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        預(yù)應(yīng)力碳纖維板對危橋加固效果的提升

        2020-12-21 05:51:28駱美勇袁新順
        建材世界 2020年6期
        關(guān)鍵詞:纖維板錨栓石板

        汪 洋,駱美勇,袁新順

        (1.中交二航局建筑科技有限公司,武漢 430040;2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點實驗室,武漢 430040)

        石板大橋位于重慶市九龍坡區(qū)石板鎮(zhèn),大橋共5跨全長130 m,所在線路道路為G212國道,等級為二級公路。其上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板結(jié)構(gòu),橋墩則采用柱式墩、樁基礎(chǔ),橋面鋪裝層采用水泥混凝土路面。

        由于石板大橋修建年限較早、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、交通運輸量快速增長和重車超載等原因,橋梁開始出現(xiàn)嚴(yán)重的老化現(xiàn)象。橋梁管理部門在2014年對石板大橋進(jìn)行定期檢測,技術(shù)評定為3類,有中度缺損。但是在2018年的檢測中,橋梁被評為4類橋梁,主要構(gòu)件有重大缺損,嚴(yán)重影響橋梁使用功能和承載能力,不能保證正常使用。憑借著經(jīng)濟(jì)性能好、施工便捷、對橋梁結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點,此次加固項目將采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)對石板大橋進(jìn)行加固,預(yù)應(yīng)力為60 kN。

        1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)

        1.1 常見的加固方法

        陳華等[1]指出加固行業(yè)中最常見的有三種加固方法。1)加大截面法:此施工工序較為復(fù)雜且會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響;2)非預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固:此方法雖然能夠增加極限荷載,但是無法發(fā)揮處出碳纖維板全部的抗拉強度,且應(yīng)力滯后現(xiàn)象十分明顯;3)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固:碳纖維已被預(yù)應(yīng)力拉直,在橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時可以立刻發(fā)揮作用,碳纖維抗拉強度得到了充分的利用。

        預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)于20世紀(jì)80年代后期開始運用于我國工業(yè)與民用建筑的加固修復(fù)中,并在20世紀(jì)90年代開始運用于橋梁、隧道和其他特種結(jié)構(gòu)。

        1.2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板的優(yōu)點

        國內(nèi)外許多學(xué)者對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)的優(yōu)點都有深入的研究。Thanasis等[2]的實驗結(jié)果指出預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)能最大限度控制裂縫的產(chǎn)生;AI-Saidy等[3]的實驗報告展示了預(yù)應(yīng)力碳纖維板能夠?qū)p壞后的梁的承載能力恢復(fù)至損壞之前的狀態(tài);鄧?yán)誓莸萚4]在他們的研究中指出預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的結(jié)構(gòu)相較于普通非預(yù)應(yīng)力加固方法,其承載能力和抗彎能力有顯著的提升;彭暉等[5]的實驗也顯示了預(yù)應(yīng)力碳纖維板相比于非預(yù)應(yīng)力碳纖維板有更高的碳纖維的強度利用率,更能充分發(fā)揮碳板的強度。以上所有學(xué)者的文章中也均提及預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)有著抗拉強度高、自重輕、抗腐蝕和抗疲勞的優(yōu)點。

        1.3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法施工主要工序

        此次石板大橋加固所采用的技術(shù)為“后張法”,如圖1所示,碳纖維板通過摩阻錨固原理與固定端相連接,通過千斤頂頂推反力架的方式拉動張拉桿,通過張拉桿傳遞拉力至碳纖維板并拉伸碳纖維板。具體工序如下所示:

        在錨固端和張拉端位置開出深度為25 mm的槽,找平和清理開槽基面 → 在預(yù)定的位置鉆孔并種植化學(xué)錨栓 → 安裝錨固端和張拉端基座 → 安裝預(yù)應(yīng)力碳纖維板 → 在碳纖維板上涂抹適量的碳板膠 → 用專用的千斤頂設(shè)備逐級張拉,張拉分級為:0、20%、40%、60%、80%和100%,并持荷2 min → 用壓緊條將碳板與橋底板貼合、碳板膠固化 → 對預(yù)應(yīng)力碳纖維版和錨頭進(jìn)行防護(hù)處理。

        2 力學(xué)分析

        2.1 加固作用原理

        碳纖維板的加固作用原理和目的是使碳纖維板承擔(dān)一部分構(gòu)件混凝土里面的鋼筋承擔(dān)的拉應(yīng)力,所以鋼筋混凝土構(gòu)件受到的拉力能得到有效的緩解,從而保護(hù)混凝土構(gòu)件。根據(jù)設(shè)計要求,石板大橋加固所用的預(yù)應(yīng)力碳板的抗拉強度高達(dá)2 400 MPa,彈性模量為1.6× 105MPa,如果要發(fā)揮抗拉強度需要1.7%的伸長變形;可是鋼筋的抗拉強度只有300 MPa而且拉伸率僅僅為0.15%。如果不加預(yù)應(yīng)力,就算鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)時碳纖維板也僅僅發(fā)揮出8.8%的抗拉強度;而如果讓碳纖維板發(fā)揮出全部強度,混凝土結(jié)構(gòu)則會產(chǎn)生大的變形和明顯的裂縫。所以對碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力能預(yù)先發(fā)揮其抗拉強度,從而提高強度利用率。

