陳　亮，張軍雷，蘇佳樂

（1.東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088；2.中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061）

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預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固工程中的應(yīng)用

陳亮1，張軍雷2，蘇佳樂2

（1.東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088；2.中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061）

摘要：文章以某受損橋梁為例，對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁構(gòu)件的設(shè)計思路、施工工藝進行探討，并對加固過程進施工監(jiān)測，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力碳纖維板能夠有效地改善粱體的受力性能，加固效果顯著，可在橋梁加固工程中推廣采用。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；預(yù)應(yīng)力碳纖維板；加固；施工工藝

目前在橋梁加固領(lǐng)域常用的碳纖維板材粘貼工藝屬于被動加固，碳纖維板材自身不施加預(yù)應(yīng)力。由于碳纖維板材與鋼筋的彈性模量相當，而其抗拉強度高達鋼筋的10倍，導(dǎo)致其抗拉貢獻極其有限，一般強度發(fā)揮不足20%。另一方面，非預(yù)應(yīng)力碳纖維板材在較低應(yīng)力水平時會與混凝土產(chǎn)生剝離，導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)提前破壞，從而降低了加固作用。在這種情況下，預(yù)應(yīng)力碳纖維板應(yīng)運而生。該技術(shù)綜合體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)與粘貼碳纖維板加固技術(shù)，對涂覆有專用膠黏劑的預(yù)應(yīng)力碳纖維板進行張拉，并粘貼與錨固至梁體上。與直接粘貼碳纖維加固相比，一方面預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系的應(yīng)變滯后程度得以改善，可充分發(fā)揮碳纖維板的高強特性；另一方面，可平衡原結(jié)構(gòu)一部分恒載，有效增加結(jié)構(gòu)剛度，減少構(gòu)件撓度，很大程度上延緩裂縫開展及減少裂縫寬度，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，明顯改善加固梁體的使用性能［1-3］。

1　工程概況

某橋梁為公路工程組成部分，建于2006年，為5×35 m雙幅分離式連續(xù)梁橋，單幅橋面布置為0.5 m（護欄）+11.0 m（機動車道）+0.5 m（護欄）。2012-05，橋下發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)影響范圍為小里程側(cè)邊跨與次邊跨，邊跨梁端16 m范圍受損嚴重，其余范圍主要受到燃燒物煙熏。

經(jīng)檢測評估，大橋左幅端跨箱梁在火災(zāi)高溫作用下，箱梁底板、腹板及翼板混凝土發(fā)生不同程度的剝落，材料力學(xué)性能惡化，綜合評定其受損程度為二級（中度損傷），從結(jié)構(gòu)受力安全角度考慮須及時采取措施進行修復(fù)加固。

2　加固設(shè)計

2.1加固方案

（1）箱梁剝落：對剝落混凝土采用逐層找平和灌注相結(jié)合的方法進行修復(fù)，同時對受損鋼筋進行修整與置換，并粘貼鋼板補強，兼作修復(fù)模板。

（2）縱向受力：對受損嚴重的左幅箱梁，采用增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力的主動加固方法進行補充與恢復(fù)結(jié)構(gòu)因火損而損失的抗力；對受損較輕的右幅箱梁，采用粘貼碳纖維布的方法進行補強，并兼顧耐久性。

（3） 橫向受力：針對翼板下橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋外露、灼燒、未灌漿等嚴重病害，采用增設(shè)翼板鋼結(jié)構(gòu)支撐的方法，承擔翼板上的活載，改善大懸臂翼板的受力狀態(tài)。

（4）受損支座：橋臺處箱梁支座本已嚴重銹蝕，又在本次火災(zāi)中受到損傷，導(dǎo)至四氟滑板周邊卷曲變形、滑動面不銹鋼板表面粗糙，不能正常滑動。需采用頂升更換的方法，以保證支座的正常工作狀態(tài)，適應(yīng)箱梁伸縮的需求。

