彭春勝

（衡水公路工程總公司,河北 衡水 053000）

道橋加固過(guò)程中預(yù)應(yīng)力碳玻混雜纖維布應(yīng)用的實(shí)證分析

彭春勝

（衡水公路工程總公司,河北 衡水 053000）

碳?；祀s纖維布（CarbonFiberReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱CFRP）屬于新型復(fù)合纖維建筑材料，其具韌性好、重量輕、耐腐蝕、抗拉伸，而且絕緣性良好。碳?；祀s纖維布作為鋼筋的（新型）替代材料，被廣泛應(yīng)用于橋梁加固過(guò)程中。論文以A市的一段嚴(yán)重受損橋梁為例，在對(duì)橋梁受損情況進(jìn)行調(diào)查和機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，分析碳?；祀s纖維布在道橋加固過(guò)程中的應(yīng)用。

預(yù)應(yīng)力；混雜纖維布；橋梁加固

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.044

1 引言

高強(qiáng)度纖維材料又稱為碳化纖維，是由碳纖維編織而形成的一種多層的復(fù)合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱CFRP布）。它的韌性好、重量輕、耐腐蝕、抗拉伸，而且絕緣性良好，被廣泛應(yīng)用于道橋加固過(guò)程中。嵌入式張拉技術(shù)在實(shí)踐過(guò)程中暴露出一定不足，主要表現(xiàn)為延展性差，使得加固構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞[1，2]。高強(qiáng)度纖維材料針是對(duì)嵌入式預(yù)應(yīng)力技術(shù)的問(wèn)題而開(kāi)發(fā)出的（新型）加固材料，其具有高強(qiáng)度、良延展性的優(yōu)點(diǎn)，本文主要闡述高強(qiáng)度纖維材料在橋梁加固過(guò)程中的應(yīng)用。

2 橋梁概況

A市受損公路橋?yàn)?跨簡(jiǎn)支板橋，始建于2001年5月，跨徑距離為：3×10m，橋面寬17m。道橋上部采用（鋼筋）混凝土空心板，并采用（TCY）球冠支座，道橋下半部采用（重力）墩臺(tái)。修復(fù)橋梁整體由3片空心板（橫向）構(gòu)成，空心板參數(shù)：板厚450cm、中板寬124cm、邊板寬162cm。（預(yù)制）空心板、道橋橋面進(jìn)行混凝土灌注（C30號(hào)），臺(tái)帽、基礎(chǔ)進(jìn)行混凝土灌注（C25號(hào)）；墩身、底座進(jìn)行混凝土灌注（C20號(hào)）。修復(fù)道橋使用的混凝土符合我國(guó)出臺(tái)的《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（1992年版）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2002版）。另外，道橋橋面進(jìn)行混凝土（C30）灌注，灌注位置為鋪裝層，灌注厚度為10cm。

橋面整體布置：護(hù)欄為0.5m；行車道為16m；護(hù)欄為0.5m。

橋面整體荷載：汽車（－20級(jí)），掛車（－100級(jí)）。

3 橋梁損失調(diào)查

在使用過(guò)程中，損失橋梁出現(xiàn)橋面損壞、空心板開(kāi)裂，以及結(jié)構(gòu)老化等問(wèn)題，使用單位向檢測(cè)部門提出檢測(cè)申請(qǐng)。調(diào)查結(jié)果顯示：雖然橋梁自身承載力符合設(shè)計(jì)要求，但橋面存在明顯損傷[3，4]，主要表現(xiàn)為：沿板出現(xiàn)橫紋（跨方向）和裂縫（0.1mm），裂縫出現(xiàn)橫貫整個(gè)板寬，板間出現(xiàn)部分鉸縫脫落。調(diào)查過(guò)程符合《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CB50192—92），調(diào)查結(jié)果客觀、準(zhǔn)確。

橋梁損傷機(jī)理調(diào)查結(jié)果如下：

1）超載車輛多。依據(jù)橋梁損失情況，以及實(shí)際觀測(cè)車流量數(shù)可知，橋梁處于嚴(yán)重超負(fù)荷工作狀態(tài)，超載車輛過(guò)多，疲勞負(fù)荷，使得橋梁底板出現(xiàn)細(xì)小直裂紋。

