预应力碳纤维布加固混凝土空心板梁桥应用技术研究

易安

摘 要：作为一种新型结构加固技术，预应力碳纤维布属于主動加固，可增强碳纤维布的高强性能，在加固效果方面较为显著。本文以混凝土空心板梁桥为研究对象，结合具体案例，制定了加固方案，并分析了预应力碳纤维布加固施工工艺，最后通过荷载试验评估，可得出预应力碳纤维布在桥梁加固施工中应用效果良好。

关键词：预应力碳纤维布;工程概况;加固方案

1 工程概况

某桥梁工程为装配式预应力钢筋混凝土空心板桥，桥梁分左右两幅，单幅横桥空心板共设12片，采用C40混凝土。具体情况如表1所示。

经实地勘察可知，由于通车运营多年，桥梁底部已出现了大量纵横向裂缝，纵向裂缝缝长0.5～7 m，横向裂缝多达100多条，缝宽0.08～0.35 mm。随渗水部分裂缝出现泛白情况，桥台台帽和桥墩等处局部混凝土损坏严重，已对桥梁安全性和耐久性造成了很大影响。图1为桥梁空心板梁裂缝图。

2 加固方案

基于上述分析，本桥梁裂缝较多，且局部空心板铰缝严重脱落，说明存在单板受力现象，承载力不足。因此，在加固处理时，在封闭表面裂缝的基础上，还要增加其承载力储备。一方面采取主动加固方案，有效提升桥梁承载力;另一方面可选择横向增加联系措施，进一步增强空心板整体受力能力。

2.1 加固空心板板底

根据施工情况，可采用预应力碳纤维布加固补强空心板梁底部位置，0.25～1.0 mm为张拉预拱度范围，通过该方面，可有效提升桥梁裂承载能力，提高桥梁安全性。

同时，在横向每跨1/4 L、1/2 L、3/4 L处分别设置钢板，尺寸为150×3.0 mm。通过横向增加联系措施，可改善桥梁单板受力状况。

2.2 空心板梁裂缝泛白处理

采用灌胶处理空心板裂缝，待封闭裂缝表面后，可通过均匀涂抹聚合砂浆的方法进行裂缝泛白处理。

2.3 铰缝处理

针对上部一般构件的铰缝问题，可采用聚合物砂浆进行板底铰缝损坏处理。

3 预应力碳纤维布加固施工工艺

3.1 基面处理

施工前，需清理干净粘贴面混凝土上的杂物，如浮粒等，脱落、风化层等不稳定部位同样要清理干净。凸出部位则磨平处理，打磨转角部位，形成圆角，均匀涂抹找平胶。

3.2 定位放线

需提前测定混凝土梁内钢筋所在部位，采用钢筋探测仪测定，也可采用去除混凝土保护层的方法，从而为锚具安装位置确定提供方便。

定位放线中，需在张拉端预留一定施工间距，长度不得小于60 cm。待安装锚具之后，应明确标注出钻孔准确位置。

3.3 锚具及张拉设备安装

通过锚栓进行锚具定位，保证位置和中心线偏差不得超过2°。待安装锚栓进孔洞之后，应采用结构胶沿孔洞周边或边缘将孔洞、锚具间的表面空隙封闭，封闭胶的固化时间在30 min以上。

安装张拉端之后，需详细观察边缘和基面之间的粘结程度，若仍存在空隙，及时采用结构胶进行封闭，结构胶固化时间在30min以上。结构胶可通过预留注射管向张拉端锚具圆柱和孔壁间的缝隙注射，待封闭缝隙后，可截断注射管。

3.4 预应力碳纤维布张拉

第一，碳纤维布的下料长度由两端中心孔洞间距确定，拉拔试验应在施加预应力后进行。第二，在结构胶混合前，必须做好温度和含水率测量工作。第三，修正磨平基面后，将一薄层底胶涂抹在其表面，保证与碳纤维布充分粘结。第四，张拉施工前，先卷起碳纤维布，在需涂抹环氧树脂胶的一面采用丙酮清洁剂进行清理，在此环节不能用力过大，避免损坏碳纤维布。第五，选用专用结构胶均匀涂抹在碳纤维布上，在张拉端和固定端需预留一定锚固长度，无需涂抹。第六，在张拉设备上安装碳纤维布，并在固定端固定，正式张拉施工前，需进行预张拉，待确定张拉效果满足设计要求后，即可进行正式张拉。

3.5 锚固张拉端

张拉施工结束后，在碳纤维布表面通过滚筒均匀涂抹浸渍树脂胶，随后将张拉端锚固螺栓拧紧，并卸下千斤顶，若螺杆过长需及时切除，每隔2 m沿碳纤维布方向安装一道压片进行固定。

3.6 养护施工

养护时，可参考先张法确定加固养护时间。随后做好表面防护处理，如将防锈漆均匀涂抹到两端锚具，并加设套盒，防止外力直接损坏锚具。同时，将防火、防水涂料均匀涂抹到碳纤维布表面，做好防护处理。

