預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土組合箱梁施工技術(shù)

龍興燦，周傳林

預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土組合箱梁施工技術(shù)

龍興燦，周傳林

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋與港航工程學(xué)院，江蘇南京 211188)

為了加固橋梁上部承重構(gòu)件，改善橋梁承載能力，利用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固法，對(duì)汾灌高速新沭河大橋進(jìn)行CFRP板加固設(shè)計(jì)，對(duì)施工工藝流程進(jìn)行分析，并對(duì)施工準(zhǔn)備、錨具安裝、加固部位涂刷底膠、張拉與粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板的具體方法以及表面防護(hù)等作出詳細(xì)說(shuō)明，以期為類(lèi)似加固工程設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。

預(yù)應(yīng)力CFRP板;加固;設(shè)計(jì);施工

0 引言

傳統(tǒng)的橋梁上部結(jié)構(gòu)加固方法有增大構(gòu)件截面法、粘貼鋼板或碳纖維法、體外預(yù)應(yīng)力法、改變結(jié)構(gòu)體系法等，但這些方法都或多或少存在一些不足之處。對(duì)于既有結(jié)構(gòu)的加固，應(yīng)選取具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、施工方便快捷、耐腐蝕性和耐久性好等特點(diǎn)的材料［1-5］。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法是近幾年新興的一種結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它結(jié)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)，通過(guò)對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力后粘貼到需加固構(gòu)件的受拉面上，使其與加固構(gòu)件共同受力，增加了結(jié)構(gòu)的承載能力，減小了結(jié)構(gòu)的變形，提高了構(gòu)件的剛度，改善了構(gòu)件的受力性能。碳纖維材料具備輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、施工便利以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，因此與傳統(tǒng)加固方式相比有很大的優(yōu)勢(shì)［6-9］。

本文以汾灌高速新沐河大橋CFRP板加固為例，介紹預(yù)應(yīng)力CFRP板加固設(shè)計(jì)方案，闡述錨具安裝、張拉與粘貼CFRP板等施工工藝，為橋梁預(yù)應(yīng)力CFRP板加固施工提供借鑒。

1 工程概況

新沭河大橋位于汾灌高速公路，上部結(jié)構(gòu)為8 m×6 m×35 m裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，原設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120，于2004年建成通車(chē)。

新沭河大橋自通車(chē)以來(lái)，隨著交通量、載重的增大，橋梁部分構(gòu)件出現(xiàn)破損、缺損、裂縫等現(xiàn)象。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn):各跨主梁均存在腹板豎向裂縫，有個(gè)別貫穿梁底的橫向裂縫，裂縫寬度為0.10 mm左右，主要分布在2L/5～3L/5(L為主梁長(zhǎng)度);1片梁?jiǎn)蝹?cè)腹板一般有1～2條裂縫，最多4條，多片梁在同一位置都存在豎向裂縫;往年封閉裂縫之后，在其附近位置又出現(xiàn)此類(lèi)裂縫。為防止病害蔓延而影響橋梁使用性能，最終采用組合箱梁底板預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固。

2 預(yù)應(yīng)力CFRP板加固設(shè)計(jì)

綜合考慮汾灌高速公路荷載情況，要求加固后新沭河大橋箱梁跨中的預(yù)應(yīng)力增量達(dá)到公路-Ⅰ級(jí)的10%。經(jīng)方案比選認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力CFRP板對(duì)外觀影響小，防腐性能好，對(duì)梁體損害小，工藝簡(jiǎn)單，且造價(jià)相對(duì)較低，因此決定采用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁體，主要加固設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 CFRP板加固設(shè)計(jì)

(1)CFRP板布設(shè)。順橋向在組合箱梁底板張拉2條單層CFRP板，采用上海悍馬CFRP板，設(shè)計(jì)厚度為3.0 mm，寬度為50 mm?？估瓘?qiáng)度f(wàn)pk不小于2 400 MPa，彈性模量E不小于160 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率不小于1.7%，極限承載力為420 kN，張拉控制應(yīng)力為0.53fpk=1 277 MPa，張拉力為191.6 kN。CFRP板材料安全性能指標(biāo)符合《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T J22—2008)中板材高強(qiáng)度Ⅰ級(jí)的規(guī)定。

