預(yù)應(yīng)力碳纖維板在舊橋加固中的設(shè)計與應(yīng)用

葉建仁（1.福州市公路局；2.福州路信公路設(shè)計有限公司，福州350002）

預(yù)應(yīng)力碳纖維板在舊橋加固中的設(shè)計與應(yīng)用

葉建仁1，2
（1.福州市公路局；2.福州路信公路設(shè)計有限公司，福州350002）

本文以鋼筋混凝土簡支T梁加固為實例，闡明了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)及其張拉工藝，剖析了T梁加固設(shè)計方案，并對加固設(shè)計原理進(jìn)行理論推導(dǎo)計算。在此基礎(chǔ)上，通過對加固后的橋梁進(jìn)行長期監(jiān)測試驗和應(yīng)力損失進(jìn)行分析可知，預(yù)應(yīng)力碳纖維板在長期荷載作用下，預(yù)應(yīng)力損失較小，這為同類加固工程提供參考。

舊橋加固預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉工藝預(yù)應(yīng)力損失

0 引言

隨著使用年限的增長，許多建國初期建造的橋梁由于標(biāo)準(zhǔn)提高、設(shè)計施工不當(dāng)、荷載增加、材料老化、環(huán)境腐蝕、使用功能變更等眾多原因，面臨著或拆除重建或加固補(bǔ)強(qiáng)，若拆除重建，勢必會給國家和社會帶來很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，但傳統(tǒng)的加固方法存在施工困難、工期較長、抗腐蝕性差、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)展的加固技術(shù)之一，對碳纖維板材施加預(yù)應(yīng)力，可以充分利用碳纖維板材的高強(qiáng)性能，同時還可以改善碳纖維板材與混凝土接觸處的界面黏結(jié)應(yīng)力分布，進(jìn)而延緩碳纖維剝離破壞。由于碳纖維板材抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、設(shè)計方便、施工簡單高效等優(yōu)點(diǎn)，使得預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固鋼筋混凝土構(gòu)件的研究近年來在國內(nèi)外深受重視。

圖1 橋梁布置圖（單位：cm）

1 工程概況

1.1 工程簡介

某橋位于G104京福線上，橋面總寬23m，橋梁全長為109m，跨徑布置為（5×20）m，正交。橋面鋪裝為水泥砼，兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土護(hù)欄。上構(gòu)為鋼筋砼簡支T梁，下構(gòu)為重力式橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)；柱式橋墩，樁基礎(chǔ)。本橋建成于1996年6月，橋梁布置如圖1所示。

1.2 病害情況

根據(jù)檢測單位提供的檢查評定報告，以及對該橋進(jìn)行實地外觀檢查發(fā)現(xiàn)，主要病害有：（1）全橋各跨T梁跨中范圍腹板均發(fā)現(xiàn)較多豎向裂縫，T梁兩端腹板均發(fā)現(xiàn)較多斜向裂縫；全橋橫隔板普遍混凝土開裂，鋼板外露、銹蝕。（2）橋面鋪裝局部破損，全橋伸縮縫堵塞，橡膠條破損。（3）個別橋墩蓋梁露筋。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固計算分析

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固新技術(shù)與傳統(tǒng)的橋梁加固技術(shù)相比，主要有如下技術(shù)優(yōu)勢：（1）加固效果好傳統(tǒng)的加固方法屬于被動受力加固，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是變被動受力為主動受力加固，減少了加固材料的應(yīng)力滯后，較充分地利用了加固材料強(qiáng)度。另外碳纖維板材材質(zhì)較輕，基本不會增加橋梁自重，加固效果好；（2）施工方便由于碳纖維板材材質(zhì)較輕，張拉機(jī)具和錨固裝置精巧，所以不需要大型機(jī)具，幾個人操作即可完成；（3）耐久性好碳纖維板材耐腐蝕性較好，故可長期使用；（4）綜合造價低與其他加固方法相比，該技術(shù)操作簡單方便，施工工期短，用料少，可節(jié)省資金投入，且后期維護(hù)工作量小。

