预应力碳纤维板加固体系在公路桥梁中的应用现状

傅原星 叶青华 周攀

摘  要：本文探讨了公路桥梁中碳纤维板加固体系的应用现状，在此基础上分析了实际应用过程中常见的、易忽视的一些问题原因，并提出针对性解决措施，以期进一步优化公路桥梁预应力碳纤维板加固体系的应用效果。

关键词：公路桥梁;桥梁加固;预应力;碳纤维板

中图分类号：U445.72    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）08-0000-00

0 引言

近年来，通过在桥底横向张拉预应力碳纤维板来进行加固的模式应运而生，其可以提高桥板整体刚度和承载能力。预应力碳纤维板加固技术在高速发展的同时，其在应用过程中出现的问题也越来越多。预应力碳纤维板加固技术能否真正实现预期的良好加固作用，根本在于其加固体系是否完善与合理。公路桥梁预应力碳纤维板加固技术近年来越来越受到重视，全国各地的应用案例逐年增加，这对于桥梁加固技术的发展具有十分重要的意义。

1 张拉锚固体系概述

锚固体系是将预加载应力的碳纤维板与加固对象（混凝土梁体）有机结合的构件体系的总称，是碳纤维板与被加固混凝土梁体连接与传力的关键装置。当前，工程应用中锚固体系一般分为两部分：锚具和锚固装置。锚具是用于夹持预应力碳纤维板的构件;锚固装置是将锚具固定于被加固混凝土梁体的构件[1]。

1.1 锚具概述

在预应力碳纤维板加固施工中，锚具（夹持碳纤维板材的端部构造）的选择问题至关重要，其直接决定了体外预应力能否施加成功。基于锚具的使用特点，其必须具备较高强度，且能够承受足够大吨位的张拉应力，同时能对碳纤维板进行有效夹，保证碳纤维板不出现剥离损伤等特性。目前在工程实际应用中，碳纤维板锚具按夹持方式一般分为挤压式锚具和夹片式锚具。其中挤压式锚具主要有墩头锚具、平板锚具和波形锚具。当前，使用较为广泛的是湖南大学吴志平团队研制的平板锚具和重庆大学卓静团队研制的波形锚具等。而夹片式锚具主要有广西工学院邓朗妮等基于摩阻原理研制开发的新型夹片锚具。

（1）波形锚具。波形锚具是挤压式锚具的典型代表，其是由重庆大学卓静在平板锚具的基础上进行改进和研制的新型锚具。该锚具主要构造有下钢板、上钢板以及锚栓。其原理主要是通过摩擦力（由螺栓提供的挤压力产生）和粘结力（碳巧维板材与上、下钢板之间胶体），对碳板进行有效夹持。因此，该锚具不会产生横向剪切力集中作用现象，对于抗剪性能较差的碳纤维板材具有较好的适用性。此外，该种波形锚具巧妙的将上、下钢板内侧改为波形螺纹设计，并保证上、下两块钢板齿纹相吻合，有效的加大了碳纤维板材与钢板的作用面积，提高了锚固效果。（2）夹片锚具。夹片锚具主要构造有上、下夹片和锚板。其原理主要是借鉴了钢绞线张拉后夹片锚固的相关工艺，即借助对碳纤维板的张拉而连带夹片有效楔入对应锚板，进而锚板产生足够正压力提供相应摩擦力来实现锚固作用。值得注意的是，该锚具巧妙的利用了楔形构造，使得张拉力增大的同时夹片在横向方向的正压力逐渐变大，进而提供对碳纤维板充足的摩擦力。另外，通过对该夹片锚具的进一步分析，在施工方面该种夹片锚具与其他锚具有较大不同，即该种锚具在作用前需要施加一定的预紧力，保障上下两块夹片有效楔入，以保障后续借助楔入作用在张拉力增大的同时，产生足够的摩擦力，抵抗碳纤维板材的相对滑动。（3）对比分析。通过挤压式波形锚具和夹片锚具的锚固性能、耐久性、施工难度等方面进行对比，两种主流锚具各具优点：1）在受力方面，波形锚具和夹片锚具都有良好的锚固性能;2）在安全和耐久性方面，两者都具备较好的耐久性;3）在构造和施工便利性方面，波形锚具更具优势，构造简单，施工便利，更适用于快速加固施工。

