预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用

朱果山

(山西省安装集团股份有限公司，山西 太原 030012)

预应力碳纤维板加固技术在结构补强加固中取得广泛的应用，对碳纤维板施加预应力，减少桥梁结构的变形量，提升桥梁结构的承载性能，可以用较少的成本、较高的效率取得良好的桥梁加固效果。预应力碳纤维板加固施工细节多，深入研究施工的要点具有重要意义，以科学的方法进行施工，从而充分发挥出预应力碳纤维板的性能优势，取得良好的加固效果。

1 工程概况

本桥梁位于国道337跨越蔚汾河上，桥梁结构为小箱梁成两联布置，桥跨为3×20m+4×20m=140m。桥梁与河道夹角为105度，横向布置为2.0m(人行道)+2.5m(非机动车道)+1.5m(设施带)+10.5m(机动车道)+ 3.0m(中央分隔带)+10.5m(机动车道)+1.5m(设施带)+2.5m(非机动车道)+2.0m(人行道)=36.0m，随着地区经济的发展，桥梁车流量增加，车辆重载化，桥梁结构逐步老化，加之降雨、日晒、冻害等因素的影响，桥梁铺装层受损，桥梁底处分布较多的纵横向裂缝，亟需采取加固措施。经过技术可行性分析后，拟采用预应力碳纤维板加固桥梁，快速处治桥梁病害，提升梁体的承载性能。

2 桥梁病害概述

根据现场调查结果可知：本桥梁各梁跨中底板存在竖向裂缝，开裂病害较为严重，主要集中在横隔板处，结构中的钢筋部分裸露于外界，受潮湿空气等环境因素的影响，钢筋逐步锈蚀；桥梁局部受损，伸缩缝的橡胶条性能退化且部分遭到破坏，缝内的杂质堆积量较多。本桥梁裂缝病害的主要特点，如下：1)底板横向裂缝：属于跨中受弯导致的裂缝，集中在底板L/4～3L/4范围内，裂缝经过长期的发展后，长度延伸，部分已经到达腹板处；2)腹板竖向裂缝：具有“上宽下窄”的形态特点，缝长为0.6～1.5m，缝宽为0.10～0.14m，基本属于底板横向裂缝延伸后的结果；3)腹板斜向裂缝：缝长为0.4～0.6m，缝宽为0.1～0.12mm，绝大部分均与底板横向裂缝贯通，影响范围相对较大；4)根据各部位裂缝的长期调查数据可知，底板横向裂缝和腹板竖向裂缝均有持续发展的变化趋势，具体表现为数量的增加和缝宽的扩大两个方面[1]。经研究决定，采用预应力碳纤维板进行加固。

3 预应力碳纤维板的主要材料及其性能

3.1 碳纤维板

以表面较为粗糙的碳纤维板材为宜，选取样品，由工程所在地区省建筑材料研究中心进行检测，实测标准抗拉强度为2 470MPa，高于规定值(2 400MPa)；受拉弹性模量为1.65×105MPa，满足不低于1.60×105MPa的要求；伸长率为1.71%，满足不低于1.7%的要求。总体上，碳纤维板的各项力学性能指标均符合要求，可作为本次桥梁加固的施工材料[2]。

3.2 碳纤维胶黏剂

碳纤维板粘贴过程中，采用的是由底胶、找平胶等为原材料按特定比例配制而成的专用胶黏剂。在初步选取材料后，由桥梁工程所在地区的省建筑材料研究中心进行检测，结果表明碳纤维胶黏剂的各项性能指标均符合要求。

碳纤维板粘贴所需的底胶和找平胶均采用的是由A级胶∶B级胶以3∶1(重量比)配制而成的双组分材料，胶黏剂性能指标均符合要求，在本次预应力碳纤维板加固中具有可行性。此外，考虑到板底局部存在裂缝，还按照A胶∶B胶为1∶0.5(重量比)的比例配制裂缝修补结构胶。

4 预应力碳纤维板加固施工要点

4.1 准备工作

1)材料选取。以厚度一致、表面平整的碳纤维板为宜，由具有资质的供应商提供材料，进场时进行质量检验；2)以桥梁实际情况为准，合理调整碳纤维板的宽度和厚度，保证各碳纤维板均可有效应用；3)测量跨梁间距，测量误差范围为-0.15～0.27m，发现偏差后及时纠正。

