預(yù)應(yīng)力CFRP板在裝配式小箱梁橋加固中的應(yīng)用*

陳金州，李 謙，宋 林

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

裝配式小箱梁構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷、應(yīng)用廣泛，但普遍存在嚴(yán)重病害和安全隱患，因此對(duì)該類結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行加固改造已刻不容緩。傳統(tǒng)加固法主要有粘貼鋼板法、粘貼纖維復(fù)合材料法和體外預(yù)應(yīng)力法等[1]，其中，粘貼碳纖維增強(qiáng)板(carbon fiber reinforced plate，CFRP)具有明顯優(yōu)越性,在國內(nèi)外橋梁加固中應(yīng)用廣泛，設(shè)計(jì)理論已較成熟[1-2]；但受限于預(yù)應(yīng)力CFRP板材的計(jì)算理論和施工工藝，有關(guān)預(yù)應(yīng)力CFRP板材加固混凝土梁的試驗(yàn)和理論研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室模型階段，針對(duì)實(shí)橋的研究相對(duì)較少[3]。

本文依托巖盤溝大橋加固工程，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力CFRP板材帶載主動(dòng)加固設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，并總結(jié)基于裝配式錨固裝置的快速施工工藝。

1 工程概況

巖盤溝大橋位于宜昌市秭歸縣境內(nèi)，橋跨布置為(43+40+40)m，采用裝配式正交預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)。橋面寬10.5m，上部結(jié)構(gòu)橫向布置3片梁，預(yù)制梁高2.0m；橋面鋪裝原設(shè)計(jì)采用的13cm厚C50防水混凝土出現(xiàn)局部破壞，2014年調(diào)整為5cm厚瀝青混凝土+防水層+10cm厚C50防水混凝土。2015年，經(jīng)荷載試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)定，其橋跨結(jié)構(gòu)不滿足公路-Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)荷載下的承載能力要求。因此，需對(duì)本橋進(jìn)行加固改造。

為提高主梁承載能力，采用主動(dòng)加固設(shè)計(jì)方案：橋梁結(jié)構(gòu)自重及其他早期恒荷載由原結(jié)構(gòu)承擔(dān)，橋面鋪裝重新改造增加的恒荷載和使用階段的活荷載由加固后的組合截面承擔(dān)[2]。橋址鄰近三峽大壩旅游景區(qū)，處于交通要塞，缺乏轉(zhuǎn)換或替代交通道路，須在減小交通影響的情況下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、帶載加固。

2 加固設(shè)計(jì)

為更好地推動(dòng)CFRP材料在橋梁工程中的應(yīng)用，研發(fā)預(yù)應(yīng)力CFRP板材加固技術(shù)。通過錨栓將錨固裝置固定在待加固梁上，并對(duì)CFRP板施加預(yù)應(yīng)力；該預(yù)應(yīng)力經(jīng)錨固裝置傳遞給主梁后，主梁與CFRP板材形成新的內(nèi)力自平衡狀態(tài)；在受拉區(qū)采用黏結(jié)劑加強(qiáng)CFRP板與主梁的共同受力，從而提高主梁承載能力。該技術(shù)同時(shí)具有普通粘貼CFRP布加固法和體外預(yù)應(yīng)力加固法的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 預(yù)應(yīng)力CFRP板材與錨固裝置

相同張拉控制應(yīng)力下，10cm寬CFRP板材的張拉力為5cm寬的2倍，即提供的預(yù)應(yīng)力達(dá)到雙倍效果；對(duì)于底板相對(duì)較寬的混凝土箱梁，采用10cm寬CFRP板材及其配套的錨固裝置，布局更經(jīng)濟(jì)、美觀，施工更快捷。

2.2 預(yù)應(yīng)力CFRP板材張拉控制應(yīng)力

目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)CFRP板材張拉控制應(yīng)力做出明確規(guī)定。由CFRP板材型號(hào)分類和材料特性可知，Ⅰ級(jí)CFRP板材的延伸率一般≥0.017[4]，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)[5]，允許拉應(yīng)變[εcf]≤0.017×2/3=0.011，且應(yīng)同時(shí)滿足[εcf]≤0.01，所以取[εcf]=0.01[6]，經(jīng)計(jì)算得到允許張拉控制應(yīng)力為1 650MPa，故張拉控制應(yīng)力取0.65倍極限張拉應(yīng)力較保守、安全和合理。

