橋梁預(yù)應(yīng)力CFRP板加固技術(shù)

劉林昊、鐘小婷

（撫州市公路事業(yè)發(fā)展中心黎川分中心，江西 撫州 344600）

0 引言

隨著我國橋梁工程運(yùn)行時間的延長，部分橋梁結(jié)構(gòu)開始老化，若不及時養(yǎng)護(hù)，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，無法滿足運(yùn)行要求。當(dāng)前，各個地區(qū)都有一定數(shù)量的危橋，會影響道路交通的安全性和穩(wěn)定性。為了消除危橋的影響，推動交通事業(yè)的發(fā)展，帶動我國經(jīng)濟(jì)與社會的高速發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)橋梁的加固處理，恢復(fù)其通行性能。

當(dāng)前，橋梁加固技術(shù)種類非常多，各種技術(shù)都有一定的優(yōu)勢和不足，所以要根據(jù)實際情況選擇最佳加固技術(shù)，恢復(fù)橋梁的性能。在橋梁加固中，預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)效果較好，在我國橋梁加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

纖維復(fù)合材料簡稱FRP，其主要由基礎(chǔ)材料與增強(qiáng)材料共同組合形成的，目前廣泛應(yīng)用的是碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等材料，特別是碳纖維材料，簡稱為CFRP，其力學(xué)性能比傳統(tǒng)的鋼板要好，在強(qiáng)度、耐腐蝕性等方面優(yōu)勢明顯，且現(xiàn)場施工方便、質(zhì)量比較輕，已經(jīng)大范圍應(yīng)用到工程領(lǐng)域內(nèi)。

經(jīng)過試驗檢測分析，CFRP 材料的極限抗拉強(qiáng)度超過3400MPa，是普通高強(qiáng)度鋼絲的3 倍左右。這類材料也因性能優(yōu)越，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，獲得工程領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的一致好評，但該材料的研發(fā)和應(yīng)用還處于初期階段，其高強(qiáng)度的特性并未充分發(fā)揮出來，在實際應(yīng)用中依然存在一些不足[1]。

2 預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)原理

預(yù)應(yīng)力CFRP 板具有較高的強(qiáng)度特性，將之應(yīng)用于加固施工中，能夠提高結(jié)構(gòu)承載力，延長工程使用壽命。在預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固施工中，使用千斤頂進(jìn)行張拉，能夠更好地發(fā)揮出材料的強(qiáng)度優(yōu)勢，更好地承受結(jié)構(gòu)的作用力，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性效果，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞問題。

在預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固施工中，主要需要用到錨具、CFRP 板、材料膠等。錨具起到固定作用，張拉之后將碳纖維板固定在規(guī)定部位上，避免發(fā)生松動、張開等問題，保證結(jié)構(gòu)性能達(dá)到要求。材料膠起到黏附作用，使碳纖維板與橋梁結(jié)構(gòu)組合形成整體，防止發(fā)生結(jié)構(gòu)分離而造成性能不合格的問題。

應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)，能夠提升結(jié)構(gòu)抗彎性能。經(jīng)試驗檢測分析，通過CFRP 板加固，橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎承載力能夠提升約60%。但相較于鋼材，CFRP 板的橫向抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度相對較低，傳統(tǒng)錨固方式容易使其受到損壞，受到這方面的限制，使得該技術(shù)的推廣應(yīng)用存在一定的限制[2]。

在預(yù)應(yīng)力CFRP 板錨固過程中，預(yù)應(yīng)力筋同時受到縱向拉力、橫向拉力、摩擦力的作用，如果板材受到的應(yīng)力超出其臨界應(yīng)力參數(shù)值，會發(fā)生斷裂的情況，預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)就會失效不能發(fā)揮出CFRP 筋抗拉強(qiáng)度應(yīng)有的效果。在CFRP 板材料中，影響材料性能和質(zhì)量的因素較多，如纖維強(qiáng)度、樹脂品種、生產(chǎn)條件、碳纖維規(guī)格等，導(dǎo)致錨具選擇較為困難，限制了預(yù)應(yīng)力CFRP 板錨固施工效果。因此，應(yīng)使用新型錨具以達(dá)到更好的錨固效果，以更好地滿足施工要求。當(dāng)前，我國應(yīng)用在CFRP 板加固中采用的錨具主要有如下三種：