        2.2 預(yù)應(yīng)力的損失

        石板大橋加固工程采用的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)屬于“后張法”,由于張拉工藝和材料的特點,預(yù)應(yīng)力會部分損失,因此預(yù)應(yīng)力損失后剩余的預(yù)應(yīng)力即為有效預(yù)應(yīng)力。參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,主要有瞬時損失和長期損失。瞬時損失主要有:1)錨具變形和碳纖維板回縮引起的損失;2)后張拉的預(yù)應(yīng)力碳板所產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮變形會導(dǎo)致相鄰先張拉的預(yù)應(yīng)力碳板的預(yù)應(yīng)力損失。長期損失主要有:1)溫度變化造成的預(yù)應(yīng)力損失;2)碳纖維板徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失; 3)混凝土的收縮和徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失[4]。

        以上造成預(yù)應(yīng)力損失與碳纖維板的幾何尺寸、錨具的構(gòu)造類別、施工方法以及混凝土的強度有比較大的關(guān)系。根據(jù)鄧?yán)誓菡撐闹械膶嶒灁?shù)據(jù),預(yù)應(yīng)力損失基本在施加預(yù)應(yīng)力的8%以內(nèi)。由于千斤頂?shù)淖x數(shù)與實際也有一定的誤差,所以建議預(yù)應(yīng)力損失估算值為10%~15%。

        3 加固效果分析

        如圖2和圖3所示,本次橋梁加固項目采用有限元分析軟件Midas Civil建立有限元分析模型,主梁為平面梁單元。按照設(shè)計,考慮了永久作用載荷、汽車、人群、溫度等荷載。橋全長130 m,跨徑組合為:17 m+3×23 m+17 m。預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉力為60 kN。

        表1 加固前后最不利截面彎矩驗算表 /(kN·m)

        根據(jù)Midas Civil的計算結(jié)果,如表1所示,預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉以后彎矩抗力值在墩頂截面、中跨跨中截面和邊跨最大彎矩處截面均滿足要求,故此次加固項目達(dá)到恢復(fù)橋梁承載力的目的。

        4 施工應(yīng)注意的問題

        石板大橋修建于1999年,由于其修建年代久遠(yuǎn)以及施工工藝等問題,給現(xiàn)場施工帶來了些許不便。因此有必要列舉此次施工應(yīng)注意的事項和問題,以便分享經(jīng)驗防范施工風(fēng)險。

        1)由于錨固端位于橋墩附近,且該處鋼筋分布十分密集,所以應(yīng)提前用鋼筋探測儀探明鋼筋的具體位置,再選擇合適位置打孔。

        2)由于當(dāng)年修建石板大橋的年代存在施工人員素質(zhì)參差不齊和施工工藝較落后等問題,開槽發(fā)現(xiàn)混凝土保護(hù)層存在過薄的情況,有的厚度甚至不到5 mm。面對這種情況需要使用壓緊條保證碳纖維板和橋底面相貼合。

        3)由于錨具的設(shè)計原因,錨栓孔過大,從而導(dǎo)致四只錨栓穿過錨具后不能保證全都能與支座相接觸并提供抗剪力。所以張拉過程中存在四只錨栓不全都抗剪的現(xiàn)象,嚴(yán)重時可能只有一根錨栓抗剪。所以施工中一定要保證所有錨栓都要接觸到錨具,如有未接觸現(xiàn)象,務(wù)必保證使用適當(dāng)措施填充滿錨栓與錨具之間的縫隙。

        5 展 望

        預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)目前已在一定數(shù)量的工程中得到應(yīng)用并取得了良好的加固效果,有效解決了碳纖維板與鋼筋共同工作性能差的缺點,充分利用了碳纖維板的抗拉強度。但是目前而言在此項技術(shù)的研究還是非常薄弱,施工工藝也有待加強,以下幾項值得進(jìn)一步完善和研究:

        1)目前建筑行業(yè)中還是缺少有針對性的技術(shù)規(guī)范,有的相關(guān)公式都只是借鑒于其他規(guī)范尚未形成一套整體。有的規(guī)范多限于梁底加固,對于梁側(cè)加固甚至是鋼結(jié)構(gòu)加固缺少研究,成為技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。

        2)缺少加固完成后碳纖維板長期性能的研究,預(yù)應(yīng)力的損失、碳纖維板的耐腐蝕性、壽命和耐火性都缺少研究和實驗。

        3)開發(fā)一種不需要開槽且同樣可以讓碳板與橋底板相貼合的錨具,避免出現(xiàn)論文所描述的混凝土保護(hù)層過薄現(xiàn)象對施工造成的困擾。

        4)隨著越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)需要加固,需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)加固運算專用的插件,以便更有效地運用Midas Civil、Ansys甚至是BIM相關(guān)軟件。

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