2.3 預(yù)應(yīng)力CFRP板材有效預(yù)應(yīng)力

CFRP板材作為體外預(yù)應(yīng)力筋使用尚處于探索階段，其材料屬性、錨具及預(yù)應(yīng)力損失與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋不同[1]。對(duì)運(yùn)營5年以上的巖盤溝大橋進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)時(shí)，可忽略由混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。初始張拉應(yīng)力小于50%CFRP板材抗拉強(qiáng)度時(shí)，松弛對(duì)其產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失可忽略不計(jì)。由張拉體外CFRP板材引起的混凝土壓縮會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生損失。因此，預(yù)應(yīng)力損失主要為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失和CFRP板材的錨固回縮。

2.4 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)利用樹脂類材料在小箱梁底板縱向粘貼2條高強(qiáng)度 Ⅰ 級(jí)預(yù)應(yīng)力CFRP板，尺寸為100mm×2mm，同步張拉，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過與混凝土主梁協(xié)同工作對(duì)構(gòu)件起加固作用，改善結(jié)構(gòu)受力性能[2]。

2)受限于錨固裝置與混凝土主梁的局部應(yīng)力控制，10cm寬預(yù)應(yīng)力CFRP板材的單條張拉控制應(yīng)力取1 395MPa，即161kN。張拉控制應(yīng)變?yōu)?.5%，張拉采用應(yīng)力和應(yīng)變雙控，且偏差應(yīng)≤6%。為防止CFRP板發(fā)生剝離破壞，錨固區(qū)采用多螺栓齒鎖錨固設(shè)計(jì)。

3)預(yù)應(yīng)力CFRP錨具及支座構(gòu)造如圖1所示。CFRP板現(xiàn)場(chǎng)下料、夾持、張拉等工序可在短時(shí)間內(nèi)完成，且可避免大型施工機(jī)械設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，實(shí)現(xiàn)快速施工。

圖1 預(yù)應(yīng)力CFRP錨具及支座構(gòu)造

3 有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果

為獲取橋梁的真實(shí)工作性能，加固前、后均對(duì)巖盤溝大橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，對(duì)比分析加固前、后主梁關(guān)鍵截面在荷載作用下的反應(yīng)，評(píng)估橋梁加固效果，確定橋梁加固后的實(shí)際承載能力和使用性能[3]，并結(jié)合理論計(jì)算值評(píng)價(jià)CFRP板材加固效果，確定理論分析精準(zhǔn)度。

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil軟件，使用梁格法建立全橋分析有限元模型，共劃分371個(gè)結(jié)點(diǎn)，235個(gè)梁?jiǎn)卧?56個(gè)虛擬梁?jiǎn)卧?模擬主梁間橫向聯(lián)系)，如圖2所示。

圖2 巖盤溝大橋梁格模型

用虛擬橫梁代替橋梁橫向連系，避免橫向分布簡(jiǎn)化帶來的計(jì)算誤差。CFRP板材料彈性模量為1.6×106MPa，容重為18kN/m3，線膨脹系數(shù)為1×10-6/℃。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)計(jì)算，得到加固前、后主要靜載試驗(yàn)工況如表1所示，測(cè)點(diǎn)布置如圖3，4所示，除1號(hào)梁撓度測(cè)點(diǎn)(fa-1，fb-1，fc-1，fg-1)外，其他均為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。工況2，7偏載狀況下加載車輛布置如圖5所示。動(dòng)載試驗(yàn)過程中，在圖3所示3個(gè)跨中截面各布置1個(gè)頻率測(cè)點(diǎn)，1個(gè)動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)。

表1 靜載試驗(yàn)工況

圖3 巖盤溝大橋試驗(yàn)跨控制截面布置

圖4 A—A(B—B，C—C，D—D，E—E，G—G)截面應(yīng)變及撓度測(cè)點(diǎn)布置

圖5 工況2，7加載位布置

3.3 靜載試驗(yàn)分析

3.3.1應(yīng)變分析

預(yù)應(yīng)力CFRP加固前、后，主梁在各工況下的應(yīng)變變化如圖6所示(負(fù)值表示壓應(yīng)變，正值表示拉應(yīng)變)。限于篇幅，僅列出部分工況的應(yīng)變變化曲線。

