論預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固中的應(yīng)用

1 前言

我國橋梁逐漸從建設(shè)期進入建設(shè)與養(yǎng)護并重的時期，由于日益加大的交通量以及車輛超載等問題，導(dǎo)致僅公路系統(tǒng)里就有近30%的舊橋是因病害需要進行加固。其中，數(shù)量龐大的中小跨徑連續(xù)梁橋逐漸面臨梁體承載力和剛度不足等問題，因此加固橋梁延長其使用壽命是橋梁新建的必要階段。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是將預(yù)應(yīng)力技術(shù)與碳纖維板有效結(jié)合的主動加固技術(shù)，材料的高強度、耐腐蝕、低蠕變等優(yōu)異性能以及其自身能夠閉合裂縫、提高剛度等主動加固的優(yōu)點，克服了粘貼碳纖維片材法等被動加固法不容易控制施工質(zhì)量、不能減少變形以及封閉裂縫的缺點，從而提高了被加固結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，且有較好的抗彎加固性能，適用于預(yù)應(yīng)力的施加及加固后維護和保養(yǎng)[1]。隨著制造和技術(shù)水平的提高，碳纖維制品成本降低，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)逐漸受到加固行業(yè)的青睞，成為橋梁加固的熱點技術(shù)。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)要點

2.1 碳纖維板材選擇

碳纖維板材的選擇是技術(shù)的關(guān)鍵所在。結(jié)合其材料特性和力學(xué)性能選取對橋梁加固性能最好的板材進行施工，碳纖維板自身特點就是質(zhì)量輕、強度高。目前市面上的碳纖維板材分為兩種型號，以卡本公司的T級、B級碳纖維板為例，常規(guī)尺寸可分為：寬度50mm、100mm 兩種，厚度12mm、14mm 兩種。即四種規(guī)格，分別為：50mm×12mm、50mm×14mm、100mm×12mm、100mm×14mm[2]。在實際施工板材的選取上要根據(jù)具體情況下碳纖維板材所需要的張拉力和生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)意見來確定。

2.2 碳纖維板張拉方法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉施加的方法是整個運用這項技術(shù)加固能否達到效果的關(guān)鍵所在。目前預(yù)應(yīng)力施加方式可以分為三種，分別是反拱法、先張法和后張法。

2.2.1 反拱法

反拱法在實施中的基本理論是用千斤頂給混凝土舊橋梁體施加反拱力，從而使混凝土梁體向上反拱，然后用CFRP 貼于混凝土梁體上，待粘貼強度達到標準后對外部荷載進行卸載，在整個卸載過程中要對CERP 施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力[3]。在當(dāng)下的施工工藝中，這種直接采用粘貼的辦法在二次預(yù)應(yīng)力受力中還是有一定效果的。但是由于反拱法的經(jīng)濟性和對施工環(huán)境的苛刻性，使其必須使用大噸位的千斤頂才能實現(xiàn)混凝土梁體的起重；混凝土預(yù)應(yīng)力梁體的自身恒荷載較大且對預(yù)應(yīng)力混凝土梁體獲得的二次預(yù)應(yīng)力較小，施工過程不易控制，施加的預(yù)應(yīng)力大小不好把控，因此該方法在實際施工中應(yīng)用較少。

2.2.2 先張法

在碳纖維板加固橋梁中先將橋梁底板進行一定程序的處理，接著利用外界設(shè)定的張拉設(shè)備，使板材張拉到之前設(shè)定好的應(yīng)力水準，然后在橋底等位置涂上所需的粘黏劑，使得板材和梁底部分保持充分結(jié)合接觸[4]。在外部壓力的作用下實現(xiàn)高度粘合，后續(xù)再對端部的板材進行剪斷處理，并給予相關(guān)構(gòu)件一定的預(yù)應(yīng)力。

2.2.3 后張法

在使用后張法加固施工中，碳纖維板材施加預(yù)應(yīng)力必須要使用完整的錨具對其進行后張法施工，且錨具永久作用于后張法梁體上，并使預(yù)應(yīng)力與梁體整體受力，形成永久共同受力的加固構(gòu)件，從而實現(xiàn)后張法的應(yīng)用。

2.3 粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系的應(yīng)用范圍

近年隨著技術(shù)的發(fā)展，混凝土預(yù)應(yīng)力梁體體外預(yù)應(yīng)力加固的方式可分為兩種，分別為無粘結(jié)體法和有粘結(jié)體法，這也是當(dāng)前使用碳纖維板加固橋梁常用的首選辦法[5]。無粘結(jié)體法是將預(yù)應(yīng)力碳纖維板固定于混凝土梁體內(nèi)部，在混凝土梁體達到一定強度后，對其施加張拉力。運用這種技術(shù)，后續(xù)最大的核心技術(shù)為：碳纖維板的支撐保護問題和加固位置的穩(wěn)定粘結(jié)性問題。因此，這種施工工藝在中小型的鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力T梁加固處理中應(yīng)用廣泛。對于有粘結(jié)體法而言，后張法必須使用鋼絞線或精軋螺紋鋼等施加預(yù)應(yīng)力，且張拉完必須應(yīng)用滿足抗拉強度的壓漿料進行注漿，從而實現(xiàn)梁體和鋼絞線張拉力的整體受力。這種有粘結(jié)體的加固方式效果穩(wěn)定，是常用的加固技術(shù)；一般適合運用在中小型鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力T梁或者預(yù)應(yīng)力小箱梁和空心板中。因此，本文的依托工程也選取的是有粘結(jié)體預(yù)應(yīng)力加固法。

