预应力碳纤维板对危桥加固效果的提升

汪 洋，骆美勇，袁新顺

(1.中交二航局建筑科技有限公司，武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040)

石板大桥位于重庆市九龙坡区石板镇，大桥共5跨全长130 m,所在线路道路为G212国道，等级为二级公路。其上部结构为预应力混凝土连续空心板结构，桥墩则采用柱式墩、桩基础，桥面铺装层采用水泥混凝土路面。

由于石板大桥修建年限较早、当地经济不断发展、交通运输量快速增长和重车超载等原因，桥梁开始出现严重的老化现象。桥梁管理部门在2014年对石板大桥进行定期检测，技术评定为3类，有中度缺损。但是在2018年的检测中，桥梁被评为4类桥梁，主要构件有重大缺损，严重影响桥梁使用功能和承载能力，不能保证正常使用。凭借着经济性能好、施工便捷、对桥梁结构影响小等优点，此次加固项目将采用预应力碳纤维板加固技术对石板大桥进行加固，预应力为60 kN。

1 预应力碳纤维板技术

1.1 常见的加固方法

陈华等[1]指出加固行业中最常见的有三种加固方法。1)加大截面法：此施工工序较为复杂且会对结构产生较大影响；2)非预应力碳纤维片材加固：此方法虽然能够增加极限荷载，但是无法发挥处出碳纤维板全部的抗拉强度，且应力滞后现象十分明显；3)预应力碳纤维板加固：碳纤维已被预应力拉直，在桥梁结构发生变形时可以立刻发挥作用，碳纤维抗拉强度得到了充分的利用。

预应力碳纤维板加固技术于20世纪80年代后期开始运用于我国工业与民用建筑的加固修复中，并在20世纪90年代开始运用于桥梁、隧道和其他特种结构。

1.2 预应力碳纤维板的优点

国内外许多学者对预应力碳纤维板加固技术的优点都有深入的研究。Thanasis等[2]的实验结果指出预应力碳纤维板技术能最大限度控制裂缝的产生；AI-Saidy等[3]的实验报告展示了预应力碳纤维板能够将损坏后的梁的承载能力恢复至损坏之前的状态；邓朗妮等[4]在他们的研究中指出预应力碳纤维板加固后的结构相较于普通非预应力加固方法，其承载能力和抗弯能力有显著的提升；彭晖等[5]的实验也显示了预应力碳纤维板相比于非预应力碳纤维板有更高的碳纤维的强度利用率，更能充分发挥碳板的强度。以上所有学者的文章中也均提及预应力碳纤维板加固技术有着抗拉强度高、自重轻、抗腐蚀和抗疲劳的优点。

1.3 预应力碳纤维板加固法施工主要工序

此次石板大桥加固所采用的技术为“后张法”，如图1所示，碳纤维板通过摩阻锚固原理与固定端相连接，通过千斤顶顶推反力架的方式拉动张拉杆，通过张拉杆传递拉力至碳纤维板并拉伸碳纤维板。具体工序如下所示：

在锚固端和张拉端位置开出深度为25 mm的槽，找平和清理开槽基面 → 在预定的位置钻孔并种植化学锚栓 → 安装锚固端和张拉端基座 → 安装预应力碳纤维板 → 在碳纤维板上涂抹适量的碳板胶 → 用专用的千斤顶设备逐级张拉，张拉分级为：0、20%、40%、60%、80%和100%，并持荷2 min → 用压紧条将碳板与桥底板贴合、碳板胶固化 → 对预应力碳纤维版和锚头进行防护处理。

2 力学分析

2.1 加固作用原理

碳纤维板的加固作用原理和目的是使碳纤维板承担一部分构件混凝土里面的钢筋承担的拉应力，所以钢筋混凝土构件受到的拉力能得到有效的缓解，从而保护混凝土构件。根据设计要求，石板大桥加固所用的预应力碳板的抗拉强度高达2 400 MPa，弹性模量为1.6× 105MPa，如果要发挥抗拉强度需要1.7%的伸长变形；可是钢筋的抗拉强度只有300 MPa而且拉伸率仅仅为0.15%。如果不加预应力，就算钢筋达到屈服状态时碳纤维板也仅仅发挥出8.8%的抗拉强度；而如果让碳纤维板发挥出全部强度，混凝土结构则会产生大的变形和明显的裂缝。所以对碳纤维板施加预应力能预先发挥其抗拉强度，从而提高强度利用率。