第一，黏結(jié)型錨具。該錨具材料應(yīng)用的是黏結(jié)介質(zhì)、套筒、端堵等，具備較高的摩擦力及咬合力，黏結(jié)效果比較好，應(yīng)用價值較高。該錨具的優(yōu)勢是不會造成板材的損壞，應(yīng)用范圍比較大；缺點是灌膠工藝難度高，材料性能要求較高，固化時間長。

第二，機(jī)械夾持型錨具。該類型的錨具主要是通過機(jī)械咬合力的方式進(jìn)行固定，作用機(jī)理和黏結(jié)錨具相同，主要是發(fā)揮摩擦力的作用，常用的機(jī)械夾持型錨具包括CFRP 棒材錨具、齒形錨具等。該類型錨具的優(yōu)點是可以根據(jù)實際情況進(jìn)行片材或棒材調(diào)節(jié)，缺點是受力不均勻、偏心張拉情況明顯，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)受力損壞的情況。

第三，其他錨具。除了上述兩種錨具，還有其他類型的錨具，如機(jī)械夾持型錨具和由CFRP 筋組合的復(fù)合型錨具等。許多國家都在積極研發(fā)新型錨具，如最近推出的非金屬錨具，其抗拉強(qiáng)度超過了200MPa，可以用于制造錨環(huán)、夾片等，能夠替代傳統(tǒng)的金屬錨具。這種創(chuàng)新型錨具在特殊條件下有明顯優(yōu)勢，可以為CFRP 板錨固施工提供新的解決方案。

3 工程概況與施工方案

3.1 工程概況

某座跨越河流的橋梁項目總長1.7km，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用灌注樁形式，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁形式，橫跨河流的橋梁由5 片小箱梁組成。該橋梁已投入使用超過10 年，在近期的養(yǎng)護(hù)工作中發(fā)現(xiàn)腹板結(jié)構(gòu)存在較多裂縫，裂縫寬度大約在0.1mm 左右，且多集中在特定區(qū)域，并逐漸延伸，但尚未達(dá)到截面頂部。

經(jīng)過詳細(xì)分析，確定腹板結(jié)構(gòu)裂縫問題的根本原因。第一，一部分裂縫是因裂縫部位受到了超出其結(jié)構(gòu)性能承受能力的拉應(yīng)力而產(chǎn)生的，多為豎向裂縫。第二，腹板底部的豎向裂縫降低了截面的性能，從而引發(fā)橫向裂縫。

3.2 加固方案選擇

對于該項目，養(yǎng)護(hù)管理單位的技術(shù)人員提出如下兩種加固方案：

第一方案：預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固。制作兩條寬50mm、高3mm 的預(yù)應(yīng)力CFRP 板，應(yīng)用錨固塊、錨具等固定，單價為900 元/m。該方案旨在通過預(yù)應(yīng)力CFRP 板的加固作用，提高腹板的承載能力，從而減輕裂縫擴(kuò)展、提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

第二方案：無黏結(jié)體外預(yù)應(yīng)力加固。鉆孔并安裝預(yù)應(yīng)力錨固套筒，將預(yù)應(yīng)力鋼筋穿過套筒并張拉，以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力效果，之后錨固預(yù)應(yīng)力鋼筋。該方案旨在通過外部預(yù)應(yīng)力鋼筋施工，提高腹板的受力能力，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。考慮到成本、技術(shù)性能、施工便捷、加固效果等因素，最終確定應(yīng)用CFRP 板加固方式，其操作簡單、耐腐蝕性好，具備較高的耐久性，使用壽命比較長，綜合效益較高。

