擦力和提高粘结力，使碳纤维板的夹持和锚固效果更可靠。

4 碳纤维板预应力加固梁板极限承载力计算

试验和理论研究证明，在极限状态下，锚固在底板上的碳纤维板能够达到其极限强度，故在计算加固梁板受弯极限承载力时，参照普通粘贴碳纤维板加固梁的正截面承载力公式进行计算。

式中：ε1不考虑二次受力时取0，考虑二次受力影响时，ε1为加固前梁板在初始弯矩作用下，截面受拉边缘混凝土的初始应变；[εf]为碳纤维板的允许拉应变，取碳纤维板极限拉应变的2/3和0.007两者中的较小值；εfp为考虑体外预应力碳纤维板的有效预应变；εcu为碳纤维板的极限拉应变。

5 铰式波形锚高温性能

通过试验结果表明，铰式波形锚张拉系统在温度85℃、张拉应力2000MPa条件下，锚具的锚固性能和碳纤维板的张拉强度几乎没有损失，说明该系统能够很好地适用于桥梁加固工程中的复杂环境。

6 基于铰式波形锚的碳纤维板预应力加固技术在工程中的应用

6.1 S309获轵线沁河特大桥概况

焦作市武陟县S309获轵线沁河特大桥建于2001年，全长1207.24m，桥宽度18m。上部结构采用40×30m后张法预应力砼箱梁，桥面连续共7联。设计荷载：汽车-超20级，挂-120。

桥梁加固前焦作市公路管理局委托检测单位进行定期检测及静载试验，试验结果显示：

（1）箱梁底板出现横向裂缝；

（2）挠度校验系数＞1，挠度较大，桥梁的实际状况不能完全满足设计荷载要求。

6.2 桥梁维修加固方案

（1）箱梁底裂缝封闭。对宽度＜0.15mm的裂缝，采用环氧树脂胶对裂缝进行封闭。

（2）箱梁梁底进行碳纤维板预应力加固。对箱梁粘贴碳纤维板，并对碳纤维板施加预应力来补偿由于箱梁刚度损失而导致的挠度增加，抑制裂缝的发展，增加箱梁底面压应力的储备，同时提高箱梁的抗弯和抗剪能力。

6.3 碳纤维板预应力施加大小的确定

试验研究表明，碳纤维板预应力加固后的梁板满足平截面假定。混凝土和钢筋的应力-应变关系符合规范，混凝土和碳纤维板无相对滑移，在弯曲极限状态梁板钢筋屈服，开裂截面受拉区混凝土作用不考虑。基于上述基本假定，加固后碳纤维板预应力加固梁板正截面分析如图1所示。

定公式（9）求出混凝土下缘应变值εb

式中：εce为碳纤维板张拉后混凝土的预压应变；Ec和Ef分别为混凝土和碳纤维板弹性模量；A0和I0分别为梁换算截面的面积和惯性矩；e为碳纤维板受力中心至截面中性轴的距离。

经过计算分析，确定碳纤维板规格和碳纤维板预应力。在桥跨范围每片小箱梁沿底板纵向布置宽50mm、厚2.0mm的单层碳纤维板2条，碳纤维板设计强度为2800MPa，张拉控制应力为1400MPa，单条碳纤维板张拉力为140kN。

图1 碳纤维板预应力加固梁板正截面分析图

根据梁板截面受力平衡可以得出：

由x=0.8xc可求出受压区高度xc，并结合平截面假

6.4 箱梁碳纤维板预应力加固工艺流程

预应力碳纤维板加固工艺流程：搭设施工平台→梁底表面处理→钻孔植入锚栓，安装锚固座钢板→安装碳纤维板张拉端和固定端的锚夹具→张拉碳纤维板并锚固→碳纤维板涂胶并顶压粘贴→碳纤维板张拉端和固定端的砂浆封闭防护。

