桥梁预应力CFRP板加固技术

刘林昊、钟小婷

（抚州市公路事业发展中心黎川分中心，江西 抚州 344600）

0 引言

随着我国桥梁工程运行时间的延长，部分桥梁结构开始老化，若不及时养护，会导致结构损坏严重，无法满足运行要求。当前，各个地区都有一定数量的危桥，会影响道路交通的安全性和稳定性。为了消除危桥的影响，推动交通事业的发展，带动我国经济与社会的高速发展，应加强桥梁的加固处理，恢复其通行性能。

当前，桥梁加固技术种类非常多，各种技术都有一定的优势和不足，所以要根据实际情况选择最佳加固技术，恢复桥梁的性能。在桥梁加固中，预应力CFRP 板加固技术效果较好，在我国桥梁加固工程中得到了广泛的应用。

1 复合材料应用现状

纤维复合材料简称FRP，其主要由基础材料与增强材料共同组合形成的，目前广泛应用的是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等材料，特别是碳纤维材料，简称为CFRP，其力学性能比传统的钢板要好，在强度、耐腐蚀性等方面优势明显，且现场施工方便、质量比较轻，已经大范围应用到工程领域内。

经过试验检测分析，CFRP 材料的极限抗拉强度超过3400MPa，是普通高强度钢丝的3 倍左右。这类材料也因性能优越，在工程领域得到了广泛应用，获得工程领域专家、学者的一致好评，但该材料的研发和应用还处于初期阶段，其高强度的特性并未充分发挥出来，在实际应用中依然存在一些不足[1]。

2 预应力CFRP 板加固技术原理

预应力CFRP 板具有较高的强度特性，将之应用于加固施工中，能够提高结构承载力，延长工程使用寿命。在预应力CFRP 板加固施工中，使用千斤顶进行张拉，能够更好地发挥出材料的强度优势，更好地承受结构的作用力，进而达到结构稳定性效果，避免发生结构损坏问题。

在预应力CFRP 板加固施工中，主要需要用到锚具、CFRP 板、材料胶等。锚具起到固定作用，张拉之后将碳纤维板固定在规定部位上，避免发生松动、张开等问题，保证结构性能达到要求。材料胶起到黏附作用，使碳纤维板与桥梁结构组合形成整体，防止发生结构分离而造成性能不合格的问题。

应用预应力CFRP 板加固技术，能够提升结构抗弯性能。经试验检测分析，通过CFRP 板加固，桥梁结构的抗弯承载力能够提升约60%。但相较于钢材，CFRP 板的横向抗压强度、抗剪强度相对较低，传统锚固方式容易使其受到损坏，受到这方面的限制，使得该技术的推广应用存在一定的限制[2]。

在预应力CFRP 板锚固过程中，预应力筋同时受到纵向拉力、横向拉力、摩擦力的作用，如果板材受到的应力超出其临界应力参数值，会发生断裂的情况，预应力系统就会失效不能发挥出CFRP 筋抗拉强度应有的效果。在CFRP 板材料中，影响材料性能和质量的因素较多，如纤维强度、树脂品种、生产条件、碳纤维规格等，导致锚具选择较为困难，限制了预应力CFRP 板锚固施工效果。因此，应使用新型锚具以达到更好的锚固效果，以更好地满足施工要求。当前，我国应用在CFRP 板加固中采用的锚具主要有如下三种：

第一，黏结型锚具。该锚具材料应用的是黏结介质、套筒、端堵等，具备较高的摩擦力及咬合力，黏结效果比较好，应用价值较高。该锚具的优势是不会造成板材的损坏，应用范围比较大；缺点是灌胶工艺难度高，材料性能要求较高，固化时间长。

第二，机械夹持型锚具。该类型的锚具主要是通过机械咬合力的方式进行固定，作用机理和黏结锚具相同，主要是发挥摩擦力的作用，常用的机械夹持型锚具包括CFRP 棒材锚具、齿形锚具等。该类型锚具的优点是可以根据实际情况进行片材或棒材调节，缺点是受力不均匀、偏心张拉情况明显，容易发生结构受力损坏的情况。