4.2 基底处理

全面清理基底脱落的混凝土，凿除旧桥受损部位以及碳化部位，检查旧桥的质量缺陷，按照缺陷类型及严重程度采取修复措施。桥梁裂缝宽度在2mm以内时，可涂刷环氧树脂，达到2mm及以上时，采取灌注环氧树脂的处理方法。若桥梁受损，进行修复和打磨，再清理干净修复的部位，使旧桥面保持平整、干净，打好基础，以便预应力碳纤维板加固施工的正常进行[3]。

4.3 定位放线

1)用钢筋探伤仪检测桥梁待加固部位的主筋与构造筋，确定各自的分布位置；2)确定锚杆安装位置；3)按图纸要求确定孔位，设置标记。

4.4 钻孔、植筋

按图纸要求，弹出碳纤维板张拉端和固定端锚固块的位置，设置标记，后续根据标记在指定位置进行安装作业；用钢筋探测仪检测钢筋的分布位置，重点判断钻孔深度范围内是否存在钢筋。若无可直接在该处钻孔，否则需调整孔位，避免因钻孔而损伤钢筋。经过孔位测放和探测后，用冲锋钻打孔，成型后清理孔洞中的杂物，检验孔的孔位、孔径、孔深等，确认无误后将植筋胶和螺杆锚栓置入孔内进行锚固。本桥梁采用BXM-20绞式锚具，以便灵活调整碳纤维板的受力情况，避免碳纤维板的张拉力局部过于集中。钢筋螺杆固化且强度达标后，在锚固块、锚栓表面涂抹防锈漆，向锚固块涂抹黏结胶，将其稳定黏结在板梁底部位置，检测安装位置，确认无误后设置螺母进行固定。对称布置楔块，位置安排在距两端桥台0.5m的板铰缝处，对接钢楔块较小的截面端，使两者紧密结合，再楔入铰缝空隙，而后向四周缝隙处均匀涂抹快封胶，起到密封的作用。

4.5 修补裂缝

在了解箱梁底板和腹板开裂病害的特征后，研究裂缝的修补方案。考虑到后期运营荷载持续增加，对桥梁结构的可靠性提出更高的要求，因此提高裂缝的修补标准，按照A类预应力构件控制，最终确定如下修补方案：1)缝宽<0.15mm的裂缝，清理缝内杂物，用树脂封闭胶封闭；缝宽≥0.15mm的裂缝，采用灌缝处理方法，材料可选择专用环氧树脂浆液或灌注胶；2)桥梁过往车辆的荷载较大，且车流量大，在裂缝修补工作中高度重视底板跨中横向开裂区段的处理，通过加固措施来强化该部位的预应力碳板，降低裂缝的发生率，防止既有裂缝的持续扩展，预应力碳维板加固施工方法属于体外预应力加固法，是借鉴了预应力钢筋混凝土的概念提出的加固方法，它发挥了碳纤维材料自重轻、强度高、耐腐蚀等特点，又具有施工操作简单、施工速度快、质量容易保证、效果美观、耐性好和后期护费用少等优点。中跨底横向裂缝较多，此部位的加固采用38块型号为CFP 3.0～50的碳板，两个边跨底板均采用20块同型号的碳板加固，张拉控制应力为1 008～1 277MPa。

4.6 混凝土表面处理

预应力碳纤维板的粘贴范围为板底锚固块中心点连线左右相距3.0cm的范围。粘贴前，需要将此部位清理干净，处理好孔洞、凹凸、腐蚀等问题，再向处理好的部位粘贴预应力碳纤维板，使其保持平整和稳定。以预应力碳纤维板的布设位置为准，确定卡板、植筋的布设位置。经过探测后确定钢筋的分布位置，对比分析钢筋与钻孔的位置关系，经过协调后使钻孔位置避开钢筋，打孔采用与钢筋直径一致的钻头进行，钻孔后检验孔位、孔径、孔深等指标，保证无误。植筋完成后，用高强螺栓上紧卡板[4]。

