許春春

(福建陸海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，福州 350000)

以鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土材料修建的各類橋梁占我國現(xiàn)役橋梁的絕大多數(shù)。由于材料老化，原規(guī)范設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)低， 以及隨著交通量及重載交通逐年增加等原因，許多在役橋梁出現(xiàn)不同程度的缺陷及病害，耐久性和承載能力逐漸下降，橋梁評(píng)定的技術(shù)狀況等級(jí)逐漸降低，部分橋梁的技術(shù)狀況被評(píng)為四、五類，嚴(yán)重影響橋梁正常使用[1-2]。

傳統(tǒng)的加固方法大都屬于被動(dòng)加固， 存在材料利用率低，施工較困難，工期較長，抗腐蝕性差和耐久性差等缺點(diǎn)。 使用預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固橋梁技術(shù)是近年來在國內(nèi)外快速發(fā)展的主動(dòng)加固技術(shù)之一[3]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是將碳纖維板固定到構(gòu)件需加固的位置， 通過對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力使混凝土梁內(nèi)產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力， 進(jìn)而使碳纖維這種高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特性得以發(fā)揮，同時(shí)還緩解了應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更優(yōu)的加固效果。產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，可以抵消結(jié)構(gòu)自重以及部分荷載的作用，還可以減小結(jié)構(gòu)原有裂縫，提高結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)撓度，使結(jié)構(gòu)承載能力盡可能大的提高，并使使用階段的性能得到改善[4]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板與傳統(tǒng)粘貼碳纖維材料相比具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)材料利用率高，節(jié)省材料及降低造價(jià)；(2)對(duì)梁體施加預(yù)壓力，能夠有效限制梁體開裂；(3)梁體施加預(yù)應(yīng)力后，可以提高梁體結(jié)構(gòu)承載能力，增加梁體結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備；(4)施加預(yù)壓力后，能夠有效延緩鋼筋屈服，提高梁體極限承載能力[5]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某依托工程位于高速公路上，橋梁全長253 m，橋跨布置為(4×30 m+4×30 m)。 橋梁設(shè)計(jì)荷載：汽-超20，掛-120。 上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土準(zhǔn)連續(xù)T 形梁，支座為板式橡膠圓形支座，橋面鋪裝為瀝青混凝土。起點(diǎn)臺(tái)為肋板臺(tái)配樁基礎(chǔ)，終點(diǎn)臺(tái)為U 臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩采用柱式墩。橋梁建成于2005 年10 月，橋梁平面、立面、斷面布置示意如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖示意(單位：cm)

1.2 主要病害

根據(jù)檢查評(píng)定報(bào)告及對(duì)該橋進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，橋梁主要病害為：左橋7-5#、7-4#、7-3#T 梁跨中約8 m 范圍均有馬蹄橫向裂縫、腹板豎向裂縫、斜向裂縫、U 形裂縫，裂縫寬度為0.1 mm～0.64 mm。 對(duì)裂縫進(jìn)行深度測(cè)量，所測(cè)的13 較大條裂縫中，最大縫寬值達(dá)0.64 mm，裂縫深度大于30 mm(鋼筋保護(hù)層設(shè)計(jì)值)，最大深度達(dá)87 mm。

圖2 T 梁梁底橫向裂縫、U 形裂縫

1.3 原結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)橋梁檢測(cè)報(bào)告病害情況，對(duì)本橋的第二聯(lián)4×30 m 進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析，縱向計(jì)算主程序采用橋梁博士V4程序，按三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)及施工順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，上部結(jié)構(gòu)共劃分135 個(gè)單元、分成5 個(gè)施工段。 原設(shè)計(jì)主梁為C40 混凝土，現(xiàn)澆A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。計(jì)算模型未考慮承載能力惡化、截面折減、鋼筋截面折減等系數(shù)。 分別模擬三種工況：原結(jié)構(gòu)計(jì)算、預(yù)應(yīng)力損失模型計(jì)算、預(yù)應(yīng)力碳板加固計(jì)算，有限元模型見圖3。

圖3 4×30 m 準(zhǔn)連續(xù)T 梁有限元模型

1.3.1 原結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過利用有限元計(jì)算軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗裂驗(yàn)算和抗彎承載力驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果詳見圖4～5。