第三，其他锚具。除了上述两种锚具，还有其他类型的锚具，如机械夹持型锚具和由CFRP 筋组合的复合型锚具等。许多国家都在积极研发新型锚具，如最近推出的非金属锚具，其抗拉强度超过了200MPa，可以用于制造锚环、夹片等，能够替代传统的金属锚具。这种创新型锚具在特殊条件下有明显优势，可以为CFRP 板锚固施工提供新的解决方案。

3 工程概况与施工方案

3.1 工程概况

某座跨越河流的桥梁项目总长1.7km，其基础结构采用灌注桩形式，上部结构采用预应力连续梁形式，横跨河流的桥梁由5 片小箱梁组成。该桥梁已投入使用超过10 年，在近期的养护工作中发现腹板结构存在较多裂缝，裂缝宽度大约在0.1mm 左右，且多集中在特定区域，并逐渐延伸，但尚未达到截面顶部。

经过详细分析，确定腹板结构裂缝问题的根本原因。第一，一部分裂缝是因裂缝部位受到了超出其结构性能承受能力的拉应力而产生的，多为竖向裂缝。第二，腹板底部的竖向裂缝降低了截面的性能，从而引发横向裂缝。

3.2 加固方案选择

对于该项目，养护管理单位的技术人员提出如下两种加固方案：

第一方案：预应力CFRP 板加固。制作两条宽50mm、高3mm 的预应力CFRP 板，应用锚固块、锚具等固定，单价为900 元/m。该方案旨在通过预应力CFRP 板的加固作用，提高腹板的承载能力，从而减轻裂缝扩展、提高结构的稳定性。

第二方案：无黏结体外预应力加固。钻孔并安装预应力锚固套筒，将预应力钢筋穿过套筒并张拉，以产生预应力效果，之后锚固预应力钢筋。该方案旨在通过外部预应力钢筋施工，提高腹板的受力能力，进而提高结构整体的稳定性。考虑到成本、技术性能、施工便捷、加固效果等因素，最终确定应用CFRP 板加固方式，其操作简单、耐腐蚀性好，具备较高的耐久性，使用寿命比较长，综合效益较高。

3.3 加固设计

通过对现场展开综合分析，确定该项目应用两条长度分别为26.6m 和24.6m 的宽50mm×高3mm 的预应力CFRP 板，顺桥梁方向进行铺设施工。结合施工情况，应用锚具与混凝土结构进行栓接，连接深度在95mm 左右，采用镀锌螺栓连接，以满足连接标准。

3.4 有限元分析

应用有限元软件展开结构设计分析，计算各项参数，构建结构设计模型，模拟加固效果是否符合工程要求。通过模型分析发现，在混凝土和预应力CFRP板紧密贴合成为整体之后，不存在滑移问题。对材料性能进行检测分析，发现预应力CFRP 板的张拉控制力为1289MPa，永久预应力为1200MPa，在使用中会出现预应力损失的情况，但损失幅度较小，说明加固后的总体强度性能较高[3]。

4 施工工艺分析

4.1 选择适宜的施工材料

在桥梁预应力CFRP 板加固施工中，选择适宜的施工材料对项目开展有很重要帮助。首先，需要考虑CFRP 板的材质，通常选择高质量、高强度的碳纤维复合材料，以确保加固效果稳定、可靠。其次，对于夹持器、锚具等部件，应选择具有良好耐久性和抗拉强度的材料，以确保加固结构的牢固连接。最后，需要考虑施工材料的环保性能，选择对环境友好的材料，以满足可持续发展要求。

4.2 施工工艺

进行加固施工前，应进行现场测量和放样工作，并加强对各项参数精度的控制，以确保张拉端和固定端处于可控范围内，并处于相同状态。如果发现存在松弛情况，应立即进行纠正。施工之前应对CFRP 板表面进行清理和检查，确保没有任何杂质存在，并进行打磨和平整处理，以满足施工要求。