4.7 碳纤维板的下料和粘贴

为提供良好的现场施工环境，理论上应在桥梁加固期间采取交通封闭措施，避免因过往车辆的干扰而导致现场施工活动难以正常进行，但从实际情况来看，由于现场交通量较大，难以完全封闭交通，因此需要通过限速的方式减小车辆对桥梁加固的影响，车辆行驶速度需在20km/h以内，且车辆均要平稳行驶，不可忽然提速、急刹车。根据锚固块的位置确定碳纤维板的下料长度，先确定尺寸，再用剪刀裁剪出合适尺寸的碳纤维板，揭掉两头防护薄膜，用丙酮溶液擦拭板材两面直至保持干净，再将处理好的碳纤维板粘贴至指定的位置。在粘贴碳纤维板时，采用到HM-E8碳纤维配套黏结胶(A剂、B剂按照3∶1的比例配制而成)。拌制时，向容器中掺加A剂、B剂后，顺时针搅拌3～5min，使黏结胶具有均匀性。一次制备量约为4～8kg，根据随拌随用的原则，在拌制后的2～3h内使用完毕，否则黏结胶的黏结性能下降，影响碳纤维板黏结稳定性。向预应力碳纤维板涂抹黏结胶，平稳地放入锚具内，控制好放置的位置和深度，拧紧夹板，使碳纤维板维持稳定[5]。

4.8 碳纤维板的张拉

稳定夹持碳纤维板，将其布置在锚固段，用连接螺栓固定。通过套筒连接张拉螺杆和连接螺杆，将反力钢板安装在张拉螺杆的末端并控制好其与锚固块的距离，具体以千斤顶位置准确且不掉落为基本要求做灵活的控制。张拉采用的是千斤顶油泵，张拉力为2 500MPa，张拉期间及时监测和控制张拉力，张拉结束后拧紧锚固螺母，使碳纤维板保持稳定，并揭掉表面的防护膜，在保证表面干净的前提下，均匀涂抹黏结胶，用卡板将碳纤维板连接至结构表面，对于无需使用的张拉设备和反力设备，应及时进行拆除、维护等收尾工作，最终结束碳纤维板的粘贴和张拉作业。

5 桥梁加固前后的力学性能对比

根据本桥梁加固施工情况，采用18片预应力碳纤维板对50m跨连续箱梁梁底及腹板进行加固，单片板的厚度为1.4mm、宽度为10cm，单片张拉力为140kN，18片碳纤维板共计2 520kN。为检验预应力碳纤维板在本桥梁加固中的应用效果，采用桥梁博士Dr.Bridge 3.2程序计算加固箱梁的力学参数，并根据计算结果进行分析。具体如下。

(1)箱梁预应力碳纤维板加固前的计算结果，如图1、图2所示。

图1 承载能力抗弯强度(kN·m)

图2 正常使用极限状态效应包络图(MPa)

(2)箱梁预应力碳纤维板加固后的计算结果，如图3、图4所示。

图3 承载能力抗弯强度(kN·m)

图4 正常使用极限状态效应包络图(MPa)

通过对图1～图4计算结果的对比分析可知，箱梁的承载能力抗弯强度和极限状态应力均由于预应力碳纤维板加固施工而显著提升。以箱梁各部位的抗力值为例，箱梁关键力学参数，如表1、表2所示。

表1 承载能力验算结果

表2 正常使用极限状态应力验算结果

根据表1、表2可知，采用预应力碳纤维板加固桥梁箱梁后，边跨箱梁跨中和次边跨箱梁跨中的抗力值、正常使用应力值均比加固前更高，表明粘贴预应力碳纤维板后能够有效提升箱梁的综合性能，取得良好的加固效果。

6 结语

综上所述，预应力碳纤维板加固技术是桥梁加固中的常用技术，依靠碳纤维板的性能优势，提高结构的强度，有效加固桥梁。在本文中，结合桥梁工程实例分析了预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用要点，并计算力学性能指标，对比分析各指标在预应力碳纤维板加固前后的变化，结果表明被加固箱梁的承载力显著提升，能够解决原本桥梁结构稳定性差、难以承受重载等问题，工程采用的预应力碳纤维板加固技术具有可行性，有推广价值。