(2)錨固系統(tǒng)選擇。設(shè)計(jì)采用楔形平板錨具，綜合考慮機(jī)械自鎖、方便現(xiàn)場(chǎng)下料、錨固性能及加固效果等因素，選擇剛性自鎖式錨固系統(tǒng)，其端頭楔形片與CFRP板可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，但需在混凝土表面開(kāi)槽。

剛性自鎖式預(yù)應(yīng)力CFRP板錨固系統(tǒng)可以安全地錨固張拉應(yīng)力為1 500 MPa(CFRP板的抗拉強(qiáng)度不小于2 400 MPa，張拉控制應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的0.53倍)的3.0～50 mm CFRP板。系統(tǒng)疲勞壽命為800萬(wàn)次，3.0～50 mm碳板極限張拉試驗(yàn)的破壞荷載為168 kN。

(3)錨栓連接。預(yù)應(yīng)力CFRP板通過(guò)固定端和張拉端鋼構(gòu)件與組合箱梁底面連接，固定端和張拉端鋼構(gòu)件與混凝土梁采用高強(qiáng)螺栓連接，螺栓采用fisher品牌的RGM16×270 8．8級(jí)鍍鋅鋼螺栓，錨固深度為95 mm，注射膠采用RSB 16 mini。設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)錨栓的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，設(shè)計(jì)剪力不得大于錨栓材料抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.6倍。對(duì)錨固端和張拉端混凝土局部應(yīng)力進(jìn)行分析，確?；炷敛粫?huì)開(kāi)裂。

(4)在組合箱梁腹板一定高度順橋向粘貼鋼板，鋼板為Q235鋼，厚5 mm，寬200 mm。施工完畢后，在CFRP板外表面涂抹涂料作為防護(hù)。

3 施工工法

3．1 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力CFRP板加固組合箱梁的主要施工工藝為:順橋向在組合箱梁底板通過(guò)液壓千斤頂張拉2條單層CFRP板，預(yù)應(yīng)力CFRP板通過(guò)固定端和張拉端的錨固塊與組合箱梁底面連接，并在CFRP板與梁底接觸面用膠粘結(jié)［10-12］。錨固塊為Q235鋼，鋼構(gòu)件表面采用整體鍍鋅防銹處理;固定端和張拉端錨固塊與梁體采用M16高強(qiáng)錨栓連接。錨固位置位于梁端約L/6處。施工完畢后，在CFRP板外表面涂抹涂料作為防護(hù)。施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土組合箱梁施工工藝流程

3．2 施工準(zhǔn)備

施工前應(yīng)對(duì)加固橋梁粘貼部位混凝土表層的含水率及所處環(huán)境溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，確保適宜的施工條件(混凝土表層含水率不大于4%、環(huán)境溫度在5℃～40℃之間，若環(huán)境條件不能滿(mǎn)足施工要求，則應(yīng)采取相應(yīng)措施，達(dá)到要求后方可施工)。施工前應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)跇蛄旱募庸滩课环啪€(xiàn)并精確定位，確保錨固端與張拉端處于同一直線(xiàn)上［13］。

3．2．1 加固部位表面處理

(1)檢測(cè)被加固橋梁混凝土表面性能，清除構(gòu)件表面疏松部分，直至露出混凝土結(jié)構(gòu)層。如果有裂縫，應(yīng)先對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。用符合要求的修補(bǔ)材料對(duì)混凝土表層進(jìn)行修復(fù)平整，并確?；炷帘Ｗo(hù)層厚度不小于20 mm［14-15］。

(2)若粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板部位的混凝土表面堅(jiān)實(shí)，則去除浮漿層和油污等雜質(zhì)，并進(jìn)行打磨平整，直至露出集料新面，如有段差或轉(zhuǎn)角，需要在修整成光滑曲面的同時(shí)兼顧平整度［16］。表面打磨后，先采用強(qiáng)力吹風(fēng)機(jī)將表面粉塵清除，再采用清洗劑(丙酮)徹底清洗［17］。

3．2．2 預(yù)置錨栓

(1)按照設(shè)計(jì)圖紙大致確定錨具孔位，用鋼筋探測(cè)儀探出鋼筋位置，如果錨具孔位與鋼筋沖突，根據(jù)剛性自鎖式預(yù)應(yīng)力CFRP板錨固系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)下料的特點(diǎn)，縱向整體微調(diào)鉆孔位置，然后再進(jìn)行鉆孔。

