黃僑， 萬世成， 關(guān)健， 宋世剛

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2.深圳市威士邦建筑新材料科技有限公司)

中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已從新建的高峰期過渡到建養(yǎng)并重的階段，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在現(xiàn)代土木工程中的重要性愈發(fā)凸顯。在橋梁領(lǐng)域，早期常用粘貼鋼板法作為結(jié)構(gòu)修復(fù)補強的手段。20世紀90年代末，高強纖維復(fù)合材料加固技術(shù)引入中國后盛行一時，主要應(yīng)用形式為外貼碳纖維布或碳纖維板。而工程師們逐漸發(fā)現(xiàn)，這種“被動加固法”不能充分利用碳纖維材料的受拉特性，且容易在早期產(chǎn)生剝離破壞，因此結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)形成“預(yù)應(yīng)力CFRP加固法”。

碳纖維板相比碳纖維布能提供更大的加固量，同時碳纖維板的制造工藝能保證其質(zhì)量、性能更穩(wěn)定。該方法的關(guān)鍵技術(shù)在于預(yù)應(yīng)力錨具的強度可靠、傳力模式合理，以及現(xiàn)場安裝、張拉的施工性良好。其次，對于張拉空間的要求、各零部件的造價及重復(fù)利用率均為評價錨固體系的重要指標。雖然目前市場上預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具及張拉裝置的生產(chǎn)廠家較多，但因相關(guān)的規(guī)范標準不完善，同時受限于研究水平或利益驅(qū)使，其質(zhì)量良莠不齊。

文獻[9]提出的預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉裝置主體采用長方形結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造簡單、易于加工制造，但楔形槽孔的入口處較薄，受力時容易變形和產(chǎn)生裂縫，故錨具壁厚一般設(shè)計較大，導(dǎo)致碳纖維板與混凝土表面的間隙較大，在生產(chǎn)和安裝中的用鋼量、用膠量成本偏高。文獻[10]提出的波形齒紋錨具主要由上下波形齒板、壓緊及鎖定裝置構(gòu)成，該類錨具主要適用于張拉碳纖維布材，具有一定的局限性。該文在已有研究基礎(chǔ)上提出一套新型預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系。

1 錨固體系構(gòu)造及原理設(shè)計

該文結(jié)合工程實踐，基于實用性和經(jīng)濟性提出了一套預(yù)應(yīng)力CFRP板錨固體系，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及橋梁加固。錨固體系包括張拉組件、張拉端錨具、固定端錨具和錨固板。張拉組件包括鎖緊螺母、穿心式千斤頂、球面墊圈、反力架、牽引螺桿和導(dǎo)軌壓板，其整體構(gòu)造參見圖1。

錨具蓋板和底板在工廠中由高強合金鋼精鑄成型，可現(xiàn)場裝配構(gòu)成錨具外殼。楔形夾片包括上、下兩塊，外表面光滑，內(nèi)表面帶細齒紋，使用時嵌入錨具內(nèi)的楔形空腔。錨具蓋板頂部設(shè)有水平螺紋通孔，由牽引螺桿將張拉力從穿心式千斤頂傳遞到錨具上，進而在碳纖維板內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。錨固板在張拉端和固定端各安裝一塊，張拉完成后，擰緊螺栓將碳纖維板兩端錨固，拆除其余所有零部件(圖2)。

楔形夾片夾持于碳纖維板端部，張拉時楔形夾片擠壓錨具內(nèi)壁，根據(jù)反作用原理，碳纖維板與楔形夾片之間產(chǎn)生摩阻而無法回縮。轉(zhuǎn)向塊底面為光滑弧面，使碳纖維板從傾斜受拉過渡到水平狀態(tài)。導(dǎo)軌壓板用于抵抗由穿心式千斤頂中心線與碳纖維板錯位產(chǎn)生的偏心力矩。加固過程中，球面墊圈起到自主調(diào)節(jié)受力中心的作用。

