馮永齊，肖長(zhǎng)禮，卓 靜

（1.焦作市公路管理局，河南 焦作454100；2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400000）

碳纖維板是一種重量輕、厚度薄、耐腐蝕的新型材料，因其具有抗拉強(qiáng)度高、抗疲勞、低松弛的性能，并且易于與被加固梁板黏結(jié)，被用于鋼筋混凝土橋梁加固。預(yù)應(yīng)力碳纖維板最近幾年被廣泛用于橋梁加固，它綜合了普通粘貼碳纖維片材加固法和預(yù)應(yīng)力加固法的優(yōu)點(diǎn)，是一種梁橋主動(dòng)加固技術(shù)。通過(guò)對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力，與加固梁板的受拉面貼合共同受力，消減梁底板的拉應(yīng)力，從而有效減小梁板的變形，進(jìn)一步提高梁板的承載能力。焦作市公路管理局與國(guó)內(nèi)橋梁加固方面專(zhuān)家、博士組成課題組，通過(guò)大量的理論分析和試驗(yàn)研究，提出了基于鉸式波形錨的碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固板梁技術(shù)的張拉和錨固新工藝，依托焦作市公路管理局S309獲軹線沁河特大橋加固工程，通過(guò)靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了鉸式波形錨錨具體系的工作性能和碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固梁板的效果。

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁橋法的適用條件

（1）梁體結(jié)構(gòu)整體剛度不足；（2）梁體結(jié)構(gòu)承載力降低；（3）梁體裂縫超出設(shè)計(jì)規(guī)定。

2 碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固機(jī)理

受車(chē)輛豎向荷載作用，梁板彎曲，梁板截面下部受拉應(yīng)力、上部受壓應(yīng)力。因?yàn)榛炷聊蛪翰豢估?，易產(chǎn)生裂縫，隨著環(huán)境因素的影響和車(chē)輛荷載的反復(fù)作用，裂縫持續(xù)發(fā)展，鋼筋銹蝕，梁板的內(nèi)力超過(guò)設(shè)計(jì)承載能力，耐久性和安全性降低。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法是將碳纖維板錨固于梁底板，并施加一個(gè)壓力，抵消其彎拉應(yīng)力，使截面處于受壓狀態(tài)，梁板剛度得以提高，阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。該技術(shù)是體外預(yù)應(yīng)力的力學(xué)原理的進(jìn)一步擴(kuò)展，是一種主動(dòng)加固法。

3 鉸式波形錨工作原理

鉸式波形錨利用上、下波形齒板與碳纖維板之間的黏結(jié)力和摩擦力，將碳纖維板可靠地夾持并錨固于上、下波形齒板之間。上、下波形齒板為凹凸緣結(jié)構(gòu)，有增大摩擦力和增加黏結(jié)面積的作用；壓緊及鎖定裝置使上波形齒板、下波形齒板以及它們之間所粘貼并夾持的碳纖維板互相擠壓，進(jìn)一步增大摩擦力和提高粘結(jié)力，使碳纖維板的夾持和錨固效果更可靠。

4 碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固梁板極限承載力計(jì)算

試驗(yàn)和理論研究證明，在極限狀態(tài)下，錨固在底板上的碳纖維板能夠達(dá)到其極限強(qiáng)度，故在計(jì)算加固梁板受彎極限承載力時(shí)，參照普通粘貼碳纖維板加固梁的正截面承載力公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：ε1不考慮二次受力時(shí)取0，考慮二次受力影響時(shí)，ε1為加固前梁板在初始彎矩作用下，截面受拉邊緣混凝土的初始應(yīng)變；[εf]為碳纖維板的允許拉應(yīng)變，取碳纖維板極限拉應(yīng)變的2/3和0.007兩者中的較小值；εfp為考慮體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板的有效預(yù)應(yīng)變；εcu為碳纖維板的極限拉應(yīng)變。