（5）整體外觀：兩跨范圍箱梁外表面大部分受到煙熏變黑，應(yīng)進行清潔處理；同時考慮到箱梁外表面鋼筋凈保護層設(shè)計厚度為3 cm，部分區(qū)域?qū)崪y厚度小于設(shè)計值，且本橋跨越大海，易受到腐蝕，故須對箱梁外表進行阻銹及涂裝防護。

2.2加固檢算

考慮結(jié)構(gòu)修復(fù)加固后，箱梁局部剛度恢復(fù)至95%（實際剛度基本恢復(fù)），計入主梁在施工時超方5%（實測底板厚度30 cm、設(shè)計24 cm），并計入修復(fù)加固措施所增加恒載，以及邊跨增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板后結(jié)構(gòu)抗力的提高。按照以上假定及增加的修復(fù)加固措施進行模擬計算分析。同時考慮到底板、腹板預(yù)應(yīng)力鋼筋可能受到的火災(zāi)影響，按以下3種受損狀況進行分析：

（1）非常規(guī)預(yù)應(yīng)力損失20%。該狀況下采取修復(fù)加固措施后，箱梁結(jié)構(gòu)承載能力完全滿足設(shè)計規(guī)范要求；按照設(shè)計荷載活載計算，箱梁上下緣均不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，主壓應(yīng)力、法向壓應(yīng)力均滿足要求，若考慮粘貼鋼板及支撐架參與受力，主拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

（2）非常規(guī)預(yù)應(yīng)力損失30%。依據(jù)現(xiàn)場檢測評估結(jié)論，非常規(guī)預(yù)應(yīng)力損失不可能超過20%。在假設(shè)非常規(guī)預(yù)應(yīng)力損失30%的情況下，采取修復(fù)加固措施后，箱梁結(jié)構(gòu)承載能力仍滿足設(shè)計規(guī)范要求；按照設(shè)計荷載活載計算，箱梁上下緣均不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，主壓應(yīng)力、法向壓應(yīng)力均滿足要求，只有主拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。

（3） 非常規(guī)預(yù)應(yīng)力損失0%（假定預(yù)應(yīng)力無損傷）。該狀況下采取修復(fù)加固措施后，箱梁結(jié)構(gòu)承載能力完全滿足設(shè)計規(guī)范要求；按照設(shè)計荷載活載計算，箱梁上下緣均不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力也不會超限，主壓應(yīng)力、法向壓應(yīng)力均滿足要求，若考慮粘貼鋼板及支撐架參與受力，主拉應(yīng)力是滿足規(guī)范要求的。

（4）根據(jù)綜合計算、分析，雖然受損后結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患，但通過修復(fù)加固后，結(jié)構(gòu)能夠滿足正常使用要求。

3　加固方法與步驟

以受損嚴重的左幅箱梁底板為例，對加固方案進行詳細闡述［4］。

3.1箱梁底板混凝土剝落區(qū)域的修復(fù)與補強

左幅箱梁底板最大剝落深度約8 cm，修復(fù)材料為聚合物高性能砂漿，采用逐層修補與灌注相結(jié)合的方法，在底面粘貼鋼板，兼作修復(fù)模板與補強措施，進行結(jié)構(gòu)尺寸恢復(fù)。粘貼鋼板受力方向為縱橋向，粘貼范圍為縱橋向7.5 m（距梁端5~12.5 m），橫橋向4.6 m（中心線兩側(cè)各2.3 m）。具體方法如下：