圖1 裝配式預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系整體構(gòu)造圖

圖2 加固完成后的錨固體系示意圖

上述錨固體系的特色在于：① 整體為裝配式結(jié)構(gòu)，零部件重復(fù)利用率高，工程應(yīng)用潛力大；② 制造成本和施工成本較低，經(jīng)濟性好；③ 采用環(huán)氧膠與錨固板共同錨固，可靠度高；④ 張拉時依靠楔形夾片的機械摩擦傳力，錨固力大；⑤ 張拉空間小，傳力流暢，施工便捷。

2 有限元數(shù)值計算與分析

可靠的數(shù)值模型和精確的計算分析是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)和機械設(shè)計的基礎(chǔ)。為驗證錨固體系各零部件的強度和變形滿足設(shè)計要求，該文采用空間有限元分析軟件Abaqus對其進行數(shù)值模擬，獲得碳纖維板達到抗拉強度標準值(ffk=2 400 MPa)時的錨具應(yīng)力分布。

對錨具進行三維實體建模，單元采用C3D8R。鋼材的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比0.3；碳纖維板的彈性模量為1.6×105MPa，泊松比0.45。建立空間坐標系形成裝配件，為各零部件的界面建立合適的接觸和綁定關(guān)系。有限元模型的外形尺寸與真實結(jié)構(gòu)一致，并進行精細化網(wǎng)格劃分，計算結(jié)果見表1、圖3。

表1 錨固體系主要部件有限元分析結(jié)果

Q345鋼綜合力學(xué)性能良好，用作機械零件、一般金屬結(jié)構(gòu)件的熱軋或正火狀態(tài)，選為本套裝置的主要材料；球墨鑄鐵有良好的塑性與韌性，焊接性與切削性均較好，用于加工錨具蓋板和反力架(張拉支架)；45號鋼強度較高，用于制作承受載荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件，選為轉(zhuǎn)向塊和圓柱銷的材料。

經(jīng)后處理分析，可知受力危險區(qū)域基本位于孔道邊緣、過渡斜面及薄壁尖端。其中，反力架和楔形夾片的個別危險點已經(jīng)超過材料的屈服強度，但危險點進入塑性后產(chǎn)生變形，應(yīng)力變化平穩(wěn)，遠低于材料破壞強度；經(jīng)實踐證明，各零部件在預(yù)加力下的變形值極小，不影響錨具正常使用。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同并綜合考慮經(jīng)濟效益，按照現(xiàn)行碳素鋼規(guī)范和合金鋼規(guī)范選擇材料試制成型(圖4)。

圖3 錨具各零部件有限元分析結(jié)果(單位：MPa)

圖4 裝配式預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系各零部件加工

3 施工工藝流程及技術(shù)要點

3.1 施工工藝流程

在錨具的設(shè)計和調(diào)試過程中，一方面為了檢驗上述新型錨固體系的安全性和實用性；另一方面為了探索和總結(jié)該套裝置的施工技術(shù)，筆者進行了一批受損鋼-混凝土組合梁試件的室內(nèi)加固試驗，加固效果良好。加固使用的CFRP板為深圳市威士邦公司生產(chǎn)的WSB-TB雙向碳纖維復(fù)合板，配套膠黏劑為WSB-QT碳纖維復(fù)合板材膠。施工過程分為“安裝—張拉—錨固”3個階段，具體工藝流程如下：① 將碳纖維板兩端用砂布打磨，楔形夾片內(nèi)表面涂膠，外表面涂蠟油；② 利用水平反力架，將碳纖維板的兩端壓入錨具內(nèi)部；③ 在被加固構(gòu)件表面劃線定位、鉆孔，并清除孔內(nèi)粉塵；④ 植入螺紋鋼筋，固化期內(nèi)不得擾動，待2 d后受荷；⑤ 將混凝土表面和碳纖維板的接觸區(qū)域分別打磨粗糙，清除灰塵和油污；⑥ 調(diào)配、拌勻碳板膠，涂覆在反力架、碳纖維板和錨固板的底面；⑦ 安裝張拉組件、張拉端錨具、固定端錨具、碳纖維板和錨固板；⑧ 旋緊鎖緊螺母Ⅰ，放松鎖緊螺母Ⅱ，張拉千斤頂至目標預(yù)應(yīng)力；⑨ 旋緊鎖緊螺母Ⅱ，卸載千斤頂，放松鎖緊螺母Ⅰ，拆除張拉組件；⑩ 待7 d后將碳纖維板沿錨固板外側(cè)裁斷，拆除張拉端錨具和固定端錨具。

