預應力碳纖維板結(jié)合體外預應力加固工程應用分析

黃鎮(zhèn)林磊洪德紅

(武漢二航路橋特種工程有限責任公司武漢430000)

摘要在役的許多舊橋由于設計標準、施工水平較低等因素的影響，已不能滿足交通量迅猛增長的要求，因此迫切需要對這類舊橋進行加固維修，其中單箱多室的寬箱梁橋橫向受力情況復雜，橫橋向的變形和應力分布在翼緣板處和中心線處的差異大，單一而普通的加固對該類橋梁效果不明顯，采用腹板增設體外預應力，箱梁底板增加預應力碳纖維板的方法對該類橋梁進行加固，不僅能夠提高橋梁剛度和承載力，還能夠起到阻止裂縫發(fā)生及進一步發(fā)展的作用。文中以某一高速公路橋梁加固為例，淺談外部張拉預應力碳纖維板結(jié)合體外預應力加固寬箱多室橋梁結(jié)構(gòu)的工程應用分析。

關(guān)鍵詞單箱多室寬箱梁體外預應力預應力碳纖維板橋梁維修加固

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.020

收稿日期：2015-02-17

近年來， 在役的許多舊橋由于設計標準、施工水平較低等因素的影響，已不能滿足交通量迅猛增長的要求，因此迫切需要進行加固維修。其中由于單箱多室的寬箱梁橋橫向受力情況復雜，橫橋向的變形和應力分布在翼緣板處和中心線處的差異大，對這種橋梁的加固也比較難以找到合適而有效的辦法。本文通過對外部張拉預應力碳纖維板結(jié)合體外預應力加固該類橋梁的工程應用分析，探討該類橋梁加固的有效辦法。

1工程概況

本次對滬蓉高速云萬段高粱互通式立交主線橋左幅第12跨采用體外預應力結(jié)合預應力碳纖維板進行加固，并對加固實施過程中的位移和應力進行監(jiān)測，分析體外預應力的預應力效果和新增補強材料能否有效地與原結(jié)構(gòu)共同參與工作、提高結(jié)構(gòu)剛度。監(jiān)控過程中主要通過關(guān)鍵位置撓度、應力響應來反映加固措施對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及剛度的改變情況。

OperationMethodoftheTool-typedRecyclingDoubleWallSteelCofferdam

inWate-pierReinforcementEngineeringintheSpringTideofPoorWater

Liu Ang, Wu Zhongxin, Zhu Cixiang

(WuhanSecondNavigationalRoadandBridgeSpecialEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430071)

Abstract：In this paper, in the engineering background of detection and reinforcement project of the No.14～18 Pier of a bridge, the construction method of the Tool-Typed Double Wall Steel Cofferdam in the bridge of low clearance flyovers which is removable and recyclable in the spring tide of poor water is introduced. In the method, the factors, the spring tide of poor water, low clearance flyovers, and details of design and fabrication of the steel cofferdams are considered. An application example shows that the method can reduce construction time, cost, energy conservation and environmental protection..

Keywords:thedoublewallsteelcofferdam;tool-typed;removable;inthespringtideofpoorwater;waterpierreinforcement;lowclearanceflyovers;recycling

高粱互通立交主線橋左幅為寬箱多室連續(xù)梁橋，左幅分3聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)為4×25m+4×25m+(3×25m+30m+25m)預應力混凝土連續(xù)箱梁。主梁高1.1m、寬12.4m，需加固的第12跨是30m，橋?qū)?2.25m，橋高1.4m，為單箱3室。

2加固施工

依據(jù)設計原理，加固內(nèi)容分2步進行：第一步腹板增設2束12-Φ15.2的體外預應力成品索；第二步箱梁底板增設24條寬100mm、厚1.2mm的預應力碳纖維板，加固后橋橫截面見圖1。

圖1　加固后橋橫截面圖(單位： cm)