2）使用環(huán)境差。損失橋梁處于沿海城市，橋下河水帶有明顯咸水特征，鹽水成分含量高。河水中的氯離子，氧離子會(huì)侵蝕鋼筋，加大混凝土縫隙。

3）通過(guò)橋梁服役期的了解，橋梁最近受損比較嚴(yán)重，而且呈現(xiàn)明顯加劇的趨勢(shì)。

4）超載、超流量、疲勞服役和惡劣環(huán)境的綜合影響，加速了橋梁的開(kāi)裂、腐蝕，降低了橋梁的強(qiáng)度、縮短了使用周期[5]。

通過(guò)對(duì)橋梁檢測(cè)結(jié)果的分析，相關(guān)部門建議雖然橋梁承載力滿足設(shè)計(jì)需求，但橋梁存在嚴(yán)重超負(fù)荷工作，需要對(duì)橋梁進(jìn)行加固，滿足實(shí)際使用。

4 橋梁加固過(guò)程

4.1 加固目標(biāo)

道橋加固主要注意以下幾點(diǎn)：

1）修補(bǔ)、封閉原有縫隙，對(duì)開(kāi)裂混凝土進(jìn)行黏合，防止河水對(duì)混凝土鋼筋造成進(jìn)一步侵蝕，保證鋼筋結(jié)構(gòu)的耐久性。

2）提高橋梁的承載力。

3）恢復(fù)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過(guò)裂縫粘合，提高橋梁的高度，恢復(fù)橋梁的剛度，發(fā)揮橋梁的正常功能。

4.2 碳化纖維修復(fù)機(jī)理

高強(qiáng)度纖維材料主要是將被加固結(jié)構(gòu)作為臺(tái)座，利用螺旋桿、鋼板將高強(qiáng)度纖維材料布固定在加固結(jié)構(gòu)兩端。其中，螺旋桿采用螺旋纖維束的方法進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)混凝土與鋼筋之間的黏性，如圖1所示。

圖1 碳化纖維錨固示意圖

高強(qiáng)度纖維材料實(shí)施預(yù)應(yīng)力加固后，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)膠會(huì)浸入纖維布內(nèi)，實(shí)現(xiàn)纖維布與固件之間的自然貼合，如圖2所示。

圖2 碳化纖維張拉后示意圖

橋梁錨固過(guò)程歸納為：“錨固”→“張拉”→“錨固”→“拆除”等程序。

4.3 橋梁加固步驟

高強(qiáng)度纖維材料對(duì)損失橋梁的加固，需要相應(yīng)的修補(bǔ)措施進(jìn)行配合。這樣可以發(fā)揮主動(dòng)加固、粘住縫隙、提高承載、保護(hù)鋼筋的作用，實(shí)現(xiàn)橋梁加固目標(biāo)。具體實(shí)施方案如下：

1）侵蝕混凝土處理。清除橋梁侵蝕混凝土→Na（OH）進(jìn)行表面清洗→環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，重復(fù)上述步驟進(jìn)行道橋加固。

2）裂縫處理。損傷道橋底板位置的縫隙需要采用Na（OH）沖洗，假設(shè)修復(fù)縫隙大于0.2mm就要進(jìn)行封閉，封閉材料未（改性）環(huán)氧樹(shù)脂膠。假設(shè)修改縫隙小于0.2mm，僅需填充，填充材料為（改性）環(huán)氧樹(shù)脂膠封閉處理

3）空心板加固。高強(qiáng)度纖維材料可以對(duì)組件進(jìn)行加固，恢復(fù)組件的剛度，通過(guò)組件的承載能力，延長(zhǎng)組件的使用壽命，修復(fù)碳化纖維布（質(zhì)量：300g），如圖3所示。

圖3 碳化纖維底板安裝示意圖

4）固定板安裝完畢后，在底板位置進(jìn)行15mm厚M15抗裂水泥砂漿填充，形成砂漿保護(hù)層。

4.4 橋梁空心板的加固設(shè)計(jì)