(2)當(dāng)預(yù)應(yīng)力CFRP板的長(zhǎng)度大于5 m時(shí)，每隔5 m布置限位卡板的植筋孔。

(3)清孔后使用植筋膠植入高強(qiáng)不銹鋼螺栓。

3．3 安裝錨具

錨具分為張拉端錨具和固定端錨具，材質(zhì)為不銹鋼，其所能承受的錨固能力為預(yù)應(yīng)力CFRP板設(shè)計(jì)抗拉值的1．5倍以上。

(1)在梁體錨固端、張拉端錨具位置進(jìn)行刻槽，使錨固塊嵌入混凝土一定的深度?？滩凵疃葢?yīng)保證錨固塊楔形孔道上緣恰好略高于梁底表面，并保證剩余鋼筋保護(hù)層厚度不小于15 mm。錨具安裝見(jiàn)圖3、4。

圖3 張拉端錨具安裝平面

圖4 錨固端錨具安裝立面

(2)開(kāi)槽面宜采用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行整平處理，錨固塊上表面與開(kāi)槽面之間應(yīng)涂黃油加以潤(rùn)滑。

(3)待植筋膠固化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，用螺母將錨具固定在預(yù)先植入的高強(qiáng)不銹鋼螺栓上。

3．4 加固部位涂刷底膠

在粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板的混凝土表面涂刷底膠。底膠應(yīng)用滾筒刷或特制的刷子均勻涂布于充分清理后的混凝土表面，涂刷層要避免出現(xiàn)氣泡，調(diào)好的底膠應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)用完。當(dāng)指觸干燥后方可進(jìn)入下一工序［18-20］。

3．5 張拉與粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板

3．5．1 安裝 CFRP 板

(1)按現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后的尺寸要求裁剪CFRP板。

(2)將CFRP板要粘貼的一面用丙酮(酒精)擦拭干凈，同時(shí)用干凈的布條將楔形孔道及楔形鋼夾片清理干凈。

(3)CFRP板穿過(guò)錨固塊楔形孔道，露出約3 cm，裝上錨固塊的上、下楔形鋼夾片，楔形鋼夾片與楔形孔道接觸面需采用黃油進(jìn)行潤(rùn)滑。然后用錘子對(duì)錨固塊的上、下楔形鋼夾片來(lái)回敲擊，直至嵌入錨固體，露出長(zhǎng)度不超過(guò)0．5 cm，完成對(duì)CFRP板錨固塊內(nèi)的固定。最終固定狀態(tài)應(yīng)保證上、下楔形鋼夾片嚴(yán)格齊平，楔形鋼夾片與CFRP板位于楔形孔道居中位置。用同樣的方法將CFRP板的另一端固定于張拉端錨固塊內(nèi)。

(4)用套筒將張拉螺桿與連接螺桿連接，并安裝反力鋼板。在反力鋼板與錨固塊之間放入千斤頂和壓力傳感器。

(5)根據(jù)需要可在CFRP板上安裝應(yīng)變傳感器測(cè)量張拉過(guò)程中CFRP板的應(yīng)變變化，傳感器的量程需滿(mǎn)足最大應(yīng)變值的要求。

3．5．2 試張拉與涂膠

(1)進(jìn)行試張拉以檢查CFRP板和錨固系統(tǒng)的工作狀況，同時(shí)可減小夾片與CFRP板之間的間隙和放張預(yù)應(yīng)力損失。采用分級(jí)張拉的方法對(duì)CFRP板施加預(yù)應(yīng)力，張拉順序依次為:張拉力的10%、張拉力的20%、張拉力的50%、張拉力的75%、張拉力的100%，持荷5 min。

張拉過(guò)程中張拉力以壓力傳感器讀數(shù)為準(zhǔn)，測(cè)量各級(jí)張拉對(duì)應(yīng)的CFRP板伸長(zhǎng)量和應(yīng)變，并檢查錨固系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。錨固系統(tǒng)如無(wú)異常，則逐步釋放千斤頂，完成試張拉［21］。