（1）鑿除剝落區(qū)域表層劣質(zhì)混凝土和周邊區(qū)域（粘貼鋼板范圍）表層混凝土。

（2）鑿除范圍涂刷阻銹劑，對外露鋼筋進行除銹與整合、置換處治，植入粘貼鋼板錨固用螺桿，在底板鉆注漿出入孔。

（3）涂刷界面劑，對剝落區(qū)域外露鋼筋網(wǎng)以下的范圍進行逐層修補。

（4）在鋼板上放樣鉆孔，在鋼板粘貼面涂刷粘鋼膠（植砂粒）后安裝就位，周邊粘貼鋼板，中間部位形成空腔，須保證鋼板周邊及對接縫密實、不漏氣。

（5）在箱內(nèi)低端注漿孔注入砂漿，待空腔中部及高端周邊的出漿孔均流出均勻的砂漿后，逐個封閉孔口，確保注漿飽滿與密實。

（6）養(yǎng)護并進行鋼板表面防護。

3.2箱梁底板增設(shè)預(yù)應(yīng)力碳纖維板

因左幅箱梁火損較嚴重，在底板混凝土剝落等缺陷修復(fù)后，須在箱梁底板增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力進行結(jié)構(gòu)總體縱向受力的補強與加固，以補充火損后結(jié)構(gòu)本身受損而喪失的效應(yīng)，并承擔因修復(fù)、補強、加固等措施而增加的恒載作用。

梁底共增設(shè)18條50 mm×3.0 mm的預(yù)應(yīng)力碳纖維板，其標準抗拉強度為2 800 MPa，彈性模量為1.6×105MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為1 400 MPa?？v橋向受力長度為29 m，張拉、錨固點均錯開布置，每個橫斷面布置6個，間距1 m或0.5 m；橫橋向間距不等，最小間距15 cm（見圖1），以避開體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束。

具體粘結(jié)方法與步驟如下：

（1）對底板進行全面打磨處理以完全去除火災(zāi)煙熏痕跡，詳細檢查有無開裂等病害，并進行相應(yīng)處理、涂刷阻銹劑。

圖1　左幅箱梁梁底碳纖維板布置示意圖（單位：mm）

（2）探明原有預(yù)應(yīng)力筋與普通鋼筋位置，以便于確定碳纖維板錨固塊的安裝位置，標注安裝位置中心線，通過施工放樣進行鉆孔，清孔后注膠植入錨栓。

（3）待植筋膠達到設(shè)計強度后，安裝張拉端與固定端錨固塊，碳纖維板現(xiàn)場下料，兩端用專用錨頭夾持，安裝碳纖維板于錨固塊上。

（4）在鄰跨進行壓重，本跨達到卸載狀態(tài)下，進行預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉、錨固。

將3輛滿載砂石料的載重車停放于鄰跨跨中中間車道指定位置進行壓重，本次壓重共150 t。

碳纖維板分3批進行張拉，每次張拉6根，橫橋向?qū)ΨQ張拉，以張拉應(yīng)力控制為主，張拉伸長量作為校核。張拉時先將碳纖維板分級張拉至1 390 MPa，然后使用千斤頂將碳纖維板頂升至貼緊梁底，兩端用頂壓板定位。頂升前，在碳纖維板與梁體接觸面涂環(huán)氧膠，頂升密貼后實現(xiàn)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，且張拉控制應(yīng)力達到設(shè)計值1 400 MPa。

（5）張拉、錨固完成后，卸除鄰跨橋面壓重，對錨固件、錨具及碳纖維板進行防護。為增加預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系的耐久性并防止遭受人為破壞，采取植筋、增設(shè)鋼筋、灌注高性能砂漿的方式對張拉端及錨固端原外露的鋼構(gòu)件進行永久性防護。

4　加固實施過程監(jiān)測

4.1計算模型

采用橋梁通用有限元軟件MIDAS建立橋梁施工監(jiān)測計算模型（見圖2），對左幅箱梁底板張拉碳纖維板施工過程進行模擬，計算工況分為：橋面鄰跨壓重完成后、碳纖維板分批張拉、壓重卸載之后。

圖2　MIDAS縱向計算模型

4.2施工監(jiān)測

針對混凝土箱梁的受力特點，重點監(jiān)測碳板張拉跨（邊跨）跨中及壓重跨（鄰跨）跨中下緣的應(yīng)力與位移等。以下僅就位移監(jiān)測進行詳細闡述。