2.1　體外預應力成品索加固腹板

腹板增設體外預應力成品索加固工藝如下。

(1) 搭設施工支架。

(2) 混凝土面鑿毛及開鑿剪力槽。

(3) 鉆孔植筋。在原橋腹板鉆孔，孔徑20mm，孔深20cm，種植鋼筋直徑為16mm。

(4) 安裝預應力管道及錨墊板安裝[1]。嚴格按照橫縱坐標控制預埋管和錨墊板的位置，要求預埋管道順暢，成品索的彎折處采用圓曲線過渡，管道必須圓順。

(5) 模板制作與安裝。

(6) 澆注C50自密實混凝土。邊澆注混凝土邊敲擊模板，保證澆注密實。

(7) 張拉預應力成品索。等到混凝土養(yǎng)護期到達15d，強度不低于45MPa時開始張拉。

2.2　預應力碳纖維板加固箱梁底板

粘貼碳纖維板加固箱梁底板主要工藝如下[2]。

(1) 混凝土表面處理。鑿除表層抹灰，對于表面不平整的部位進行打磨。

(2) 定位開槽。通過施工放線，確定預應力碳纖維板固定端及張拉端預留槽的具體位置，開槽完成后，對槽底面掏平。其錨固體系見圖2。

圖2　預應力碳纖維板錨固體系張拉示意圖

(3) 種植錨栓。在固定端和張拉端確定后，依據(jù)放線孔位鉆直徑28mm孔，種植長250mm、直徑25mm化學螺栓，錨栓種植深度180mm。

(4) 錨固體系安裝。待化學螺栓完全達到其設計強度后，在錨固端及張拉端底座上涂抹環(huán)氧膠，然后用螺帽將其錨固在化學螺栓上，并調(diào)平張拉端及錨固端底座。

(5) 底膠涂抹及碳纖維板預緊。在碳纖維板粘貼位置區(qū)域內(nèi)涂抹底膠，底膠涂抹完成后，對碳纖維板進行預緊，預緊力為控制張拉力的10%，約10kN。

(6) 涂抹碳纖維板粘結(jié)膠。涂抹時，中間厚兩邊薄，膠泥涂抹成三角形。

(7) 張拉碳纖維板。在環(huán)氧膠固化之前完成張拉，達到張拉控制應力(96kN)以后，扭緊螺母以長期保持預應力。

(8) 錨具防護處理。采用噴射水泥砂漿結(jié)合抹灰的方法，對兩端錨具進行防護。

3理論與實測監(jiān)控對比分析

3.1　材料

(1) 碳纖維板

等級：高強的I級。

聚丙烯腈基：不大于15k的小絲束纖維。

抗拉強度標準值：2 400MPa。

抗拉強度設計值：1 150MPa。

彈性模量：160GPa。

(2) 預應力鋼材

彈性模量：195GPa。

標準強度：1 860MPa。

熱膨脹系數(shù)：0.000 012。

鋼筋松弛率：0.025。

孔道摩阻系數(shù)：0.30。

錨具變形及鋼束回縮值：6mm。

3.2　計算模型

體外預應力分析計算布置見圖3，預應力碳纖維板分析計算布置見圖4。

圖3　體外預應力

圖4　預應力碳纖維板

3.3　理論分析與對比

(1) 施加體外預應力產(chǎn)生的彎矩見圖5，產(chǎn)生的理論形變與實測形變見表1，產(chǎn)生的理論應力與實測應力見表2。

圖5　體外預應力產(chǎn)生的彎矩圖

mm

由表1可見，施加體外預應力后，利用midas計算軟件所得在邊跨跨中產(chǎn)生的理論變形-1.71mm的下?lián)献冃危?0m跨產(chǎn)生2.72mm的上撓變形，在相鄰的第3跨跨中產(chǎn)生-1.49mm的下?lián)献冃?；而實際施工監(jiān)測邊跨跨中變形-1.25mm的下繞變形，30m跨中產(chǎn)生2.46mm的上饒變形，在相鄰的第3跨中產(chǎn)生-1.23mm上饒變形。