而在室外加固工程中，為避免錨具發(fā)生銹蝕和CFRP板受紫外線侵蝕，在張拉檢驗合格后應(yīng)使用黏結(jié)性、防腐性和耐久性好的環(huán)氧樹脂砂漿對錨具及CFRP板表面進行封閉防護。

3.2 施工技術(shù)要點

預(yù)應(yīng)力CFRP板加固技術(shù)對操作水平的要求較高，在安裝、張拉和錨固過程中，常見的問題包括安裝不當(dāng)造成裝置預(yù)應(yīng)力損失過大，錨具中心線偏差造成碳纖維板張拉時發(fā)生扭曲或破裂，涂膠時黏結(jié)層出現(xiàn)空洞不飽滿導(dǎo)致結(jié)合面滑移，錨固區(qū)混凝土發(fā)生拉拔破壞致使端部錨具脫落等。為避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，同時保證施工安全和操作流暢，針對加固各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)要點總結(jié)如下：

(1) 施工前仔細檢查錨具及碳纖維板的外觀質(zhì)量和數(shù)量，確保滿足安裝要求。

(2) 鉆孔位置避開混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋，必要時借助鋼筋探測儀放線鉆孔。

(3) 碳纖維板中線與梁平行并通長標記，嚴格控制兩端錨具中心線同軸誤差。

(4) 對反力架區(qū)域混凝土進行切槽處理和涂膠找平，保證牽引螺桿水平傳力。

(5) 清理植筋孔內(nèi)灰塵碎渣，再用壓縮空氣吹出浮塵，最后用丙酮清潔孔壁。

(6) 分段刮抹碳板膠，使黏結(jié)面均勻密實，避免出現(xiàn)空洞、扭曲或起伏現(xiàn)象。

(7) 張拉碳纖維板時應(yīng)分級、平穩(wěn)、緩慢加壓，嚴禁快速沖、放千斤頂行程。

(8) 操作過程中若植筋膠或碳板膠不慎沾到皮膚，先用酒精擦拭后清水沖洗。

4 結(jié)語

該文提出的裝配式預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系，強度和變形滿足要求，施工工藝簡單可靠，可在工程實踐中推廣應(yīng)用。該錨固體系的優(yōu)勢包括：① 作用原理清晰，傳力明確，能夠提供強大的預(yù)加力和可靠錨固；② 整套裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，重復(fù)利用率高，工程應(yīng)用價值大；③ 錨具尺寸和張拉空間小，對橋下凈空影響甚微。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固效果極大程度上取決于施工工藝是否科學(xué)合理以及現(xiàn)場操作水平的優(yōu)劣。碳纖維復(fù)合材料引入中國交通建筑行業(yè)經(jīng)歷過初期的熱潮、反思，以及向歐美日學(xué)習(xí)的階段，目前正處于邁向規(guī)范化、標準化、成熟化的階段，最終目標是實現(xiàn)其生產(chǎn)、研發(fā)、施工的全面國產(chǎn)化，使中國的碳纖維技術(shù)達到世界先進水平。

隨著JTG/T J22-2008《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》的新一輪修編，預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)正受到管養(yǎng)領(lǐng)域越來越多的重視。雖然中國經(jīng)歷10余年的不懈努力，已基本掌握預(yù)應(yīng)力CFRP加固的基礎(chǔ)技術(shù)，也取得了一些橋梁加固經(jīng)驗，但其錨固關(guān)鍵技術(shù)的研究、張拉裝置的開發(fā)運用、施工過程中的工藝技巧及質(zhì)量保障還有待創(chuàng)新和加強。