圖4 原結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算

圖5 原結(jié)構(gòu)抗彎承載力驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)在短期荷載組合作用下，跨中截面下緣最大拉應(yīng)力為-1.48 MPa，滿足A 類構(gòu)件受力要求。

邊跨跨中內(nèi)力為9393 kN·m， 抗彎承載能力為9733 kN·m， 邊跨安全系數(shù)為1.04。 中跨跨中內(nèi)力為8338 kN·m，抗彎承載能力為8596 kN·m，中跨安全系數(shù)為1.03，均滿足規(guī)范要求，但抗彎承載能力安全儲(chǔ)備較小。

1.3.2 預(yù)應(yīng)力損失模型試算

通過利用有限元計(jì)算軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼束應(yīng)力損失試算，計(jì)算結(jié)果詳見圖6～7。

圖6 預(yù)應(yīng)力損失8%抗裂驗(yàn)算

圖7 預(yù)應(yīng)力損失8%抗彎承載力驗(yàn)算

第7 跨鋼束8%預(yù)應(yīng)力損失后，跨中8 m 范圍下緣應(yīng)力超限，均不滿足規(guī)范要求，規(guī)范限制-1.68 MPa，下緣最大拉應(yīng)力為-2.29 MPa。

邊跨跨中內(nèi)力9336 kN·m，抗彎承載能力9733 kN·m，邊跨安全系數(shù)為1.04。 中跨跨中內(nèi)力8414 kN·m，抗彎承載能力8582 kN·m，中跨安全系數(shù)為1.02，均滿足規(guī)范要求，但抗彎承載能力安全儲(chǔ)備較小。

1.4 病害成因分析

根據(jù)原結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果， 梁體的抗裂驗(yàn)算及抗彎承載能力均滿足規(guī)范要求。結(jié)合檢測(cè)報(bào)告，橋墩、蓋梁、系梁、支座、鋪裝均無病害。 右橋結(jié)構(gòu)與左橋相同，梁體均無病害。 根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失模型計(jì)算結(jié)果， 當(dāng)?shù)?跨預(yù)應(yīng)力損失約達(dá)到張拉控制應(yīng)力的8%時(shí)，跨中8 m范圍內(nèi)下緣應(yīng)力均超過限值，超限范圍與梁體裂縫分布范圍基本一致。

綜合以上分析， 原有梁體鋼束預(yù)應(yīng)力損失是左橋第7 跨的7-3#、7-4#、7-5# 梁體產(chǎn)生梁體病害的主要原因。

2 預(yù)應(yīng)力碳板加固方案

2.1 加固方案比選

常用橋梁加固方法主要有：增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法、裂縫修補(bǔ)法[6]。 其中裂縫修補(bǔ)、粘貼鋼板、粘貼碳纖維復(fù)合材料等加固法均屬于被動(dòng)加固。 此類加固法的缺點(diǎn)：(1)粘貼鋼板、碳纖維材料僅能承擔(dān)部分活載產(chǎn)生的內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力改善不明顯；(2)增大截面需對(duì)梁體進(jìn)行植筋，容易損傷梁體，施工養(yǎng)護(hù)周期較長。

常用的加固方法的對(duì)比分析如表1 所示。

表1 常用加固技術(shù)優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比

考慮本橋處于高速公路上，過往車輛多，要求加固措施應(yīng)便于實(shí)施且施工周期短。 從處治效果，施工便捷性，施工工期及造價(jià)方面綜合對(duì)比， 最終采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法。

2.2 預(yù)應(yīng)力碳板加固設(shè)計(jì)

第七跨7-3#～7-5# 梁片進(jìn)行加固處治， 具體加固措施為：(1)對(duì)于縫寬＜0.15 mm 的裂縫，采用表面環(huán)氧封閉法處理；對(duì)于縫寬≥0.15 mm 的裂縫，采用壓力注膠封閉法處理。

(2)7-3#、7-4#、7-5#T 梁裂縫處理后， 施加預(yù)應(yīng)力碳纖維板，馬蹄底面及側(cè)面各增設(shè)1 條10 cm×0.2 cm 預(yù)應(yīng)力碳纖維板。

