預(yù)應(yīng)力CFRP板加固剮蹭損傷橋梁及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)*

許國(guó)文，徐偉龍，熊 浩，白 潔，許志東，李 樂(lè)

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122；2.上海碳纖維復(fù)合材料土木工程應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，上海 200122；3.廣州市北二環(huán)交通科技有限公司，廣東 廣州 510540)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市道路交通日益繁忙，在城市橋梁加固工程中，需采用快速有效的加固方法以減小施工對(duì)交通的影響。

梁橋加固常用方法有增大截面法、體外預(yù)應(yīng)力法、粘貼鋼板或碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)片材法等[1]。其中，增大截面法一般指增設(shè)現(xiàn)澆混凝土加厚層，施工繁瑣，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)；體外預(yù)應(yīng)力法一般通過(guò)增設(shè)支點(diǎn)或托架增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線或鋼筋，不適用于對(duì)凈空要求較高的橋梁工程；粘貼鋼板法施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但鋼板自重大，施工較困難，此外，鋼材自身易腐蝕，在室外環(huán)境下耐久性差。

CFRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、低松弛、低蠕變等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的工程結(jié)構(gòu)材料[2-4]。直接粘貼CFRP片材是一種快捷的橋梁加固方法，但由于橋梁初始荷載的影響，橋梁在二次受力時(shí)CFRP的應(yīng)變存在嚴(yán)重滯后，無(wú)法充分發(fā)揮CFRP的高強(qiáng)度，加固效果有限。通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力形成預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)，可顯著提高CFRP強(qiáng)度利用率和加固效果，是一種更高效的加固方法[5-6]。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力CFRP板加固法，CFRP板的預(yù)應(yīng)力損失不容忽視，國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)此展開(kāi)研究，但大多在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行，在實(shí)際橋梁加固中的研究還不多[7-10]。

本文以受車(chē)輛剮蹭損傷的廣州市北二環(huán)高速公路長(zhǎng)平立交匝道橋?yàn)轫?xiàng)目依托，采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固，對(duì)加固方案和施工工藝進(jìn)行介紹。同時(shí)，采用電阻應(yīng)變片與光纖光柵(FBG)應(yīng)變傳感器結(jié)合的方式，對(duì)施工過(guò)程及施工結(jié)束后中短期內(nèi)預(yù)應(yīng)力CFRP的應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，檢測(cè)了加固橋梁在滿載服役下的結(jié)構(gòu)性能。

1 工程概況

廣州市北二環(huán)高速公路長(zhǎng)平立交匝道橋全長(zhǎng)128.26m(見(jiàn)圖1)，采用連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑組合為2×30.00m(連續(xù)箱梁)+3×20.00m(連續(xù)箱梁)，橋?qū)?4.80m。其中，2-1號(hào)邊梁跨度30m，于2018年和2020年先后2次在距2號(hào)墩3m處遭橋下行車(chē)剮蹭，導(dǎo)致底板及腹板多處破損、開(kāi)裂，如圖2所示。除上述病害外，現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)其他明顯病害。

圖1 長(zhǎng)平立交匝道橋立面(單位：cm)

圖2 2-1號(hào)邊梁剮蹭損傷情況

由于2次剮蹭使2-1號(hào)邊梁產(chǎn)生較多裂縫，雖管養(yǎng)單位對(duì)破損嚴(yán)重部位進(jìn)行了積極處理，但內(nèi)部鋼筋銹蝕的可能性仍因此增加，后期使用過(guò)程中承載力存在降低可能。此外，剮蹭處采用砂漿修補(bǔ)后，修補(bǔ)砂漿無(wú)預(yù)壓應(yīng)力，在荷載作用下易發(fā)生開(kāi)裂，進(jìn)而影響對(duì)內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用。因此，宜采用預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)預(yù)先增補(bǔ)可能會(huì)損失的承載力，同時(shí)降低梁底部受拉區(qū)混凝土在荷載作用下開(kāi)裂的可能性。