在混凝土结构内进行预埋钢筋钻孔作业，灌胶并加固，达到强度要求后开始粘贴CFRP 板。第一，按照施工要求涂抹底胶，设置反力钢筋，应用千斤顶开展张拉作业，相邻钢筋张拉需间隔几分钟。该环节结束后，对于胶液缺少的位置及时补充处理。第二，安装限位卡，预防出现脱空现象影响连接效果。第三，上述工作完成后，需要对CFRP 板与锚具进行防护处理，保证结构加固质量。一般采用喷射水泥浆的方法进行封闭处理，砂浆喷射厚度在2～3cm 之间，该防护层可以保护整体结构，避免投入使用后发生损坏问题，可延长加固结构使用寿命，提高加固效果[4]。

5 加固效果检测

预应力CFRP 板加固施工结束后，需要对加固效果进行检测，对截面尺寸、弹性模量、材料容量、膨胀系数、施工荷载等进行检测，确保各参数满足桥梁运行需要，确保施工精度合格，以提高桥梁工程结构性能。

6 施工控制内容及方法

6.1 施工控制内容

其一，原材料质量控制。桥梁加固工作过程中，原材料质量尤为关键，必须满足耐久性、强度、使用寿命等要求。因此，开展加固工作前应加强对各种材料的试验检测，保证每种材料的性能和质量合格，达到工程使用标准。

其二，混凝土材料性能控制。对于桥梁工程而言，混凝土是主要组施工材料，尤其是在基础结构中，因此必须确保混凝土材料的性能达到标准，具备足够的强度，以提升整体结构的稳定性。在实际施工前，必须进行混凝土性能检测，以了解其强度等参数，确保荷载和受力情况合格。

其三，加强对预应力加固体系的控制。一是张拉作业实施前，需要检查混凝土结构强度，确保其等级满足设计要求；张拉环节采取双控方式，保证应力、伸长量都在规定范围内。二是如果在张拉阶段发现千斤顶夹片磨损，应及时进行回油处理，以防止滑丝现象发生。夹片处理过程必须符合工程规范要求。如果回油处理无法解决问题，应对锚具和钢绞线进行全面检查而后进行调整，以确保施工符合标准。

其三，波纹管损坏可能导致漏浆，进而影响钢绞线和混凝土的连接性能。对于这个问题，在现场施工中应进行多次反复张拉，并确保荷载持续一定的时间，以防止摩擦力对施工效果产生不利影响。

其四，如果存在孔道摩阻，且影响伸长量参数，应将钢绞线张拉到5MPa，并将回油数调整为零，重新进行张拉施工，并采用分级张拉的方式，严格控制伸长量。

其五，现场张拉阶段应准确了解结构部位的拱度和变形数据，以防止超出标准，引发裂纹等问题[5-6]。

6.2 施工控制方法

第一，加强事前控制。需要进行详细的结构检查和评估，以确定加固的具体位置和范围。进行充分的材料测试和性能评估，确保选用的CFRP 板符合设计要求，对混凝土和钢筋等材料也需要进行必要的检测，以确保它们的性能和质量满足施工要求。此外，事前控制还包括施工计划的制订，确保施工过程中的工序和时间安排得当，以及施工现场准备工作（包括清理、平整和安全措施）的有效落实。

第二，加强现场施工质量管控。根据桥梁工程建设的标准要求，制订相应的质量管理措施，建立完善的应急预案，及时解决质量问题，使每个环节都处于可控范围内，确保加固作业顺利完成。

第三，加强事后控制。加固工作结束后，组织质检人员对现场进行全面的检查，对每个细节都要进行全面的质量检查，并落实处理措施，消除各种缺陷问题，提高施工效果。

7 结语

综上所述，在桥梁加固工程中通过采用预应力CFRP 板加固技术，对提高桥梁加固的稳定性有重要帮助。文章对预应力CFRP 板加固技术的要点进行了分析，同时结合工程实例论述预应力CFRP 板加固技术的工艺流程，提出相关的技术要点。在往后的桥梁加固施工中，要结合桥梁加固要求，明确预应力CFRP板加固施工方案，同时注重材料选择，且在施工环节要根据工艺规范进行施工，做好施工现场的质量及安全管控，以提高施工效果，为桥梁的稳定运行奠定基础。