圖6 各工況下加固前、后主梁應(yīng)變曲線

加固前，工況1，2，5作用下的應(yīng)變實(shí)測(cè)絕對(duì)值均小于理論值；工況3，4作用下B—B截面4號(hào)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值大于理論值，說明該工況作用下第2跨跨中梁底偏不安全；同時(shí)，工況6，7作用下G—G截面5號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值大于理論值，此處應(yīng)為加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。

經(jīng)預(yù)應(yīng)力CFRP加固后，巖盤溝大橋?qū)崪y(cè)應(yīng)變值小于加固前的實(shí)測(cè)應(yīng)變值，且小于理論值；加固后的應(yīng)變理論值、實(shí)測(cè)值曲線變化趨勢(shì)基本相同，且兩者相差較小。預(yù)應(yīng)力CFRP加固理論計(jì)算合理，加固后巖盤溝大橋主梁的受力性能得到明顯改善。

3.3.2撓度分析

通過CFRP板對(duì)主梁施加預(yù)應(yīng)力后，各工況下的撓度值均小于理論值。加固后的理論撓度值較加固前有所減小，最大相差8%，出現(xiàn)在工況3作用下的B—B截面；其中，主梁加固后的撓度實(shí)測(cè)值較加固前最大減小1.65mm，出現(xiàn)在工況2作用下的A—A截面。說明預(yù)應(yīng)力CFRP板加固可顯著減小主梁結(jié)構(gòu)變形。

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)分析

巖盤溝大橋加固前、后結(jié)構(gòu)一階頻率實(shí)測(cè)值如表2所示，橋梁加固前、后結(jié)構(gòu)一階頻率的實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值，且加固后一階頻率變大；實(shí)測(cè)振型與計(jì)算模型振型吻合較好。因此，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固可提高結(jié)構(gòu)豎向剛度。

表2 巖盤溝大橋加固前、后一階頻率

4 加固施工

1)放樣與基層處理 按設(shè)計(jì)圖紙放樣，用鋼筋定位儀核定鋼筋位置，并確定CFRP板和錨栓安裝位置。采用機(jī)械分條切割錨固板槽口，槽口深度≥30mm；對(duì)混凝土基層粘貼表面進(jìn)行打磨除塵處理。

2)錨栓與張拉機(jī)具固定安裝 采用電鉆種植錨栓安裝兩端錨固板；張拉端錨固板上分別安裝鎖固座和張拉底座。

3)碳纖維筋板下料與涂膠 裁剪CFRP板并使用細(xì)砂布輕輕打磨粘貼面，壓入兩端錨具；在CFRP板與梁板混凝土接觸面涂膠黏劑。

4)CFRP板及錨具安裝 將CFRP板固定端直接安裝至鎖固座；張拉端錨固裝置螺栓安裝就位后，沿張拉方向安裝張拉牽引螺桿和臨時(shí)張拉底座，張拉牽引螺桿穿過張拉底座后，安裝液壓千斤頂。

5)CFRP板張拉 旋擰固定端螺母調(diào)整CFRP板位置，確保錨具張拉行程。對(duì)CFRP板施加15%的張拉應(yīng)力，使其繃直。依次張拉至設(shè)計(jì)控制應(yīng)力的30%,50%和75%，每級(jí)間持荷5min。施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)控制應(yīng)力的100%后繼續(xù)持荷5min，復(fù)驗(yàn)CFRP板組件張拉伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值是否滿足要求。張拉控制應(yīng)力為1 395MPa，控制伸長(zhǎng)率為0.9%。當(dāng)張拉應(yīng)力值和張拉錨具行程滿足要求后，超張拉加載3%～5%，錨固張拉端至鎖固座，液壓千斤頂卸壓，拆除張拉底座、千斤頂?shù)葟埨瓩C(jī)具。

5 結(jié)語

通過在巖盤溝大橋應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)帶載、主動(dòng)加固設(shè)計(jì)和快速便捷施工，解決預(yù)應(yīng)力CFRP板材加固計(jì)算和錨固等關(guān)鍵技術(shù)問題；并系統(tǒng)研究主梁在加固前、后的受力性能和動(dòng)力特性。預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)具有高強(qiáng)高效、施工便捷快速、低交通影響及不改變橋梁凈空等顯著優(yōu)點(diǎn)，在橋梁維修加固工程中具有很大的應(yīng)用與推廣前景。