2 修復(fù)加固方案

綜合考慮加固效果、施工便利性及體外應(yīng)力部件的耐久性，采取預(yù)應(yīng)力CFRP板結(jié)合CFRP布U型箍方案對(duì)受損小箱梁進(jìn)行快速修復(fù)加固，具體方案如圖3所示。在箱梁底面張拉粘貼2片50mm×2mm預(yù)應(yīng)力CFRP板。同時(shí)，在端部支點(diǎn)至1/4跨范圍內(nèi)粘貼CFRP布U型箍和壓條，一方面限制縱向裂縫的發(fā)展，另一方面可提高梁的抗剪能力。CFRP布規(guī)格為300g/m2，單片CFRP布寬300mm，凈距250mm，每個(gè)U型箍由3層CFRP布組成。

圖3 CFRP板加固方案(單位：cm)

先粘貼CFRP布，再?gòu)埨迟N預(yù)應(yīng)力CFRP板，以避免相對(duì)較厚的CFRP板影響CFRP布的粘貼效果。

CFRP板和CFRP布均滿足GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中高強(qiáng)度I級(jí)要求，如表1所示。采用的預(yù)應(yīng)力CFRP板錨具為波形錨，如圖4所示。

表1 加固CFRP材料的基本力學(xué)性能

圖4 加固使用的CFRP板波形錨具

3 修復(fù)加固施工程序

整個(gè)修復(fù)加固施工流程包括混凝土裂縫及破損處理、CFRP布粘貼加固和預(yù)應(yīng)力CFRP板張拉粘貼。

3.1 混凝土破損處理

1)裂縫處理 對(duì)于寬度< 0.15mm的裂縫，采用裂縫封閉膠進(jìn)行裂縫表面封閉；對(duì)于寬度≥ 0.15mm的非結(jié)構(gòu)受力裂縫，采用壓力注漿封閉法[1]。

2)混凝土缺陷處理 先鑿除車(chē)輛撞損位置破損混凝土表面的疏松部分，然后用改性環(huán)氧砂漿修補(bǔ)。

3.2 粘貼CFRP布

粘貼CFRP布的主要工藝流程為：定位、放樣→混凝土表面平整、打磨→混凝土表面涂刷底層膠→粘貼CFRP布→粘貼CFRP布?jí)簵l→表面涂刷防護(hù)層。其中，先粘貼3層CFRP布U型箍，再粘貼CFRP布?jí)簵l。粘貼完成后，在CFRP布表面涂刷1層防護(hù)結(jié)構(gòu)膠，并養(yǎng)護(hù)48h(見(jiàn)圖5)。

圖5 粘貼CFRP布U型箍加固

3.3 張拉粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板

張拉粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板的主要工藝流程為：定位、放樣→鉆化學(xué)錨栓孔→清孔→混凝土表面處理→植化學(xué)錨栓(養(yǎng)護(hù)≥12h)→支座墊板找平、安裝→成品CFRP板展長(zhǎng)→CFRP板安裝、支座墊板調(diào)平→結(jié)構(gòu)膠涂抹→張拉CFRP板→粘貼CFRP板→防護(hù)涂裝。

在開(kāi)始正式張拉前應(yīng)將預(yù)應(yīng)力CFRP板預(yù)緊，使其整體繃直、受力均勻。2片CFRP板依次進(jìn)行張拉，采用單端分級(jí)(20%，40%，60%，80%，100%)進(jìn)行張拉。張拉過(guò)程中除了對(duì)張拉力和伸長(zhǎng)量進(jìn)行控制外，通過(guò)粘貼在CFRP板上的電阻應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè)。CFRP板的張拉控制應(yīng)力為0.3fpk，即720MPa，并進(jìn)行約0.05fpk的超張拉，張拉狀態(tài)如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力CFRP板張拉

張拉粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板完成后，在其表面涂抹防護(hù)膠，此外，采用與原橋梁顏色一致的油漆對(duì)加固材料進(jìn)行噴涂，保持外觀整潔(見(jiàn)圖7)。

圖7 預(yù)應(yīng)力CFRP板張拉粘貼完成并涂裝

4 預(yù)應(yīng)力CFRP板現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力CFRP板的有效性，張拉加固過(guò)程中及錨固完成后48d內(nèi)對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP板的應(yīng)力進(jìn)行了定期監(jiān)測(cè)。

4.1 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)對(duì)象為加固箱梁底部的2片CFRP板(A，B板)。施工過(guò)程中，采用電阻式應(yīng)變片進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，錨固完成后粘貼FBG應(yīng)變傳感器，再進(jìn)行后期應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