1）參數(shù)設(shè)計(jì)

空心橋梁支承條件可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，形成計(jì)算簡(jiǎn)圖，可以將其簡(jiǎn)化為圖4所示。

圖4 碳化纖維布修復(fù)的截面幾何示意圖

由圖4可知，截面面積S=3.338×105mm2；抗彎慣性矩d=8.42×109mm2，其中，橋梁采用混凝土C30，抗壓強(qiáng)度P＝14.3MPa，彈性量膜M＝3.0×104MPa.

2）高強(qiáng)度纖維材料張拉控制力的確定。高強(qiáng)度纖維材料要注意以下幾點(diǎn)[6]：

（1）計(jì)算預(yù)應(yīng)力的損失情況。高強(qiáng)度纖維材料張拉控制力適中，才能發(fā)揮材料自身的優(yōu)點(diǎn)，提高受損橋梁的抗裂程度。

（2）高強(qiáng)度纖維材料不宜過(guò)高，否則就會(huì)增加橋梁混凝土的承載力，使其進(jìn)一步侵蝕，增強(qiáng)橋梁脆弱性。碳纖維材料韌性非常優(yōu)良，不僅可以提供相應(yīng)張、拉力，而且可以拓展混凝土的外延性。

（3）在高強(qiáng)度纖維材料張拉過(guò)程中，采用嵌入式張拉技術(shù)，讓張拉夾具不斷受到擠壓。在預(yù)應(yīng)力控制過(guò)程中，過(guò)高的張拉力造成纖維布損壞，其具體定值為：

σpcon=0.30ftp=850MPa

3）橋梁加固計(jì)算

碳纖維材料分別在道橋底部進(jìn)行嵌入式加固，可以提供800MPa的預(yù)應(yīng)力，而且底部加固可以最大程度地防止預(yù)應(yīng)力損失。800MPa預(yù)應(yīng)力可以讓已變形構(gòu)建，恢復(fù)原有剛度。

碳玻纖維材料為已變形構(gòu)建，提供一定的彎矩力，力臂約為400mm，符合道橋修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的要求；高強(qiáng)度纖維材料截面面積

S=0.162×150×2×4=198.2mm2，高強(qiáng)度纖維材料強(qiáng)度P=2000MPa

恢復(fù)彎矩d=198.2×800×400=63.12kN·m

端部錨固設(shè)計(jì)：高強(qiáng)度纖維材料控制力F=850MPa，采用雙層纖維布加固，并進(jìn)行計(jì)算，錨固鋼板長(zhǎng)度l=230mm，寬度k=100mm。高強(qiáng)度纖維材料布總面積 S=0.162×150× 2=50.09mm2，錨固力T=50.09×850=41.6kN。

碳纖維材料4個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行錨固，錨固材料為2根（M14A）螺栓，該螺栓可以為道橋修復(fù)提供F=190MPa的錨固力，并深入修復(fù)位置90mm以下。上述參數(shù)可以讓修復(fù)位置承擔(dān)更大的剪承載力，約為58.5kN。

4.4 橋梁加固施工

碳纖維材料對(duì)損傷道橋進(jìn)行嵌入式加固，加固順序?yàn)橛傻紫蛏?。這樣不僅可以對(duì)道橋進(jìn)行加固，而且不能影響道橋上的車輛通行。下面進(jìn)行詳細(xì)闡述：

1）M14A螺栓的定位與安裝。在橋梁底部的空心板位置，進(jìn)行螺栓打孔設(shè)計(jì)，并按照施工圖紙進(jìn)行螺栓安裝。

2）纖維布的安裝。首先，在螺栓錨固位置進(jìn)行環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠涂抹，并保證每一個(gè)縫隙都進(jìn)行涂抹。同時(shí)，在錨固鋼板上按照混雜纖維布，并保持纖維布的緊繃、平滑。