2.4 張拉控制應(yīng)力

使用預(yù)應(yīng)力碳纖維板對鋼筋混凝土梁體進行加固，能夠有效控制構(gòu)件變形，增強梁體的應(yīng)力體系，提高梁體的整體性和橫向作用力，顯著減小梁體的撓度變形，阻止梁體裂縫擴張。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)，主要的研究方向為張拉力的施加工藝方式和張拉力是否可控。對于這種張拉預(yù)應(yīng)力板材，張拉控制應(yīng)力的取值大小直接影響梁體加固技術(shù)的效果。如果給碳纖維板材施加的控制應(yīng)力偏小，碳纖維板材就不能全性能的投入工作，也無法發(fā)揮力學(xué)性能，其梁體加固效果也就達不到要求，從而導(dǎo)致整個加固過程的失敗；如果碳纖維板材的控制應(yīng)力取值偏大，梁體在荷載發(fā)生變形時則無法保證其碳纖維板有一定的變形區(qū)間，進而使得碳纖維板材極易發(fā)生斷裂問題。因此，施工人員必須精準計算碳纖維板材控制應(yīng)力的范圍，使碳纖維板材的力學(xué)性能控制在一個合理的區(qū)間范圍，避免因控制應(yīng)力的取值問題造成加固措施失敗，進而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟和安全問題。

2.5 錨固方式

對于預(yù)應(yīng)力碳纖維板材后張法加固技術(shù)來說，其采用的錨固方式是整個加固是否成功的關(guān)鍵所在。目前的錨固系統(tǒng)質(zhì)量對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)有很大影響，合理有效的錨固系統(tǒng)可以更好地體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維的力學(xué)性能，從而使加固效果更加顯著。目前施工技術(shù)所采用的錨固方式有開槽式和非開槽式兩種。開槽式錨固方式是在混凝土梁體地板下方鑿除一層混凝土，一般梁體開槽深度為20mm 作業(yè)，以此對碳纖維板所安置的部位進行處理；但是混凝土梁體的底板保護層厚度一般為30～50mm厚，所以鑿除20mm混凝土?xí)ΡＷo層造成一定程度的破壞，使得部分底板鋼筋裸露，從而破壞梁體的耐久性。非開槽式錨固方式最大的優(yōu)勢是不需要對混凝土梁體造成破壞，也不需要開鑿梁體地板，施工工藝簡潔，施工過程更好控制，效果也更佳。因此這種方式在應(yīng)用中更為廣泛。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板在橋梁加固中的應(yīng)用

3.1 工程概況

本文以30m 鋼筋混凝土小箱梁橋為例，其橋梁中心樁號為K0+410，橋梁全長127m，4跨，單孔5片箱梁，箱梁中板頂寬2.4m，邊板頂寬2.85m，濕接縫寬0.9m，橋梁全寬16.5m，凈寬15.5m，混凝土防撞墻寬0.5m，以此對橋梁進行加固施工。橋面為10cm 瀝青混凝土加10cmC50 水泥混凝土鋪裝，上部結(jié)構(gòu)為30m×4 連續(xù)小箱梁，橋面連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩柱，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)加橋臺為承臺式。該橋修建于2000年，且已通車20年，近年來出現(xiàn)的病害有箱梁底板縱向裂縫貫通、橋面鋪裝坑槽、縱向裂縫等病害。

3.2 加固方案

3.2.1 確定預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置方案

此橋梁為30m跨徑混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁每一片梁體地板寬度1m，橋梁每一孔橫向由5片箱梁組成。

3.2.1.1 縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置。每條預(yù)應(yīng)力碳纖維板長29m，碳纖維板規(guī)格采用2×50mm，規(guī)格選取根據(jù)張拉控制應(yīng)力的值而設(shè)定。

3.2.1.2 橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置。目前該橋已出現(xiàn)了濕接縫處縱向通縫病害，為了增加箱梁的整體性，在箱梁板底中橫梁處又增加了兩道預(yù)應(yīng)力碳纖維板，規(guī)格如縱向碳纖維板相同2mm×50mm，碳纖維板長為15.5m。對于30m×4的混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，在箱梁底板加上預(yù)應(yīng)力碳纖維板進行加固，使得受損的梁體二次受預(yù)應(yīng)力，梁體中的鋼筋和鋼絞線能夠滿足極限荷載下的承載力。對于加固后的整個梁體而言，加固前梁體內(nèi)的鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線以及加固的預(yù)應(yīng)力碳纖維板，三者充分結(jié)合在一起，可以形成整體作用力，在提高控制裂縫問題和結(jié)構(gòu)破壞前的延展性方面有了很大提升。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)，在橋梁加固中因其材料自身力學(xué)性能好、高度高、良好的耐腐蝕性、施工工藝較簡易，目前被廣泛使用于同類型工程施工中。本文通過對預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)要點分析，為此技術(shù)提供了工程實際性應(yīng)用案例。