预应力碳纤维板在旧桥加固中的设计与施工

摘要：采用外部张贴预应力碳纤维板技术对呼和浩特市新华街鼓楼立交桥的A1主线上的七跨预应力混凝土连续箱梁进行加固设计与施工。根据正常使用极限状态验算结果，在箱梁梁底粘贴预应力碳纤维板并对其施加200kN的张拉控制力进行加固，使其符合全预应力混凝土结构要求。

关键词：预应力；加固设计；碳纤维板；全预应力混凝土

中图分类号：TV331文献标识码： A

0 预应力碳纤维板加固技术

随着国民经济的迅速发展，大量在役运行的旧桥由于材料老化、荷载等级提高、交通流量增大等原因，亟需加固补强。具有耐腐蚀、重量轻(容重只有钢材的五分之一至四分之一)、强度高(强度高于高强钢丝或与之相当)等优点的复合材料高强碳纤维板材料在旧桥加固工程中得到广泛的应用。但随着研究与应用的深入，研究者们发现由于碳纤维强度相对弹性模量过高，拉伸强度得到充分利用所需的变形过大，传统粘贴碳纤维的加固工艺对材料浪费极大，提供的抗拉贡献非常有限，技术效果极不理想，其不足之处是未施加预应力。

预应力碳纤维加固桥梁技术是对碳纤维板材施加预应力，使其预先发挥相当的强度，从而有效利用其高强性能，减小混凝土结构的应力和挠度变形，延缓梁开裂，减小裂缝宽度，避免的剥离破坏，进一步提高结构的承载能力，大量节省材料及工程造价， 减少加固系统维护成本;许多研究及工程技术人员针对这项技术展开了大量研究[1 - 5 ]，以期使预应力碳纤维加固成为传统碳纤维加固及其他加固技术的良好替代技术。本文研究应用此技术, 对呼和浩特市新华街鼓楼立交桥的A1主线上的七跨预应力混凝土连续箱梁进行加固设计与施工。

1 概况及加固方案

鼓楼立交桥A1主线七跨连续梁桥，跨径组合为：28.0m+35.0m+4×32.0m+30.0m，设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100验算，目前桥头均设有20t限载标志牌，交通繁忙。2012年4月相关检测部门对该桥进行检测和荷载试验，发现该桥箱梁外侧腹板和底板结合处有“L型”受力裂缝，底板表面有大面积网裂，裂缝宽度超限,抗弯刚度明显退化，部分梁跨产生挠曲变形，见图1。根据现场勘查及荷载试验结果表明该桥为危桥。故根据设计荷载对该桥进行维修加固。

图1箱梁外侧腹板和梁底结合处 “L型” 裂缝

七跨连续梁中35m跨正截面正常使用极限状态验算表明，其跨中截面抗弯刚度不足，跨中截面箱梁梁底出现拉应力，分析竣工图发现，该跨梁底配束与其相邻跨少两束，梁底预应力明显不足，因此通过在箱梁梁底粘贴预应力碳纤维板，补充梁底预应力，提高箱梁的抗弯承载能力，以恢复原设计荷载的正常使用要求。预应力碳纤维板粘贴示意图如下图2和图3所示，加固用的预应力碳纤维板CFP-100-1.4及胶粘剂的材料性能为：碳纤维板拉伸强度为2800MPa，拉伸弹性模量为165GPa,极限拉伸应变为0.017。胶粘剂的拉伸强度为32.6MPa，钢拉伸剪切强度为18.1MPa，钢对接接头拉伸强度为30.2MPa，碳纤维板张拉控制力为200kN。

图235m跨预应力碳纤维板纵向布置示意图（单位：mm）

图335m跨预应力碳纤维板横向布置示意图（单位：mm）

2 加固设计计算及结果分析

2.1计算模型

采用midas civil 2010程序对连续梁桥进行结构计算，预应力碳纤维板采用体外预应力进行模拟，考虑碳纤维板锚固体系的特点，张拉预应力损失等，碳纤维板张拉锚固损失值取0.03倍的张拉控制应力。结构计算模型如图4所示：