表2　理論應力增量值 　 MPa

由表2可見，施加體外預應力后，在邊跨跨中截面上緣產(chǎn)生-0.23MPa的壓應力，下緣產(chǎn)生0.35MPa的拉應力；在30m跨跨中截面上緣產(chǎn)生-0.14MPa壓應力，下緣產(chǎn)生-0.8MPa壓應力；在相鄰的第3跨跨中截面上緣產(chǎn)生-0.22MPa的壓應力，下緣產(chǎn)生0.32MPa的拉應力。

(2) 施加預應力碳纖維板產(chǎn)生的彎矩見圖6，產(chǎn)生的理論形變與實測形變見表3，產(chǎn)生的理論應力與實測應力見表4。

圖6　體外預應力和預應力碳纖維板產(chǎn)生的彎矩圖

由表3可見，施加體外預應力和張拉預應力碳纖維板后，在邊跨跨中產(chǎn)生-2.17mm的下?lián)献冃危?0m跨產(chǎn)生3.1mm的上撓變形，在相鄰的第3跨跨中產(chǎn)生-1.45mm的下?lián)献冃巍?/p>

表4　理論應力增量值 　 MPa

由表4可見，施加體外預應力和張拉預應力碳纖維板后，在邊跨跨中截面上緣產(chǎn)生-0.4MPa的壓應力，下緣產(chǎn)生0.58MPa的拉應力；在30m跨跨中截面上緣產(chǎn)生-0.18MPa的壓應力，下緣產(chǎn)生-1.29MPa的壓應力；在相鄰的第3跨跨中截面上緣產(chǎn)生-0.38MPa的壓應力，下緣產(chǎn)生0.47MPa的拉應力。

4結(jié)語

(1) 在體外預應力和預應力碳纖維板的共同作用下，橋梁產(chǎn)生3.1mm的上撓變形，在梁底產(chǎn)生一個1.29MPa的預壓應力，不僅提高了橋梁承載力，而且大大提高了橋梁剛度。

(2) 體外預應力和預應力碳纖維板均屬于主動加固方法，預應力產(chǎn)生的反向彎矩，可抵消一部分初始荷載的影響,提高使用階段的承載力，使構(gòu)件中原有裂縫寬度減小甚至閉合，并限制新裂縫的出現(xiàn)，從而提高ASG構(gòu)件的剛度，減小原構(gòu)件的撓度,改善使用階段的性能[3]。

(3) 碳纖維的變形=初始變形+荷載引起的變形，而對應這兩部分變形的膠粘劑剪切變形又分別分布于構(gòu)件的兩端和跨中區(qū)域，使得膠粘劑的剪切變形分布更為均勻，可有效避免粘結(jié)破壞，充分發(fā)揮高強碳纖維板耐腐蝕、重量輕(容重只有鋼材的1/5～1/4)、強度高(強度高于高強鋼絲或與之相當)等優(yōu)點。

(4) 預應力碳纖維板錨固體系是一種先進的混凝土加固技術(shù)，施加預應力使CFRP高強特性得到提前發(fā)揮，在二次受力之前就有較大的應變，從而有效減小CFRP片材應變滯后的現(xiàn)象，達到更好的加固效果，使橋梁在后期破壞時更具有延性，充分彌補了體外預應力的不足[4]。

參考文獻

[1]張媛.后張預應力小箱梁預制施工工藝研究[J].交通標準化，2012(5)：108-110.

[2]肖慧堅.預應力碳板加固混凝土結(jié)構(gòu)工程應用研究[J].四川建材，2013(3):36-37.

[3]何賢鋒，彭暉，羅杰.外部粘貼預應力碳纖維板技術(shù)加固橋梁結(jié)構(gòu)的工程應用與評估[J].中國鐵道科學，2007(2)：71-73.

[4]尚守平，彭暉，曾令宏.預應力碳纖維板布材料加固混凝土梁受彎性能非線性分析[J].工程力學，2006,23(11)85-90,98.