3.3 加固設(shè)計

通過對現(xiàn)場展開綜合分析，確定該項目應(yīng)用兩條長度分別為26.6m 和24.6m 的寬50mm×高3mm 的預(yù)應(yīng)力CFRP 板，順橋梁方向進(jìn)行鋪設(shè)施工。結(jié)合施工情況，應(yīng)用錨具與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行栓接，連接深度在95mm 左右，采用鍍鋅螺栓連接，以滿足連接標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 有限元分析

應(yīng)用有限元軟件展開結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，計算各項參數(shù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，模擬加固效果是否符合工程要求。通過模型分析發(fā)現(xiàn)，在混凝土和預(yù)應(yīng)力CFRP板緊密貼合成為整體之后，不存在滑移問題。對材料性能進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力CFRP 板的張拉控制力為1289MPa，永久預(yù)應(yīng)力為1200MPa，在使用中會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失的情況，但損失幅度較小，說明加固后的總體強(qiáng)度性能較高[3]。

4 施工工藝分析

4.1 選擇適宜的施工材料

在橋梁預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固施工中，選擇適宜的施工材料對項目開展有很重要幫助。首先，需要考慮CFRP 板的材質(zhì)，通常選擇高質(zhì)量、高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料，以確保加固效果穩(wěn)定、可靠。其次，對于夾持器、錨具等部件，應(yīng)選擇具有良好耐久性和抗拉強(qiáng)度的材料，以確保加固結(jié)構(gòu)的牢固連接。最后，需要考慮施工材料的環(huán)保性能，選擇對環(huán)境友好的材料，以滿足可持續(xù)發(fā)展要求。

4.2 施工工藝

進(jìn)行加固施工前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場測量和放樣工作，并加強(qiáng)對各項參數(shù)精度的控制，以確保張拉端和固定端處于可控范圍內(nèi)，并處于相同狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)存在松弛情況，應(yīng)立即進(jìn)行糾正。施工之前應(yīng)對CFRP 板表面進(jìn)行清理和檢查，確保沒有任何雜質(zhì)存在，并進(jìn)行打磨和平整處理，以滿足施工要求。

在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行預(yù)埋鋼筋鉆孔作業(yè)，灌膠并加固，達(dá)到強(qiáng)度要求后開始粘貼CFRP 板。第一，按照施工要求涂抹底膠，設(shè)置反力鋼筋，應(yīng)用千斤頂開展張拉作業(yè)，相鄰鋼筋張拉需間隔幾分鐘。該環(huán)節(jié)結(jié)束后，對于膠液缺少的位置及時補(bǔ)充處理。第二，安裝限位卡，預(yù)防出現(xiàn)脫空現(xiàn)象影響連接效果。第三，上述工作完成后，需要對CFRP 板與錨具進(jìn)行防護(hù)處理，保證結(jié)構(gòu)加固質(zhì)量。一般采用噴射水泥漿的方法進(jìn)行封閉處理，砂漿噴射厚度在2～3cm 之間，該防護(hù)層可以保護(hù)整體結(jié)構(gòu)，避免投入使用后發(fā)生損壞問題，可延長加固結(jié)構(gòu)使用壽命，提高加固效果[4]。

5 加固效果檢測

預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固施工結(jié)束后，需要對加固效果進(jìn)行檢測，對截面尺寸、彈性模量、材料容量、膨脹系數(shù)、施工荷載等進(jìn)行檢測，確保各參數(shù)滿足橋梁運(yùn)行需要，確保施工精度合格，以提高橋梁工程結(jié)構(gòu)性能。

6 施工控制內(nèi)容及方法

6.1 施工控制內(nèi)容

其一，原材料質(zhì)量控制。橋梁加固工作過程中，原材料質(zhì)量尤為關(guān)鍵，必須滿足耐久性、強(qiáng)度、使用壽命等要求。因此，開展加固工作前應(yīng)加強(qiáng)對各種材料的試驗檢測，保證每種材料的性能和質(zhì)量合格，達(dá)到工程使用標(biāo)準(zhǔn)。