每片CFRP板在張拉端、固定端、1/4跨及跨中設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖8)，除固定端外，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)電阻式應(yīng)變片和1個(gè)FBG應(yīng)變傳感器，布設(shè)實(shí)況如圖9所示。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，固定端未布置FBG應(yīng)變傳感器。

圖8 CFRP板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖9 預(yù)應(yīng)力CFRP板上的電阻應(yīng)變片和FBG應(yīng)變傳感器

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.2.1CFRP板預(yù)應(yīng)力分布

張拉完成時(shí)及錨固完成后40min時(shí)2片CFRP板的預(yù)應(yīng)力分布曲線如圖10所示。由于摩擦、結(jié)構(gòu)膠黏性等因素影響，CFRP板的預(yù)應(yīng)力從張拉端到固定端基本呈逐漸減小趨勢(shì)。為更接近CFRP板整體的預(yù)應(yīng)力，以跨中應(yīng)力(A3，B3)作為CFRP板的預(yù)應(yīng)力代表值。

圖10 CFRP板預(yù)應(yīng)力分布曲線

4.2.2CFRP板預(yù)應(yīng)力損失

2片CFRP板在錨固放張前后短期內(nèi)預(yù)應(yīng)力變化情況如圖11所示。由圖可見(jiàn)，在錨固放張瞬間，CFRP板的預(yù)應(yīng)力在長(zhǎng)度方向上會(huì)有不同程度的下降，即初始預(yù)應(yīng)力損失。錨固放張30s內(nèi)，CFRP板在張拉端(A5，B5)的初始預(yù)應(yīng)力損失最大，分別為14.4 MPa(1.69%)和10.9 MPa(1.30%)，其余測(cè)點(diǎn)的初始預(yù)應(yīng)力損失很小，在2～3MPa(見(jiàn)表2)。該初始預(yù)應(yīng)力損失主要由放張后緊固螺母與錨板之間的間隙壓密導(dǎo)致的CFRP板內(nèi)縮引起，與螺母緊固力有關(guān)。由于摩擦和結(jié)構(gòu)膠黏性等因素的影響，該初始預(yù)應(yīng)力損失主要集中在張拉端，對(duì)較長(zhǎng)CFRP板跨中的預(yù)應(yīng)力影響較小。

圖11 CFRP板A，B在錨固放張前后短期內(nèi)預(yù)應(yīng)力變化

表2 CFRP板預(yù)應(yīng)力損失

2片CFRP板在張拉過(guò)程中及錨固后48d內(nèi)預(yù)應(yīng)力變化情況如圖12所示，變化規(guī)律類(lèi)似。在錨固放張后短期內(nèi)，CFRP板的預(yù)應(yīng)力以相對(duì)較快的速率下降，但隨著時(shí)間推移，CFRP板的預(yù)應(yīng)力損失速率逐漸減小，最后預(yù)應(yīng)力水平趨于穩(wěn)定。CFRP板張拉端的預(yù)應(yīng)力損失明顯高于CFRP板跨中。

圖12 CFRP板A ，B在張拉過(guò)程中及錨固后48d內(nèi)預(yù)應(yīng)力變化

錨固完成48d后，CFRP板A，B跨中的預(yù)應(yīng)力值分別為807，790MPa，預(yù)應(yīng)力水平分別為極限抗拉強(qiáng)度的33.6%，32.9%，均高于目標(biāo)值30%。相比于初始預(yù)應(yīng)力(840.3，825.4MPa)，預(yù)應(yīng)力損失分別為3.96%，4.23%。

5 現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

施工完成48d后，委托第三方依據(jù)JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)加固橋梁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。荷載試驗(yàn)分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，修復(fù)加固后橋梁的靜力和動(dòng)力特性均滿足規(guī)程要求，且試驗(yàn)過(guò)程中未見(jiàn)新的裂縫產(chǎn)生。

靜載試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)橋梁的撓度、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，相關(guān)內(nèi)容及結(jié)果如下。

5.1 靜載試驗(yàn)工況及監(jiān)測(cè)方案

如圖13所示，靜載試驗(yàn)分2種工況進(jìn)行，每種工況分4種載位加載，加載方式如表3所示。在工況1，2滿載情況下，2-1號(hào)邊梁的加載效率分別為0.950，0.952。