3）預(yù)應(yīng)力的張拉。在高強(qiáng)度纖維材料、底板表面進(jìn)行環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠涂抹，并在錨固位置安裝張拉夾具，使其處于高強(qiáng)度纖維材料和板底之間[7]，然后進(jìn)行固定螺栓的緊固，完成碳纖維布對(duì)道橋的加固。在高強(qiáng)度纖維材料安裝時(shí)，需要進(jìn)行手持式的測(cè)量方法，反復(fù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的松、緊，使得高強(qiáng)度纖維材料與混凝土表面更加緊密的貼合。

4）錨固鋼板的安裝。高強(qiáng)度纖維材料預(yù)應(yīng)力張、拉完成以后，需要對(duì)鋼板進(jìn)行錨固，實(shí)現(xiàn)空心板之間的配合力的提高，防止出現(xiàn)纖維布與空心板的分離。錨固鋼板處于橋梁橫向表面凹陷處，或者每隔2.5m處。在鋼板錨固前，需要在空心板表面進(jìn)行灰塵涂抹，并撒上細(xì)小綠豆砂，增加表面摩擦力。

5）錨固鋼板移除。環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠固化以后，可以進(jìn)行錨固鋼板的移除，并涂抹外墻保護(hù)層。這時(shí)高強(qiáng)度纖維材料與空心板之間混凝土已經(jīng)完全粘合。錨固鋼板和張拉夾具移除以后，可以進(jìn)行回收利用。

6）加固效果評(píng)估。損傷道橋在進(jìn)行碳化纖維修復(fù)過(guò)程中，車輛通行正常，未影響道橋的使用。加固施工完成后，權(quán)威部門進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)，結(jié)果顯示：損傷道橋的微小縫隙、宏觀縫隙封閉完好，受損構(gòu)件形態(tài)恢復(fù)明顯。同一級(jí)別荷載下，混凝土拉應(yīng)力比加固前顯著降低，橋梁使用功能得到恢復(fù)，加固效果比較理想。

5 結(jié)語(yǔ)

碳?；祀s纖維布彌補(bǔ)了嵌入式方法延展性差的不足，具有質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)單、不增加負(fù)荷，以及不影響使用的優(yōu)點(diǎn)。碳?；祀s纖維布在保證橋梁延展性的前提下，增強(qiáng)受損橋梁的承載力，提高構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度。本文以A市受損橋梁為例，深入分析橋梁的受損情況，并進(jìn)行施工方法的介紹。研究結(jié)果顯示：損傷道橋的微小縫隙、宏觀縫隙封閉完好，受損構(gòu)件形態(tài)恢復(fù)明顯。同一級(jí)別荷載下，混凝土拉應(yīng)力比加固前顯著降低，橋梁使用功能得到恢復(fù)，加固效果比較理想，充分說(shuō)明碳?；祀s纖維布在中、小跨徑橋梁加固中具有廣闊的發(fā)展前景。因此，碳玻混雜纖維布預(yù)應(yīng)力技術(shù)，不僅可以方便受損橋梁的修補(bǔ)，而且可以為高強(qiáng)纖維材料的應(yīng)用提供參考。

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The Case Analysis of CFRP Applied in the Bridge Reinforcement Process

PENG Chun-sheng
（Hengshui HighwayEngineeringCompany,Hengshui 053000，China）

Fiber Reinforced Polymer Carbon is a fiber composite material,which has the advantages of high strength,light weight, corrosionresistance,pressureresistance,andinsulation.Asanewtypeofreinforcingsteelbar,thecarbonfiberreinforcedhybridfiberclothis widelyusedintheprocessofbridgestrengthening.Inthispaper,toacityofaseverelydamagedbridgeasanexample,inthebridgedamageis the basis of investigation and mechanism analysis of that targeted for pre-stressed glass carbon hybrid fiber reinforcement,obtain ideal reinforcementeffect.

prestress;hybridfibercloth;bridgereinforcement

U445.7+2

A

1007-9467（2016）06-0157-03

2016-01-21

彭春勝（1974～），男，河北景縣人，工程師，從事施工機(jī)械和管理研究，（電子信箱）goodzhouchao@126.com。