（1）材料选择。①应使用与碳纤维板配套胶黏材料和表面防护材料；②碳纤维板和配套胶黏材料应符合规范规定的性能指标及使用环境要求；③经过对桥梁特点、材料经济性等多方面综合考虑，沁河特大桥采用的碳纤维板厚度为2.0mm、宽度为50mm；④碳纤维板的主要技术标准：抗拉强度＞2800MPa，弹性模量＞164000MPa，伸长率≥1.7%。

（2）施工环境。①施工温度范围以5～35℃为宜，当环境温度＜5℃时，应采用与低温配套的胶黏剂，或采取升温措施；②湿度在80%以下，如施工环境湿度较大，应对粘贴面进行干燥处理；涂刷胶黏剂前，确认板底粘贴表面干燥，无油污、无粉尘。

（3）施工放样。①在箱梁板底放样应先用钢筋定位仪找出定钢筋的位置，再标记出碳纤维板和锚具的位置；②打磨混凝土基层表面，并使其表面平整。

（4）安装预应力碳纤维板。①施工时的温、湿度要求同前；②按设计要求的长度尺寸截取碳纤维板，并保证其整洁、平整、无瑕疵；③严格按照锚固装置要求，将碳纤维板安装在固定端夹具及张拉端夹具内；④待预应力张拉完毕后，在碳纤维板和梁底接触面上涂抹粘结剂。

（5）张拉碳纤维板。①碳纤维板张拉控制应力1400MPa；②确保碳纤维板受力均匀，碳纤维板中心线为受力中心线；③施加预应力时，先给碳纤维板施加10%的控制应力，使碳纤维板绷直，再以20%和60%控制应力给碳纤维板施加预应力，预应力达到100%的控制应力时，校验张拉伸长值，每一级之间持荷5min；④碳纤维板张拉的过程中，如挠度变化有异常，应停止张拉，并检查原因。

6.5 桥梁加固后静载试验结果及效果评估

为了评估碳纤维板预应力加固后的效果，在桥梁加固前和加固完成后，对桥梁结构进行静力荷载试验，对箱梁顶部及底部砼应变、梁挠度等进行对比，综合分析加固后桥梁结构在试验荷载作用下的实际受力状况是否满足设计及规范要求，对桥梁结构做出总体评价。

（1）挠度测试结果。沁河特大桥挠度测试结果表如表1所示。测试结果表明，各片箱梁挠度测点的校验系数在0.49～0.68，平均校验系数0.588，校验系数均＜1；挠度测试值变化趋势与理论值基本一致，说明桥跨实际刚度满足设计荷载要求。试验荷载作用下，各片箱梁的挠度相对残余值最大值为2.81%，均＜20%的规范值，说明结构处于弹性工作状况。

（2）应变测试结果。沁河特大桥应变测试结果表如表2所示。测试结果表明，各片箱梁应变测点的校验系数在0.31～0.62，平均校验系数为0.467，均＜1；应变测试值变化趋势与理论值基本一致，说明桥跨实际承载能力满足设计荷载要求。试验荷载作用下，各片箱梁的应变相对残余最大值为6.13%，均＜20%的规范值，说明结构处于弹性工作状况。

（3）根据静载试验结果可以分析出，碳纤维预应力板加固后，能够显著改善梁体结构应力状况，增强结构的刚度和箱梁截面的承载能力，提高了桥梁的结构安全性。通过对箱梁梁底施加预应力，可以使既有的裂缝得到一定程度的闭合，增加了结构的耐久性。

7 结束语

采用预应力碳纤维板加固混凝土梁桥技术，不需要封闭交通，对原梁板不产生结构性破坏，封闭板底裂缝，加固工艺简单、周期短，不仅能提高桥梁的承载能力，增加桥梁的耐久性，而且维修加固成本低。因此，预应力碳纤维板加固技术有很好的应用前景。

表1 沁河特大桥挠度测试结果表

表2 沁河特大桥应变测试结果表