预应力碳纤维板加固空心板桥的实践及评估分析

张春雨

（青岛交建集团有限公司，山东 青岛 266000）

我国道路交通体系一般多数采用空心板桥梁，具有跨径小、适应性强、施工便捷特点，通过实践证实，空心板桥梁过于注重经济指标，导致工程建造细节存在问题，影响桥梁使用年限。空心板桥梁铰缝在设计和构建过程中病害发生主要是铰缝过大，影响桥梁荷载横向分布，影响桥梁服役期间的安全性。国外针对空心板桥病害问题采取梁顶浇筑钢筋混凝土，增强横向预应力，控制铰缝病害发生。日本针对铰缝病害在梁顶运用沥青混凝土铺装，减少了空心板桥梁铰缝病害发生。

1 空心板梁桥病害相关研究

1.1 空心板梁桥病害机理研究现状

空心板桥梁横向连接过程中铰缝发挥巨大作用，对桥梁结构受力情况影响较大。铰缝主要存在以下病害。第一，铰缝渗水。铰缝渗水表明铰缝出现开裂，随着雨水冲刷导致桥面钢筋暴露在潮湿环境，增加了混凝土碳化速度，影响桥梁耐久性。第二，桥面铺装纵向裂缝。在车辆的荷载作用下，铰缝出现病害，影响铰缝构件稳定性，导致横向传力能力下降，桥面铺装过程中顺延桥向出现破碎带。第三，空心板梁横向分离。铰缝混凝土内部出现脱落、塌陷等病害，导致难以向荷载横向传递，空心板梁桥出现单板受力，加重了铰缝病害，每个板梁挠度不均匀，底部出现横向裂缝，影响行车安全。

设计方面空心板梁桥标准将设计验算方法做进一步改进，通过改进荷载横向分布计算系数，铰缝可传递横向弯矩，如果铰缝传递竖向剪力会影响结果出现差异，因此，铰缝受力与破损程度具有直接关系，因此，在施工环节，应精准计算竖向剪力强度。施工方面主要是在铰缝施工过程中，下层钢筋焊接较为困难，现浇筑混凝土振捣存在蜂窝，空心板梁与铰缝连接处不良，如果不能对交界面预湿处理，将会弱化铰缝与板梁之间的关联。施工人员如果不能对空心板桥梁铰缝重视，将影响工程建设质量，导致主梁与铰缝粘结出现问题。养护及运营环节不能按照规定标准使用，易出现超早现象，长期高负荷作用下加重了空心板梁桥铰缝损坏程度，工作人员不能对病害快速识别，加剧了病害发展程度。

1.2 空心板梁桥加固方法研究现状

铰缝病害在空心板桥梁中带来了巨大安全隐患，应对当前空心板梁桥加固方法做出全面分析。第一，化学灌浆法。这种方法主要是对裂缝进行关键处理。例如，以环氧树脂材料为主的粘结剂对病害处实施灌浆，使铰缝恢复连接。这种适用于已经出现小幅裂缝，但没有进一步发展。第二，翻新铰缝，如果桥面出现初期铰缝破损，表现为纵向破损带，可以对空心板桥面做重新铺装处理，具体实施步骤为重新浇筑混凝土，尽量增大铺装厚度，确保桥面稳固，控制桥面病害进一步发展，提高整体受力性能。第三，采取复合材料加固。一般在处理桥梁病害还可以采取钢板为材料的原料进行加固，恢复不同板材的横向连接，还应提高桥梁整体承载性能。第四，纵向体外预应力加固。如果服役板桥欠缺承载能力，为了满足使用需求，应对受力薄弱区段实施加固处理，抑制铰缝病害加剧。第五，横向预应力加固。应调整铰缝受力方向，增加桥梁板材横向联系，增加新老混凝土交汇处摩擦力和桥梁横向抗弯刚度，使受力更加均匀。

1.3 预应力碳纤维板加固技术研究现状

土木工程领域为了提高力学性能，采用纤维增强复合材料，具有强度高、比重轻、耐久性好、占用场地好的特点，一般采取碳纤维复合材料粘贴梁底部。目前碳纤维板弹性模量与钢材相近，为了提高碳纤维材料的拉伸效果，应对碳纤维板施压预应力，提高其强度。

2 横向预应力加固效果影响因素研究

由于构造原因，铰缝易受到双向拉力作用导致开裂，一般采取横向预应力措施加固处理，严格控制铰缝病害进一步扩大。应根据工程施工现场需要，判断张拉力大小、桥梁宽度、横向预应力布置位置、间距等对加固效果影响分析。本文针对大铰缝空心板梁桥进行分析。