2.1 基本假定

（1）構(gòu)件彎曲變形符合平截面假定。

（2）受力鋼筋與混凝土之間以及碳纖維與混凝土之間沒有滑移，應(yīng)力、應(yīng)變連續(xù)。

（3）在極限狀態(tài)下，原結(jié)構(gòu)受壓區(qū)邊緣混凝土的應(yīng)變達(dá)到極限值，截面受壓區(qū)應(yīng)力可以簡化為矩形計算，混凝土取抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。

（4）橋梁加固時，考慮分階段受力，在新加材料與原結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）未有效結(jié)合前，其恒載由原結(jié)構(gòu)截面承擔(dān)，有效結(jié)合后的荷載（恒載、活載、附加載）由加固后的組合截面承擔(dān)。

（5）鋼筋被認(rèn)為是理想彈塑性材料，不考慮其強(qiáng)化部分提高的強(qiáng)度，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如公式（1）。

式中，σs為鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋彈性模量；εs為鋼筋應(yīng)變；fy為鋼筋屈服強(qiáng)度。

（6）碳纖維板在張拉階段被認(rèn)為是完全彈性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如公式（2）。

式中，σf為碳纖維板應(yīng)力；Ef為碳維板拉伸彈性模量；εf為碳纖維板應(yīng)變。

2.2 加固設(shè)計原理

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁正截面基本為矩形、T形或Ⅰ形，在加固計算時可以簡化為矩形截面計算，其加固正截面如圖2所示。

在對加固梁橋結(jié)構(gòu)抗彎承載力計算時根據(jù)梁截面形狀和中性軸的位置分2種情況考慮。

圖2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固正截面

圖3 正截面抗彎承載力計算圖示（x≤hf′）

（2）T形或Ⅰ形截面且中性軸位于截面腹板內(nèi)（x＞hf′），其正截面抗彎承載力計算圖示如圖4所示。

依據(jù)公式（1）和（2）計算：

圖4 正截面抗彎承載力計算圖示（x＞hf′）

依據(jù)公式（5）和（6）計算：

式中，γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Md為計算截面彎矩組合設(shè)計值；fpy為預(yù)應(yīng)力碳纖維板抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；Ap為碳纖維板面積；fpdi和Api分別為原梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值和截面面積；As和As′分別為原梁體內(nèi)縱向受拉和受壓普通鋼筋的截面面積；fsd為原梁體內(nèi)縱向受拉普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；fcd為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；bf′為受壓翼板的有效寬度；b為矩形截面寬度或T形截面腹板寬度；hf′為受壓翼板的厚度；h0為體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板和原梁鋼筋（普通和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋）的合力點(diǎn)到梁頂面距離。

2.3 加固后截面受壓區(qū)高度驗算

為確保加固后的混凝土梁仍為塑性破壞，以上公式中的截面受壓區(qū)高度應(yīng)滿足公式（7）。

式中，hs，hp分別為原梁中普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力作用點(diǎn)至梁頂面距離；as′為受壓區(qū)普通鋼筋的合力點(diǎn)至受壓邊緣距離；ξb為原預(yù)應(yīng)力混凝土梁的相對界限受壓區(qū)高度。

其中x由公式（8）求出。

式中，a1為系數(shù)，混凝土強(qiáng)度≤C50時取1.0；M為碳纖維板加固后截面抗彎承載力，等于加固前實測截面抗彎承載力加上預(yù)應(yīng)力碳纖維板提供的截面承載力。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)工程應(yīng)用

3.1 加固設(shè)計方案

根據(jù)以上主要病害情況，該橋的主要加固方案為：在對T梁出現(xiàn)的裂縫用裂縫修補(bǔ)膠對裂縫進(jìn)行封閉，對露筋、混凝土剝落等表層病害處理后，對第3～5跨T梁腹板底部（靠近底部的側(cè)面）粘帖預(yù)應(yīng)力碳纖維板，以提高主梁的抗彎承載力；同時對全橋T梁靠近支座端部區(qū)域粘帖U形鋼板以提高主梁的抗剪承載力；并在橫隔板側(cè)面粘帖鋼板以提高橋梁的橫向聯(lián)系，減少單梁受力，加固設(shè)計如圖5和圖6所示。