2.2 预应力的损失

石板大桥加固工程采用的预应力碳纤维板加固技术属于“后张法”，由于张拉工艺和材料的特点，预应力会部分损失，因此预应力损失后剩余的预应力即为有效预应力。参考《混凝土结构设计规范》，主要有瞬时损失和长期损失。瞬时损失主要有：1)锚具变形和碳纤维板回缩引起的损失；2)后张拉的预应力碳板所产生的混凝土弹性压缩变形会导致相邻先张拉的预应力碳板的预应力损失。长期损失主要有：1)温度变化造成的预应力损失；2)碳纤维板徐变导致的预应力损失； 3)混凝土的收缩和徐变导致的预应力损失[4]。

以上造成预应力损失与碳纤维板的几何尺寸、锚具的构造类别、施工方法以及混凝土的强度有比较大的关系。根据邓朗妮论文中的实验数据，预应力损失基本在施加预应力的8%以内。由于千斤顶的读数与实际也有一定的误差，所以建议预应力损失估算值为10%～15%。

3 加固效果分析

如图2和图3所示，本次桥梁加固项目采用有限元分析软件Midas Civil建立有限元分析模型，主梁为平面梁单元。按照设计，考虑了永久作用载荷、汽车、人群、温度等荷载。桥全长130 m，跨径组合为：17 m+3×23 m+17 m。预应力碳纤维板张拉力为60 kN。

表1 加固前后最不利截面弯矩验算表 /(kN·m)

根据Midas Civil的计算结果，如表1所示，预应力碳纤维板张拉以后弯矩抗力值在墩顶截面、中跨跨中截面和边跨最大弯矩处截面均满足要求，故此次加固项目达到恢复桥梁承载力的目的。

4 施工应注意的问题

石板大桥修建于1999年，由于其修建年代久远以及施工工艺等问题，给现场施工带来了些许不便。因此有必要列举此次施工应注意的事项和问题，以便分享经验防范施工风险。

1)由于锚固端位于桥墩附近，且该处钢筋分布十分密集，所以应提前用钢筋探测仪探明钢筋的具体位置，再选择合适位置打孔。

2)由于当年修建石板大桥的年代存在施工人员素质参差不齐和施工工艺较落后等问题，开槽发现混凝土保护层存在过薄的情况，有的厚度甚至不到5 mm。面对这种情况需要使用压紧条保证碳纤维板和桥底面相贴合。

3)由于锚具的设计原因，锚栓孔过大，从而导致四只锚栓穿过锚具后不能保证全都能与支座相接触并提供抗剪力。所以张拉过程中存在四只锚栓不全都抗剪的现象，严重时可能只有一根锚栓抗剪。所以施工中一定要保证所有锚栓都要接触到锚具，如有未接触现象，务必保证使用适当措施填充满锚栓与锚具之间的缝隙。

5 展 望

预应力碳纤维板加固技术目前已在一定数量的工程中得到应用并取得了良好的加固效果，有效解决了碳纤维板与钢筋共同工作性能差的缺点，充分利用了碳纤维板的抗拉强度。但是目前而言在此项技术的研究还是非常薄弱，施工工艺也有待加强，以下几项值得进一步完善和研究：

1)目前建筑行业中还是缺少有针对性的技术规范，有的相关公式都只是借鉴于其他规范尚未形成一套整体。有的规范多限于梁底加固，对于梁侧加固甚至是钢结构加固缺少研究，成为技术应用的瓶颈。

2)缺少加固完成后碳纤维板长期性能的研究，预应力的损失、碳纤维板的耐腐蚀性、寿命和耐火性都缺少研究和实验。

3)开发一种不需要开槽且同样可以让碳板与桥底板相贴合的锚具，避免出现论文所描述的混凝土保护层过薄现象对施工造成的困扰。

4)随着越来越多的桥梁结构需要加固，需要开发一种结构加固运算专用的插件，以便更有效地运用Midas Civil、Ansys甚至是BIM相关软件。