(3)腹板至翼板范圍粘貼碳纖維板。 加固設(shè)計(jì)如圖8～9 所示。

圖8 T 梁預(yù)應(yīng)力碳板加固設(shè)計(jì)圖

圖9 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固設(shè)計(jì)圖

2.3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力碳纖維板設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：(1) 預(yù)應(yīng)力碳纖維板的選擇；(2)確定張拉控制應(yīng)力；(3)預(yù)應(yīng)力總損失估算。

2.3.1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板的選擇

碳纖維板常用規(guī)格為4 種：5 cm×1.4 mm；10 cm×1.4 mm；5 cm×2 mm；10 cm×2 mm。寬度為5 cm、10 cm 2 種，厚度為1.4 mm、2.0 mm 2 種。 碳纖維板材的型號(hào)根據(jù)板材的性能分為Ⅰ、Ⅱ兩級(jí)，具體性能指標(biāo)詳見表2。

表2 碳纖維板主要力學(xué)性能指標(biāo)

預(yù)應(yīng)力碳纖維板的選擇應(yīng)考慮梁體的截面形式及尺寸、張拉噸位、原結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失、經(jīng)濟(jì)美觀等因素。

2.3.2 張拉控制應(yīng)力

2.3.3 預(yù)應(yīng)力總損失估算

不同預(yù)應(yīng)力體系，預(yù)應(yīng)力損失構(gòu)成不同，預(yù)應(yīng)力總損失主要包括：(1) 放張?zhí)祭w維板時(shí)錨固體系的變形損失；(2)預(yù)應(yīng)力碳纖維應(yīng)力松弛損失；(3)預(yù)應(yīng)力碳板徐變引起的預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力損失；(4) 溫度變化引起的應(yīng)力損失。

在無實(shí)測(cè)資料的情況下， 預(yù)應(yīng)力總損失的估算取值為張拉控制應(yīng)力的10%～15%。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后計(jì)算

3.1 預(yù)應(yīng)力碳板加固后計(jì)算

依托工程采用預(yù)應(yīng)力碳板加固后， 對(duì)其進(jìn)行抗裂驗(yàn)算及抗彎承載力驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果詳見圖10～11。

圖10 加固后抗裂驗(yàn)算

圖11 加固后抗彎承載力驗(yàn)算

通過計(jì)算分析， 得出加固后第7 跨跨中截面下緣最大拉應(yīng)力為-1.26 MPa，小于限值-1.68 MPa，滿足A 類構(gòu)件受力要求。

第7 跨中內(nèi)力為8488 kN·m， 抗彎承載能力為9733 kN·m，抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.15，滿足規(guī)范要求。

3.2 加固前后對(duì)比

對(duì)第7 跨準(zhǔn)連續(xù)T 梁采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固完后，對(duì)其跨中截面加固前后的應(yīng)力、抗彎承載力及安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3～4。 可以看出加固后橋梁的應(yīng)力在規(guī)范限值范圍內(nèi)，加固后抗彎承載力提高13.0%。

表3 第7 跨加固前后跨中應(yīng)力對(duì)比

表4 第7 跨加固前后跨中承載力對(duì)比

依托工程采用預(yù)應(yīng)力碳板加固后已經(jīng)運(yùn)營2 年，據(jù)定期檢查和觀測(cè)結(jié)果反饋，處治后的裂縫未開裂，未發(fā)現(xiàn)新增裂縫等其他梁體病害，處治效果良好。梁體采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后如圖12 所示。

圖12 預(yù)應(yīng)力碳板加固后梁體

4 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力碳板加固能夠有效改善梁體應(yīng)力，保證梁體應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(2) 預(yù)應(yīng)力碳板加固能夠提高梁體的抗彎承載能力，增加梁體的承載能力安全儲(chǔ)備。

(3) 預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)具有主動(dòng)加固，施工方便，工期較短，不中斷交通，加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，其在依托工程上的成功應(yīng)用說明此加固方法值得在國內(nèi)同類工程項(xiàng)目上推廣應(yīng)用。