圖5 T梁加固構(gòu)造圖（單位：cm）

圖6 預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具構(gòu)造圖（單位：cm）

3.2 張拉工藝

預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固新技術(shù)操作簡單方便，不需要大型機(jī)械即可人工完成，其張拉工藝主要有以下幾個步驟。

（1）張拉前準(zhǔn)備工作，主要包括人員分工、張拉機(jī)具和錨具裝置準(zhǔn)備、碳纖維板裁剪。

（2）根據(jù)設(shè)計圖紙，將錨具、張拉機(jī)具和碳纖維板位置測量放樣。

（3）混凝土結(jié)構(gòu)表面處理，在錨固裝置和張拉機(jī)具固定位置處，根據(jù)設(shè)計要求，鑿出一定深度混凝土凹槽，保證錨具或張拉機(jī)夾具表面與橋梁混凝土表面在同一個平面上，以便安放錨固裝置和張拉機(jī)具。

（4）植筋并安裝錨具、張拉機(jī)具和碳纖維板，植筋深度應(yīng)滿足設(shè)計要求，植筋膠采用本課題組自主研發(fā)的無機(jī)植筋膠。植筋膠達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后安裝錨具裝置、張拉機(jī)具和碳纖維板，確保碳纖維板、錨具和張拉機(jī)具對中，并在碳纖維板與混凝土結(jié)合處涂一層環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，便于碳纖維板和混凝土形成一個整體。碳纖維板錨固端固定，使用扭力扳手按照設(shè)計要求根據(jù)每根螺栓的扭力大小擰緊螺栓。

（5）碳纖維板張拉采用應(yīng)力應(yīng)變雙重控制同步千斤頂張拉碳纖維板，通過油壓表控制張拉應(yīng)力，另外通過儀器觀測粘貼在碳纖維板表面的電阻應(yīng)變片的變化控制其張拉應(yīng)力。根據(jù)美國《外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工指導(dǎo)規(guī)程》，考慮碳纖維片材的徐變斷裂性能，限定了在加固設(shè)計中碳纖維片材的最大張拉應(yīng)力不超過極限強(qiáng)度的55%，在加固設(shè)計中綜合考慮了張拉可能存在小偏心等因素導(dǎo)致碳纖維板材強(qiáng)度沒有完全發(fā)揮的情況，取張拉控制應(yīng)力為1 000MPa，為實測碳纖維板極限抗拉強(qiáng)度的45%。碳纖維板采用分級加載，每級加載力為張拉控制應(yīng)力的10%。當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變測量結(jié)果不一致時，以應(yīng)力測量結(jié)果為準(zhǔn)，但測得的應(yīng)變不應(yīng)超過初始應(yīng)變的15%。

（6）張拉端碳纖維板固定，使用扭力扳手按照設(shè)計要求根據(jù)每根螺栓的扭力大小擰緊螺栓（由于碳纖維板抗剪強(qiáng)度低，容易被壓斷，所以對錨具的設(shè)計要求比較高，尤其是錨具齒紋和螺栓扭力的設(shè)計）。千斤頂卸載取下，然后卸掉張拉機(jī)具，并對張拉端碳纖維板進(jìn)行修剪。

（7）在碳纖維板表面粘貼光纖光柵傳感器，以便后期對碳纖維板的長期徐變進(jìn)行試驗觀測。

（8）在碳纖維板表面每隔1m安裝1個角鋼壓條，然后在碳纖維板表面涂抹復(fù)合砂漿以便保護(hù)碳纖維板免受外界因素破壞，之后在碳纖維板兩端錨具處填抹復(fù)合砂漿，防止錨具銹蝕。