2.1 铰缝损伤模式及加固模型的确定

2.1.1 不利荷载工况下的比选。

为了明确铰缝处在不利荷载工况下应对比车道与车辆荷载，分析铰缝底层横向拉应力，路面出现裂缝因素，为了控制计算成本，在偏载工况作用下，选择跨径模板做深入研究。结合公路桥涵设计通用规范要求，车辆均匀荷载为q =10.5kN/m，车道宽度为3.75m。

图1 车辆荷载加载工况（单位： mm）

针对工程实际判断空心板桥模型，根据铰缝地缘横向应力来确定不利工况。偏载工况下铰缝底缘横向正应力沿纵向分布，通过对不同荷载作用应力峰值分析，车道在中载与偏载情况下荷载作用影响较大，在预应力加固过程中应考虑冲击系数。

2.1.2 铰缝损伤程度对比分析

加固空心板梁桥在养护及服役期荷载作用下，会加速铰缝病害程度。本文主要针对空心板梁桥加固技术进行分析，为了提高空心板梁桥加固效果，应将铰缝损伤程度按照不同等级分裂，其中，以13m跨径空心板梁桥为例，不同铰缝等级开裂程度有所区别。其中不损伤铰缝深度为0，一级损伤铰缝深度为80mm，二级损伤铰缝深度为230mm，三类损伤铰缝深度380mm，四类损伤铰缝深度530mm。铰缝应根据损伤情况以及荷载工况必选结果，根据铰缝底缘横向正应力评估铰缝开裂程度，结果表明越靠近桥梁中线位置越容易发生开裂，并按顺序从中间铰缝向周边延展。对不同损伤模式下板梁挠度量化结果分析，随着中间铰缝损伤程度越来越严重，边铰缝会发生开裂。铰缝损伤程度不同，当铰缝损伤加剧，所有铰缝均较上一类别更加不利，跨中挠度对比如图2。

图2 中损伤模式3 为一类损伤，损伤模式5 为二类损伤，损伤模式9 为三类损伤，损伤模式16 为四类损伤。

图2 不同损伤模式跨中挠度对比

2.1.3 加固模型及横向预应力材料选取

加固模型中铰缝和空心板材料一般以C50 混凝土为主，模拟横向预应力加固后铰缝混凝土恢复受压性能，加固后应恢复受压性能，纵向预应力材料选择高强钢绞线，横向预应力材料选择碳纤维板。

2.2 加固效果影响因素分析

2.2.1 横向预应力布置区域加固效果

为了起到加固效果，应对横向预应力车道荷载系数分析，板底跨中位置应增加横向预应力，对四类损伤模式挠度及未损伤模型应力分析，向支座部位平移横向预应力，以达到支座位置为例。不同位置横向预应力对铰缝应力及跨中挠度改善有所区别，将改善效果量化后，对比发现20m和13m跨径空心板桥梁铰缝应力规律相同，中间铰缝底缘存在横向拉应力，对比跨中挠度，表明横向预应力中施加80kN难以达到加固预期性能，为了保障加固效果，以13m跨径空心板桥梁为例，L/3 ～2L/3 区间实施加固作业。

2.2.2 横向预应力施加大小对加固效果的影响

根据不同铰缝损伤程度，为了提高加固性能，对L/3、L/2、2L/3 跨径处布置三道横向预应力分析，对每一级铰缝损伤模式进行分析，横向预应力增大到一定程度后，铰缝损伤程度会变得不明显，由于横向联系密切，加固后性能并未得到大幅提高。横向预应力会使边板位置出现下挠，横向预应力的增加下挠值也会随着增加，主要是空心板桥中间部位的不利荷载作用难以抵消边板横向预应力。加固后铰缝损伤程度模型量化体现，不同横向预应力对加固效果有所区别，当横向预应力达到125kN，加固效果影响会出现弱化，为了控制成本，应取横向预应力对加固效果的临界值。由于铰缝纵向抗弯刚度受到影响，增加了跨中挠度，为了使加固后达到空心板桥初始水平，当横向预应力增加到150kN，考虑纵向铰缝抗弯刚度后，边铰缝到中间铰缝横向预应力逐渐减弱，当横向预应力保持125kN，四类铰缝底缘混凝土横向拉应力为0.9MPa，一类和二类铰缝底缘混凝土横向受压平衡。