圖13 靜載工況載位布置

表3 加載方式

在加固橋跨及其相鄰一跨的跨中和支座布置共計(jì)15個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)橋梁撓度(見(jiàn)圖14)。在A，B，C 3個(gè)控制截面的箱梁底面和側(cè)面布置共計(jì)114個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)混凝土的應(yīng)變(見(jiàn)圖15)。同時(shí)，利用CFRP板上的FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)CFRP板的應(yīng)力(見(jiàn)圖8)。

圖14 橋梁撓度及變形測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

圖15 控制截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

5.2 靜載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.2.1CFRP板應(yīng)力響應(yīng)

2種工況作用下CFRP板應(yīng)力響應(yīng)如圖16所示。

圖16 工況1，2下CFRP板應(yīng)力響應(yīng)曲線

在工況1作用下，2-1號(hào)邊梁跨中承受額外正彎矩，CFRP板的拉應(yīng)力隨荷載增大而增大(A3，B3)，滿載時(shí)A，B板的應(yīng)力分別增大9.6，9.4MPa；CFRP板張拉端承受負(fù)彎矩，隨荷載增大CFRP板的拉應(yīng)力逐漸減小(A5，B5)，滿載時(shí)A，B板的應(yīng)力分別減小2.5，2.7MPa。在工況2作用下，2-1號(hào)邊梁全長(zhǎng)承受額外負(fù)彎矩，CFRP板的拉應(yīng)力隨荷載增大而略有減小，其中2片CFRP板在跨中的拉應(yīng)力分別減小5.0，5.4MPa。

靜載試驗(yàn)導(dǎo)致CFRP板的預(yù)應(yīng)力有所損失，但新增損失量很小。靜載試驗(yàn)結(jié)束后，A，B板的預(yù)應(yīng)力水平分別為極限抗拉強(qiáng)度的33.5%，32.8%，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5.2.2混凝土應(yīng)變響應(yīng)

工況1作用下2-1號(hào)邊梁跨中截面應(yīng)變?nèi)鐖D17所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，修復(fù)加固后的梁在滿載卸載后，殘余應(yīng)變基本歸零，表明修復(fù)加固后的梁在滿載作用下仍處于彈性范圍內(nèi)。

圖17 工況1下2-1號(hào)邊梁跨中截面混凝土應(yīng)變曲線

5.2.3橋梁撓度

2種工況下對(duì)應(yīng)加載跨橋梁的實(shí)測(cè)撓度如圖18所示，圖中撓度已考慮支座沉降修正。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，橋梁最大撓度發(fā)生在加載跨的邊梁。2種工況下，對(duì)應(yīng)邊梁的滿載撓度分別為12.01，12.65mm，都小于撓度理論值16.6mm，滿足規(guī)程要求。相比而言，加固梁的剛度稍大于相鄰未加固邊梁。卸載后殘余變形分別為0.49，0.74mm，加固梁的殘余變形更小。

圖18 工況1，2下2-1號(hào)邊梁跨中實(shí)測(cè)撓度曲線

6 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)梁底被剮蹭損傷的橋梁，采用預(yù)應(yīng)力CFRP板結(jié)合CFRP布U型箍的方式進(jìn)行修復(fù)加固，預(yù)先增補(bǔ)可能會(huì)損失的承載力，同時(shí)降低箱梁底部受拉區(qū)混凝土在荷載作用下開(kāi)裂的可能性。

2)相比于傳統(tǒng)的粘鋼加固，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固材料自重小，操作方便。整個(gè)加固過(guò)程僅在短期內(nèi)占用部分車(chē)道，未對(duì)繁忙的道路交通造成實(shí)質(zhì)影響。同時(shí)，CFRP板具有良好的耐腐蝕、抗疲勞性能，預(yù)期具有良好的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。

3)加固施工過(guò)程中以及加固完成后48d內(nèi)對(duì)CFRP板的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)控。結(jié)果顯示，48d預(yù)應(yīng)力損失在5%以內(nèi)，CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平滿足設(shè)計(jì)要求。

4)加固施工完成后，通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)修復(fù)加固橋梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，修復(fù)加固后橋梁的靜力和動(dòng)力特性均滿足規(guī)程要求，且修復(fù)加固后箱梁比相鄰無(wú)損傷跨具有更大的剛度和更小的殘余變形。