5 鉸式波形錨高溫性能

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，鉸式波形錨張拉系統(tǒng)在溫度85℃、張拉應(yīng)力2000MPa條件下，錨具的錨固性能和碳纖維板的張拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有損失，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠很好地適用于橋梁加固工程中的復(fù)雜環(huán)境。

6 基于鉸式波形錨的碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在工程中的應(yīng)用

6.1 S309獲軹線沁河特大橋概況

焦作市武陟縣S309獲軹線沁河特大橋建于2001年，全長(zhǎng)1207.24m，橋?qū)挾?8m。上部結(jié)構(gòu)采用40×30m后張法預(yù)應(yīng)力砼箱梁，橋面連續(xù)共7聯(lián)。設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)-超20級(jí)，掛-120。

橋梁加固前焦作市公路管理局委托檢測(cè)單位進(jìn)行定期檢測(cè)及靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫；

（2）撓度校驗(yàn)系數(shù)＞1，撓度較大，橋梁的實(shí)際狀況不能完全滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

6.2 橋梁維修加固方案

（1）箱梁底裂縫封閉。對(duì)寬度＜0.15mm的裂縫，采用環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)裂縫進(jìn)行封閉。

（2）箱梁梁底進(jìn)行碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固。對(duì)箱梁粘貼碳纖維板，并對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力來(lái)補(bǔ)償由于箱梁剛度損失而導(dǎo)致的撓度增加，抑制裂縫的發(fā)展，增加箱梁底面壓應(yīng)力的儲(chǔ)備，同時(shí)提高箱梁的抗彎和抗剪能力。

6.3 碳纖維板預(yù)應(yīng)力施加大小的確定

試驗(yàn)研究表明，碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固后的梁板滿足平截面假定?；炷梁弯摻畹膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合規(guī)范，混凝土和碳纖維板無(wú)相對(duì)滑移，在彎曲極限狀態(tài)梁板鋼筋屈服，開(kāi)裂截面受拉區(qū)混凝土作用不考慮?；谏鲜龌炯俣ǎ庸毯筇祭w維板預(yù)應(yīng)力加固梁板正截面分析如圖1所示。

定公式（9）求出混凝土下緣應(yīng)變值εb

式中：εce為碳纖維板張拉后混凝土的預(yù)壓應(yīng)變；Ec和Ef分別為混凝土和碳纖維板彈性模量；A0和I0分別為梁換算截面的面積和慣性矩；e為碳纖維板受力中心至截面中性軸的距離。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，確定碳纖維板規(guī)格和碳纖維板預(yù)應(yīng)力。在橋跨范圍每片小箱梁沿底板縱向布置寬50mm、厚2.0mm的單層碳纖維板2條，碳纖維板設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2800MPa，張拉控制應(yīng)力為1400MPa，單條碳纖維板張拉力為140kN。

圖1 碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固梁板正截面分析圖

根據(jù)梁板截面受力平衡可以得出：

由x=0.8xc可求出受壓區(qū)高度xc，并結(jié)合平截面假

6.4 箱梁碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固工藝流程

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固工藝流程：搭設(shè)施工平臺(tái)→梁底表面處理→鉆孔植入錨栓，安裝錨固座鋼板→安裝碳纖維板張拉端和固定端的錨夾具→張拉碳纖維板并錨固→碳纖維板涂膠并頂壓粘貼→碳纖維板張拉端和固定端的砂漿封閉防護(hù)。

（1）材料選擇。①應(yīng)使用與碳纖維板配套膠黏材料和表面防護(hù)材料；②碳纖維板和配套膠黏材料應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定的性能指標(biāo)及使用環(huán)境要求；③經(jīng)過(guò)對(duì)橋梁特點(diǎn)、材料經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮，沁河特大橋采用的碳纖維板厚度為2.0mm、寬度為50mm；④碳纖維板的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：抗拉強(qiáng)度＞2800MPa，彈性模量＞164000MPa，伸長(zhǎng)率≥1.7%。