采用拉線式位移計測試主梁高程及變化，在橋面壓重之前，對各拉線位移計讀數(shù)進行清零。分別對橋面壓重之后、第1批碳板張拉完成后、第2批碳板張拉完成后、第3批碳板張拉完成后、橋面壓重卸除之后各拉線位移計進行測讀。梁體理論及實測位移數(shù)據(jù)如表1~表3所示，表中位移豎直向上為正，反之為負。

表1　梁體累計位移實測結(jié)果 mm

表2　梁體壓重加載位移效率

表3　梁體壓重卸載后殘余變形

由表1~表3中的數(shù)據(jù)可以看出：

（1）各施工工況下梁體位移實測值均較小于理論計算值，表明橋梁剛度滿足設(shè)計要求；

（2）壓重卸載后，梁體位移存在殘余位移量，但殘余變形率較小，表明橋梁處于彈性工作狀態(tài)；

（3）壓重加載后，梁體壓重加載位移效率為81.3%~86.8%，表明為了使得碳板能夠更好地與梁體共同受力而在鄰跨橋面進行預(yù)先壓重取得了預(yù)期的效果；

（4）箱梁底板增設(shè)預(yù)應(yīng)力碳纖維板，箱梁邊跨產(chǎn)生一定上拱，梁底緣產(chǎn)生一定預(yù)壓應(yīng)力，不僅提高了箱梁承載力，而且提高了箱梁的剛度。

4.3監(jiān)測結(jié)論

箱梁底板張拉碳纖維板之前對鄰跨橋面進行壓重，對碳板張拉跨施加一定的預(yù)拱度，待碳板張拉完成后，卸除橋面壓重，在碳板張拉跨由于卸除鄰跨橋面壓重導(dǎo)致的橋跨下?lián)献饔孟拢及甯玫嘏c梁體共同協(xié)調(diào)受力，充分起到了對梁體的縱向受力加固作用。

5　結(jié)論

基于上述工程實例，結(jié)合計算分析與施工監(jiān)測驗證，得到以下結(jié)論：

（1）為使得碳纖維板能更好地與梁體共同受力，達到張拉碳纖維板主動加固的目的，可以在碳纖維板張拉、錨固之前，在鄰跨橋面進行相應(yīng)壓重。

（2）為增加碳纖維板錨固體系的耐久性并防止人為破壞，可采取植筋、增設(shè)鋼筋、灌注高性能砂漿的方式對其進行永久性防護。

（3）采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土箱梁，能夠有效改善梁體的受力性能，加固效果顯著，該加固技術(shù)及工藝可以在橋梁維修加固中推廣采用。

參考文獻

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［2］彭暉，尚守平．預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的試驗研究

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［4］JTG/T J23—2008公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范［S］．

Application of Prestressed CFRP Plate in Bridge Strengthening

Chen Liang1， Zhang Junlei2， Su Jiale2
（1. Cheng Xian College， Southeast University， Nanjing 210088， China；2. China Zhongtie Major Bridge （Nanjing) Bridge and Tunnel Diagnosis & Treatment Co.， Ltd.， Nanjing 210061， China）

Abstract:Taking a damaged bridge as an example， the design method and construction technology of the bridge structure strengthened with prestressed CFRP plate are described in detail， and the strengthening process is monitored. The results show that the prestressed CFRP plate can improve the stress of the box girder effectively， and has obvious reinforcement effect， which can be used in the bridge reinforcement engineering.

Key words:a damaged bridge； prestressed； CFRP plate； reinforcement； construction technology

中圖分類號：U445.7+2

文獻標識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0058–04

收稿日期：（2015-09-01）

作者簡介：陳亮（1984-），男，江蘇泰州人，工程師，主要從事橋梁施工監(jiān)控、檢測與試驗及加固設(shè)計工作。