1.2 锚固装置

锚固装置是将碳纤维板有效固定在被加固试件上的构件，主要是通过锚固装置将张拉应力稳定的向被加固桥梁传递，即锚固装置需要有足够强度承担大吨位的张拉力，此外结构稳定性、安全性也至关重要。长期工程实际证明，对于板梁体外预应力碳纤维板锚固装置，其尺寸允许保持在较小范围，主要是因为该种情况一般张拉应力不大且底板空间相对有限。实际操作中，锚固装置具体尺寸往往依据张拉吨位的大小进行反向验算。具体做法上，可配置少许锚栓，方形的底钢板，并在锚固装置间设计钢肋板提高承载力，进而保障有效传递张拉力。

2 现有锚固体系存在的问题

通过对现有工程应用案例的广泛调查和长期应用效果跟踪，主要有以下两方面问题值得关注 [2]：

2.1 后张拉索对先张拉索的损失

通常现场加固时每一跨会有多根预应力碳板，而这些碳板的张拉是逐根进行的，因此先张拉索的预应力在后续索张拉过程中，随着梁体的上拱变形预应力会损失，从而使得各索的预应力不均匀达不到设计要求。近期也有一些项目要求施工时各索要同步张拉，但限于设备原因，要做到同步张拉比较困难。

2.2 预应力碳板与梁体之间的空隙大

不论使用哪种锚具，由于锚具本身的厚度至少在2.5cm以上，故在锚具处碳板与梁体表面间隙至少有1cm。由于梁板本身有一个施工上拱度和张拉拱度，而碳板在张拉过程中会促使梁板进一步上拱，因此碳板与梁体表面的间隙越往跨中会越大。笔者现场实测，20m空心板，张拉完成时最大间隙达到5cm。而设计文件要求碳板要紧贴梁体，使用结构胶粘贴在一起。为了达到这个要求，施工时通常使用压板来固结，但在固结过程中，将促使预应力碳板的应力增加，这与设计应力相去甚远。

3 相关建议

基于对以上工程实际的总结分析，参考现有理论及技术研究，就公路桥梁预应力碳纤维板加固体系提出以下建议[3]：

3.1 着重于后张法相关研究

结合工程实际看，后张法是目前应用最广泛和效果相对稳定的预应力施加方式，各领域应着重加强对其施加方式本身原理、施工方式优化等方面的研究，以及与其相关的装置设备的研制。

3.2 合理选择锚固方式

当前预应力碳板加固相关的锚固方式多样，且相关研究不断深入、相关装置持续研发。因此在实际工程中，一方面需根据实际需求、工程特点、成本等进行合理选择，保障其适用性和可行性;另一方面也应积极尝试成熟安全的新方法和新装置，共同推动碳板锚固技术的进步。

3.3 结合实际深化碳板加固体系研究

当前，针对桥梁碳板加固整个体系的研究较多，但多偏于理论，往往容易忽略部分常见问题，这与实际有一定距离。因此，应进一步结合实際，以解决工程问题为导向，深化碳板加固研究，如：（1）在工程实际中较难实现同步张拉，需结合实际解决多次张拉产生的预应力损失问题;（2）预应力碳板与梁体之间的空隙在理论研究中忽略较多，而在实际中对预应力却又影响较大，应结合实际深化分析;（3）运营期预应力损失比较难获得准确数据，应探索内置传感器自动监测的方式实现。

参考文献

[1] 廖阳.预应力碳纤维板锚具夹持性能试验研究[J].四川水泥，2017（2）：344.

[2] 田密.锚索预应力损失与控制分析[J].交通世界，2016（31）：74-75.

[3] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.JTG/J22-2008.公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008.

收稿日期：2020-07-03

基金项目：浙江省公路与运输管理中心科技计划项目《空心板桥自感知预应力碳板横向加固和监测技术研究》（2019H20）。

作者简介：傅原星（1989—），男，浙江丽水人，大专，工程师，研究方向：桥梁工程检测。