3.3 碳纖維板加固前后對比

（1）計算結(jié)論

本橋使用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固完后，對其跨中截面增加的抗彎承載力及安全系數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表1所示，從表1可看出加固后的橋梁安全系數(shù)＞1；加固后截面受壓區(qū)高度經(jīng)過驗算，滿足本文公式（5）的要求。

表1 計算結(jié)果對比

（2）荷載試驗結(jié)論

加固設(shè)計前荷載試驗的主要測點(diǎn)撓度校驗系數(shù)在0.73～1.00之間，撓度對殘余變形范圍在18.9%～38.2%之間，而主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗系數(shù)在0.64～1.15之間，表明結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)剛度不滿足設(shè)計要求，其受力性能和正常使用承載能力不滿足原設(shè)計荷載要求。

加固設(shè)計后荷載試驗的主要測點(diǎn)撓度校驗系數(shù)在0.73～0.85之間，撓度對殘余變形范圍在6.9%～11.4%之間，而主要測點(diǎn)應(yīng)變校驗系數(shù)在0.64～0.91之間，表明結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求，其受力性能和正常使用承載能力滿足原設(shè)計荷載要求。

4 預(yù)應(yīng)力觀測分析

在長期荷載作用下，碳纖維板材的徐變會引起預(yù)應(yīng)力損失，對加固的長期效果產(chǎn)生一定的影響，所以橋梁加固完以后，非常有必要對其預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行長期觀測。因此，本項目做了如下試驗方案：選取代表性的碳纖維板（T梁跨中底板兩側(cè)碳纖維板、跨中兩側(cè)腹板碳纖維板和1/4截面底板兩側(cè)碳纖維板作為觀測對象，每塊碳纖維板上粘貼一片光纖光柵傳感器共6組觀測對象，對應(yīng)的編號分別為①～⑥），由此觀測碳纖維板在長期荷載作用下的徐變，求出其預(yù)應(yīng)力損失大小。

碳纖維板在張拉至控制應(yīng)力釋放后開始2個月內(nèi)有少量的應(yīng)變變化，應(yīng)變曲線呈上升趨勢，之后的1個月內(nèi)應(yīng)變變化較小，應(yīng)變曲線趨于緩和。從表2可看出，1號碳纖維板應(yīng)變最大為21.55，在前2個月，應(yīng)變量達(dá)到20.45，后1個月增長速度非常慢，不到1，可見這時碳纖維板徐變已經(jīng)趨于穩(wěn)定，初始應(yīng)變的預(yù)應(yīng)力損失為0.37%。這里預(yù)應(yīng)力損失包括碳纖維板徐變及錨具滑移。根據(jù)以上測量，說明使用的錨具松動滑移量很小。錨具能較好地防止碳纖維板由于錨具滑移引起的預(yù)應(yīng)力損失。從另一方面可看出，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)不是依靠常溫固化有機(jī)膠將碳纖維板粘接于被加固構(gòu)件上，而是靠錨具將碳纖維板錨固于被加固構(gòu)件上。這樣大大減少了常溫固化有機(jī)膠老化而引起的耐久性問題。

表2 碳纖維板徐變觀測值

5 結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固新技術(shù)操作簡單，工期較短，經(jīng)濟(jì)效益明顯，加固效果好，其在舊橋加固上的成功應(yīng)用說明該種加固方法很值得在國內(nèi)同類工程項目上的推廣應(yīng)用。橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性是近年來我國工程界越來越重視的問題。室內(nèi)按照“高溫固化”工藝生產(chǎn)的碳纖維板耐高溫性能較好，一般軟化溫度高達(dá)110℃以上。而室外常溫固化的環(huán)氧樹脂在環(huán)境溫度達(dá)50℃開始軟化，抗紫外線老化性能更差。湖南大學(xué)發(fā)明的這一套錨具具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)∶它不依賴室外常溫固化膠（有機(jī)膠）將碳纖維板膠貼于混凝土構(gòu)件表面受力，而是依靠優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)錨具將碳纖維板錨固于混凝土構(gòu)件表面受力，使得用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的梁橋具有較好的耐久性。

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