(2)在CFRP板上表面均勻涂刷一層調(diào)配好的黏結(jié)膠，膠層中間厚兩邊薄，平均厚度為2.5～3 mm。

3．5．3 正式張拉

(1)張拉順序依次為:張拉力的10%、張拉力的20%、張拉力的50%、張拉力的75%、張拉力的100%、張拉力的105%，持荷5 min錨固，張拉如圖5所示。

圖5 張拉

(2)每級(jí)張拉結(jié)束后應(yīng)停留2 min，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到張拉力的105%后，應(yīng)持荷5 min，穩(wěn)定后將張拉桿螺母擰緊(擰緊程度與預(yù)應(yīng)力放張的短期損失密切相關(guān))，測(cè)量各級(jí)張拉對(duì)應(yīng)的CFRP板伸長(zhǎng)量、應(yīng)變及混凝土應(yīng)變，并檢查錨固系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。

(3)如錨固系統(tǒng)無(wú)異常，則可將千斤頂緩慢回缸，卸載后移走千斤頂。放張時(shí)瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失不得超過(guò)2%。在張拉過(guò)程中，嚴(yán)禁在張拉端的前端站人，確保施工安全。

(4)在CFRP板張拉的過(guò)程中，要對(duì)CFRP板的張拉力和伸長(zhǎng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保安裝完成后CFRP板張力達(dá)到設(shè)計(jì)值。

3．6 表面防護(hù)

(1)安裝限位卡板，清除兩側(cè)邊溢出的黏結(jié)膠。CFRP板與混凝土之間如果存在脫空和空洞，用調(diào)配好的黏結(jié)膠對(duì)脫空和空洞的部分補(bǔ)充涂膠。

(2)預(yù)應(yīng)力CFRP板與混凝土表面的黏結(jié)層厚度不宜大于2．0 mm。張拉、粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板及安裝限位卡板應(yīng)在黏結(jié)膠初凝之前完成。

(3)黏結(jié)膠初凝后，在CFRP板的表面涂抹一層紫外線(xiàn)防護(hù)膠黏劑對(duì)CFRP板進(jìn)行防護(hù)，厚度不宜大于5 mm，保證防護(hù)材料與CFRP板之間黏結(jié)可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)汾灌高速公路新沭河大橋組合箱梁的預(yù)應(yīng)力CFRP板加固設(shè)計(jì)是在箱梁底面順橋向布置2條預(yù)應(yīng)力CFRP板，選用剛性自鎖式錨固系統(tǒng)，用高強(qiáng)錨栓進(jìn)行連接。

(2)預(yù)應(yīng)力CFRP板的施工工藝流程依次為:放樣、加固部位表面處理、鉆孔植筋、安裝錨固塊、加固部位涂刷底膠、張拉和粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板、錨固CFRP板、表面防護(hù)。

(3)在自錨式錨具安裝完畢后，先進(jìn)行試張拉，然后正式張拉，張拉順序應(yīng)按要求進(jìn)行，正式張拉時(shí)應(yīng)控制張拉力與伸長(zhǎng)量。

該橋的預(yù)應(yīng)力CFRP板加固設(shè)計(jì)與施工方法可為類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

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Construction Technology of Concrete Composite Box Girders Strengthened with Prestressed CFRP Sheets

LONG Xing-can，ZHOU Chuan-lin
(School of Road，Bridge and Harbour Engineering，Nanjing Vocational Institute of Transport Technology，Nanjing 211188，Jiangsu，China)

In order to reinforce the upper supporting member of the bridge and improve the bearing capacity of the bridge，the method of reinforcement with prestressed CFRP sheets was carried out on the new Shuhe river bridge of the Fenguan expressway．Analysis of the construction process was conducted，and preparations for the construction，installation of the anchorage，applying primer to the reinforced parts，specific method of stretching and pasting prestressed CFRP sheets and surface protection were expounded so as to provide reference for similar reinforcement design and construction．

prestressed CFRP sheet;reinforcement;design;construction

U445．4

B

1000-033X(2017)10-0094-04

2017-03-01

江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(2014T15-2)

龍興燦(1972-)，男，貴州錦屏人，副教授，研究方向?yàn)闃蛄簷z測(cè)、評(píng)定、養(yǎng)護(hù)與加固。

［責(zé)任編輯:高 甜］