其二，混凝土材料性能控制。對于橋梁工程而言，混凝土是主要組施工材料，尤其是在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，因此必須確?；炷敛牧系男阅苓_(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，具備足夠的強(qiáng)度，以提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實際施工前，必須進(jìn)行混凝土性能檢測，以了解其強(qiáng)度等參數(shù)，確保荷載和受力情況合格。

其三，加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力加固體系的控制。一是張拉作業(yè)實施前，需要檢查混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保其等級滿足設(shè)計要求；張拉環(huán)節(jié)采取雙控方式，保證應(yīng)力、伸長量都在規(guī)定范圍內(nèi)。二是如果在張拉階段發(fā)現(xiàn)千斤頂夾片磨損，應(yīng)及時進(jìn)行回油處理，以防止滑絲現(xiàn)象發(fā)生。夾片處理過程必須符合工程規(guī)范要求。如果回油處理無法解決問題，應(yīng)對錨具和鋼絞線進(jìn)行全面檢查而后進(jìn)行調(diào)整，以確保施工符合標(biāo)準(zhǔn)。

其三，波紋管損壞可能導(dǎo)致漏漿，進(jìn)而影響鋼絞線和混凝土的連接性能。對于這個問題，在現(xiàn)場施工中應(yīng)進(jìn)行多次反復(fù)張拉，并確保荷載持續(xù)一定的時間，以防止摩擦力對施工效果產(chǎn)生不利影響。

其四，如果存在孔道摩阻，且影響伸長量參數(shù)，應(yīng)將鋼絞線張拉到5MPa，并將回油數(shù)調(diào)整為零，重新進(jìn)行張拉施工，并采用分級張拉的方式，嚴(yán)格控制伸長量。

其五，現(xiàn)場張拉階段應(yīng)準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)部位的拱度和變形數(shù)據(jù)，以防止超出標(biāo)準(zhǔn)，引發(fā)裂紋等問題[5-6]。

6.2 施工控制方法

第一，加強(qiáng)事前控制。需要進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)檢查和評估，以確定加固的具體位置和范圍。進(jìn)行充分的材料測試和性能評估，確保選用的CFRP 板符合設(shè)計要求，對混凝土和鋼筋等材料也需要進(jìn)行必要的檢測，以確保它們的性能和質(zhì)量滿足施工要求。此外，事前控制還包括施工計劃的制訂，確保施工過程中的工序和時間安排得當(dāng)，以及施工現(xiàn)場準(zhǔn)備工作（包括清理、平整和安全措施）的有效落實。

第二，加強(qiáng)現(xiàn)場施工質(zhì)量管控。根據(jù)橋梁工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)要求，制訂相應(yīng)的質(zhì)量管理措施，建立完善的應(yīng)急預(yù)案，及時解決質(zhì)量問題，使每個環(huán)節(jié)都處于可控范圍內(nèi)，確保加固作業(yè)順利完成。

第三，加強(qiáng)事后控制。加固工作結(jié)束后，組織質(zhì)檢人員對現(xiàn)場進(jìn)行全面的檢查，對每個細(xì)節(jié)都要進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，并落實處理措施，消除各種缺陷問題，提高施工效果。

7 結(jié)語

綜上所述，在橋梁加固工程中通過采用預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)，對提高橋梁加固的穩(wěn)定性有重要幫助。文章對預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)的要點進(jìn)行了分析，同時結(jié)合工程實例論述預(yù)應(yīng)力CFRP 板加固技術(shù)的工藝流程，提出相關(guān)的技術(shù)要點。在往后的橋梁加固施工中，要結(jié)合橋梁加固要求，明確預(yù)應(yīng)力CFRP板加固施工方案，同時注重材料選擇，且在施工環(huán)節(jié)要根據(jù)工藝規(guī)范進(jìn)行施工，做好施工現(xiàn)場的質(zhì)量及安全管控，以提高施工效果，為橋梁的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。