（2）施工環(huán)境。①施工溫度范圍以5～35℃為宜，當(dāng)環(huán)境溫度＜5℃時(shí)，應(yīng)采用與低溫配套的膠黏劑，或采取升溫措施；②濕度在80%以下，如施工環(huán)境濕度較大，應(yīng)對(duì)粘貼面進(jìn)行干燥處理；涂刷膠黏劑前，確認(rèn)板底粘貼表面干燥，無(wú)油污、無(wú)粉塵。

（3）施工放樣。①在箱梁板底放樣應(yīng)先用鋼筋定位儀找出定鋼筋的位置，再標(biāo)記出碳纖維板和錨具的位置；②打磨混凝土基層表面，并使其表面平整。

（4）安裝預(yù)應(yīng)力碳纖維板。①施工時(shí)的溫、濕度要求同前；②按設(shè)計(jì)要求的長(zhǎng)度尺寸截取碳纖維板，并保證其整潔、平整、無(wú)瑕疵；③嚴(yán)格按照錨固裝置要求，將碳纖維板安裝在固定端夾具及張拉端夾具內(nèi)；④待預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，在碳纖維板和梁底接觸面上涂抹粘結(jié)劑。

（5）張拉碳纖維板。①碳纖維板張拉控制應(yīng)力1400MPa；②確保碳纖維板受力均勻，碳纖維板中心線為受力中心線；③施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，先給碳纖維板施加10%的控制應(yīng)力，使碳纖維板繃直，再以20%和60%控制應(yīng)力給碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力達(dá)到100%的控制應(yīng)力時(shí)，校驗(yàn)張拉伸長(zhǎng)值，每一級(jí)之間持荷5min；④碳纖維板張拉的過(guò)程中，如撓度變化有異常，應(yīng)停止張拉，并檢查原因。

6.5 橋梁加固后靜載試驗(yàn)結(jié)果及效果評(píng)估

為了評(píng)估碳纖維板預(yù)應(yīng)力加固后的效果，在橋梁加固前和加固完成后，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，對(duì)箱梁頂部及底部砼應(yīng)變、梁撓度等進(jìn)行對(duì)比，綜合分析加固后橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際受力狀況是否滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)做出總體評(píng)價(jià)。

（1）撓度測(cè)試結(jié)果。沁河特大橋撓度測(cè)試結(jié)果表如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，各片箱梁撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.49～0.68，平均校驗(yàn)系數(shù)0.588，校驗(yàn)系數(shù)均＜1；撓度測(cè)試值變化趨勢(shì)與理論值基本一致，說(shuō)明橋跨實(shí)際剛度滿足設(shè)計(jì)荷載要求。試驗(yàn)荷載作用下，各片箱梁的撓度相對(duì)殘余值最大值為2.81%，均＜20%的規(guī)范值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況。

（2）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。沁河特大橋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，各片箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)在0.31～0.62，平均校驗(yàn)系數(shù)為0.467，均＜1；應(yīng)變測(cè)試值變化趨勢(shì)與理論值基本一致，說(shuō)明橋跨實(shí)際承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載要求。試驗(yàn)荷載作用下，各片箱梁的應(yīng)變相對(duì)殘余最大值為6.13%，均＜20%的規(guī)范值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況。

（3）根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果可以分析出，碳纖維預(yù)應(yīng)力板加固后，能夠顯著改善梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和箱梁截面的承載能力，提高了橋梁的結(jié)構(gòu)安全性。通過(guò)對(duì)箱梁梁底施加預(yù)應(yīng)力，可以使既有的裂縫得到一定程度的閉合，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性。

7 結(jié)束語(yǔ)

采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁橋技術(shù)，不需要封閉交通，對(duì)原梁板不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，封閉板底裂縫，加固工藝簡(jiǎn)單、周期短，不僅能提高橋梁的承載能力，增加橋梁的耐久性，而且維修加固成本低。因此，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)有很好的應(yīng)用前景。

表1 沁河特大橋撓度測(cè)試結(jié)果表

表2 沁河特大橋應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表