4 加固后荷载试验评估及分析

混凝土空心板梁桥采用预应力碳纤维加固后，为验证加固效果，可在加固后进行荷载试验评估。主要检测桥梁关键部位混凝土的挠度、应力和裂缝情况，最后对加固后桥梁的受力性能进行综合评价与分析。

4.1 静载试验

（1）试验加载方案。采用分级加载法进行静载试验，试验共采用2种工况，其中工况一为偏心加载，工况二为对称加载。2种工况均设四级加载，一级加载时两排加载车后轴间距均为8.0 m，二级加载时两排加载车后轴间距均为6.0 m，三级加载时两排加载车后轴间距均为5.0 m，四级加载时两排加载车后轴间距均为4.5 m。

该试验主要检验结构承载力情况，因此，采用基本荷载加载即可。通过计算，可获取不同工况下设计荷载等级的等效荷载，各加载工况试验效率如下：

工况一：1号板跨中控制断面，试验加载值为296.71 KN·m，城-A级计算值为287.62 KN·m，试验效率为1.03。

工况二：6号板跨中控制断面，试验加载值为237.37 KN·m，城-A级计算值为242.20 KN·m，试验效率为0.98。

由此可见，静载试验效率满足规范（0.95～1.05）要求。

（2）试验结果分析。在四级加载作用下，可测得两种不同工况条件下空心板梁挠度值和应力值，具体如表2所示。

由于该桥梁裂缝病害严重，在试验加载时，选用第1#板控制截面上2条横向裂缝与第3#板控制截面上2条横向裂缝进行裂缝情况分析。观测试验荷载作用下裂缝宽度实际变化。检测情况如下：

工况一：1#板，裂缝1初始值为0.18 mm，满载值为0.22 mm，卸载值为0.19 mm，变化值为0.04 mm，残余值为0.01 mm;裂缝2初始值为0.08 mm，满载值为0.11 mm，卸载值为0.08 mm，变化值为0.03 mm，残余值为0.00 mm。

3#板，裂缝1初始值为0.12 mm，满载值为0.14 mm，卸载值为0.13 mm，变化值为0.02 mm，残余值为0.01 mm;裂缝2初始值为0.16 mm，满载值为0.19 mm，卸载值为0.16 mm，变化值为0.03 mm，残余值为0.00 mm。

工况二：1#板，裂缝1初始值为0.19 mm，满载值为0.21 mm，卸载值为0.19 mm，变化值为0.02 mm，残余值为0.00 mm;裂缝2初始值为0.08 mm，满载值为0.10 mm，卸载值为0.09 mm，变化值为0.02 mm，残余值为0.00 mm。

3#板，裂缝1初始值为0.12 mm，满载值为0.15 mm，卸载值为0.12 mm，变化值为0.03 mm，残余值为0.00 mm;裂缝2初始值为0.16 mm，满载值为0.18 mm，卸载值为0.17 mm，變化值为0.02 mm，残余值为0.01 mm。

经上述分析，均可达到规范规定。混凝土空心板梁桥加固采用预应力碳纤维布之后，桥梁裂缝基本上完全闭合，大幅提升了桥梁刚度。在整个加载过程中，两种不同工况条件下，裂缝存在轻微变宽现象，待卸载之后，裂缝宽度基本恢复至加载前状态，由此表明，桥梁体弹性变形性能良好。

4.2 动载试验

在不同车速（20 km/h、40 km/h）条件下，按照加载工况示意图位置，选择一辆450 KN标准荷载车辆由东向西从桥梁通过，以此进行此跨动态挠度值、活载冲击系数的准确测定。经试验可得20 km/h车速条件下冲击系数为1.05，40 km/h车速条件下冲击系数为1.09，相比规范值1.34，均在规范值以内。此外，通过脉动试验，可获取随机振动响应信号，经检测可得9.90 Hz为结构的自振频率，相比理论计算值7.47 Hz，在理论计算值以上，可达到规范规定。

由此可知，空心板梁桥经预应力碳纤维布加固后，在动载荷作用下，所测数据均满足规范规定，说明桥梁健康安全状态良好。

5 结束语

综上所述，近年来，我国经济迅速增长，路桥建设已步入一个全新的阶段。各类桥梁建设规模不断刷新世界纪录，路桥事业取得了令人瞩目的成绩，是见证中国速度的一抹重彩。据相关数据统计，我国现有路桥工程超过30%使用年限已达到30年，有安全隐患的三、四类桥梁所占比例高达40%，危桥数量超过几十万座。若全部拆除重建是不切合实际的。因此，解决此类问题关键在于加固与维修改造。常见桥梁加固方法包括体外预应力法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维片材加固法等。本文以混凝土空心板梁桥为研究对象，提出了一种预应力碳纤维布加固工艺，将其用于桥梁加固，可以改善混凝土的应力状态，提升桥梁承载力，满足补强加固的效果。

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