图4模型计算图

2.2计算结果分析

在标准组合作用下连续梁35m跨加固前和加固后梁底应力结果分别如下图5和图6所示，由图5和图6可知，预应力碳纤维板加固前跨中梁底出现了0.8Mpa的拉应力，不满足全预应力混凝土结构梁底不出现拉应力的正常使用要求。通过在梁底张拉预应力碳纤维板后，梁底全截面受压，满足了全预应力混凝土结构的正常使用要求。

图5连续梁35m跨加固前标准组合梁底应力图（单位：MPa）

图6连续梁35m跨加固后标准组合梁底应力图（单位：MPa）

3 施工工艺

一般的非预应力碳纤维板的加固工艺流程为：施工准备-表面处理-涂刷底层树脂-找平处理-粘贴碳纤维板材-表面防护。预应力碳纤维板材加固技术除了上述几道工序之外，还需安装锚具和张拉碳纤维板两道工序，基本的施工步骤如下：

1、施工准备

首先，根据施工现场和被加固构件混凝土的实际状况，拟定施工方案和施工计划，其次，对施工过程中将要用到的材料和机具等做好施工前的准备。

2、表面处理

用专用环氧树脂对主梁梁体的裂缝进行灌缝封闭处理。还要将梁体已腐蚀但尚未剥落的混凝土予以开凿，用高性能复合砂浆进行修补。对锈蚀钢筋要做除锈，然后焊接相同直径的短钢筋，再用高性能复合砂浆进行填补，封闭，。本工程钢筋未腐蚀，所以不用防锈处理。清除构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，漏出混凝土结构层，并用高性能复合砂浆将表面修复平整。对质量较好的混凝土表面进行打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝入土结构的表面。

3、锚固区定位开凿及安装锚具

在箱梁底表面按照设计图纸进行放样，确定碳纤维板和两端锚具位置，每条碳板固定端与张拉端螺栓间距应以粘贴于该位置碳板的固定端与张拉端锚板螺栓孔实测间距为准。放样采用钢尺定位。根据施工放样确定的固定端锚具和张拉锚具的位置凿除梁底表面混凝土，厚度为25mm，开凿后的混凝土表面要保证一定的粗糙度，然后填入足够厚度的环氧胶泥作为垫层，且在与锚具螺栓孔对应位置植入化学栓帽，以保证粘贴碳板表面与梁体表面水平。

4、安装与张拉碳纤维板

1)用丙酮将碳纤维板接触混凝土构件的表面擦洗干净，然后立即在碳纤维板上涂抹2~3mm的胶黏剂；2）将碳板及固定端与张拉端锚固系统统一安装在梁体上；3）箱梁底预应力纤维板应按横桥向对称张拉，每次至少张拉两条碳板。

4 结语

采用预应力碳纤维板加固技术对鼓楼立交桥A1主线上的七跨连续梁桥进行加固设计与施工，达到了恢复原桥设计荷载要求，在荷载标准组合作用下，桥梁结构的内力分布得到明显改善，跨中梁底全截面受压，达到了设计加固目的，其施工工艺简单，旧桥的加固设计中具有很大的应用价值，值得推广。

参考文献：

[ 1 ]Wight R G, Green M F, Erki M A. Prestressed FRP Sheets for Poststrengthening Reinforced Co ncrete Beams [ J] .

Journal of Composites for Construction, 2001, 5 ( 4) : 214- 210.

[ 2 ] Hacha R E, Wight R G, Green M F. Prestressed Carbon Fiber Reinforced Polymer Sheets for Strengthening Concrete Beams at Room and Low Temperatures [ J] . Journal o f Composites for Construct ion, 2004, 8 ( 1) : 3- 13.

[3] 杨勇新, 李庆伟, 岳清瑞. 预应力碳纤维布加固混凝土梁预应力损失试验研究[J]. 工业建筑, 2006, 36(4): 58, 18

[4] 曾磊. 预应力CFRP 板加固混凝土梁试验与理论研究[D]. 上海: 同济大学, 2005.

[5] 张坦贤, 吕西林, 肖丹, 石家峰. 预应力碳纤维布加固一次二次受力梁抗弯试验研究[J]. 结构工程师, 2005,21(1): 3440.

作者简介：敖登巴拉(1985-)，女，蒙古族，工程师