2.2.3 横向预应力锚固位置对加固效果的影响

铰缝四类损伤为研究对象，分析预应力锚固施工效果，在板底跨境处布置横向预应力实施加固处理，其中预应力大小为150kN，研究横向预应力锚固位置对加固效果影响。横向预应力在边板底部锚固时，锚固位置会出现横向位移，横向预应力损伤模型的跨中挠度未发生较大改变，锚固位置贴合桥梁内侧使铰缝附近主梁出现一定挠度。应通过增加布置数量，提高加固效果。应充分考虑桥梁车辆荷载情况，随着荷载不断加大，中载和偏载加固效果会弱化，应结合运行车辆荷载情况做好横向预应力加固设计。铰缝底缘横向应力会随着空心板桥宽度的增加而减弱加固效果，因此，空心板桥梁加固设计应充分考虑桥面宽度，确保达到预期加固效果。

3 横向预应力碳纤维板加固设计方法研究

3.1 13m跨径10 块板空心板梁桥加固设计

不同工况加载后铰缝应力不同，在最不利荷载工况下，2 辆车加载时，在中间铰缝底缘产生横向拉应力，考虑1.3 倍冲击系数和1.5 倍保证系数。以跨中界面为加固目标，对13m跨径空心板梁桥加固区L/3～2L/3 跨径区间分析，距跨中0.5m、2m处分别设置预应力加固分析。在最不利荷载作用下，对比加固效果，通过分析铰缝横向应力确定加固横向预应力。加固前后铰缝横向应力大小达到215kN时，桥梁中间铰缝底缘横向应力减弱，其他应力保持横向受压，横向预应力增加，边铰缝底缘与中铰缝底缘横向正应力呈反方向变化，当横向预应力保持215kN时实施加固措施，梁顶最大横向拉应力符合安全要求。铰缝损伤程度对加固效果的影响分析中应以跨中位置竖向挠度变化作为评价标准。当横向预应力达到215kN，增大横向预应力对加固效果影响不大，为了全面掌握加固效果，盘点加固后每个空心板挠度与整体板桥挠度比，铰缝损伤程度加重，挠度恢复难度越大，当预应力达到215kN后，加固效果保持恒定，其中最大横向拉应力1.05MPa，符合行业安全要求。加固空心板桥结构受力情况发生变更，应分析荷载横向分布规律，其中中间板荷载横向分布与未损伤模型最为接近。

3.2 实用设计计算方法

一般采用在跨中部位布置5 道横向预应力，加固后，应确保界面最不利荷载环境下达到加固要求，以13m跨径10 块板模型为例，确定布置间距应在靠近支座位置扩大间距，分析不利荷载条件下不同损伤模式横向受压恢复能力。当桥梁跨径、宽度以及横向预应力间距明确，对不同铰缝病害加固所需横向预应力差异不大，主要是不同损伤模式的空心板桥模型恢复抗弯能力及水压区高度差异不大，因此，应对损伤模式下最大横向预应力加固。不同荷载条件下，一般中间几块板承载最大荷载，随着桥梁宽度增加，铰缝横向应力值随着桥梁宽度增加而减小，双向受力明显，损失部分横向预应力。横向预应力间距增大，铰缝底缘横向预压应力峰值衰减。随着混凝土结构层厚增加，铰缝底缘横向正应力逐渐减小，加固后梁顶产生横向压力逐渐减小，混凝土结构会增加横向预应力偏心，中间交锋较边铰缝损失随着混凝土结构层厚度逐渐增加。

3.3 标准图单板1m宽空心板梁桥加固设计

不同跨径空心板桥横向预应力碳纤维板加固设计不同，在恒载作用下，横向预应力在梁顶产生的横向拉应力不会对桥梁混凝土产生影响。不利荷载条件下，不同损伤模式采取预应力碳纤维板加固后，铰缝底缘可恢复横向受压性能。实施加固措施后，边铰缝底缘应力随着纵向连续分布，但不会超过应力值上限。以标准图单板1m布置，常用预应力碳纤维板截面宽度为100mm，截面厚度为2mm，抗拉强度下限为2400MPa，当碳纤维板张拉力为0.65 倍破断力时，可以推算出碳纤维板最大张拉力为312kN，随着横向预应力增加，达到峰值312kN可适当控制预应力间距。随着宽跨比增加，不利荷载中间铰缝底缘横向拉应力增加，预压应力随之减少，当跨径10m空心板桥梁，运用碳纤维板进行加固，当间距保持1m会增加张拉力，因此，应控制间距，才能达到预期加固效果。

4 结语

本文针对预应力碳纤维板加固空心板桥实践进行分析，对不利荷载条件下横线分布及铰缝应力分析，对铰缝病害机理提出了预应力加固可行性分析，对横向预应力张拉力大小、桥梁宽度、铰缝损伤、布置间距等对加固效果影响。对碳纤维板加固技术提出了相应加固原则、计算方法及加固设计方案，确保工程实践中发挥预应力碳纤维板加固的实效性。