公路桥梁加固中预应力碳纤维复合材料板加固技术的运用分析

公路桥梁加固中预应力碳纤维复合材料板加固技术的运用分析

张涛 于恒

郑州市公路工程公司  郑州  450000

摘要：公路桥梁工程中，灵活应用加固技术能够提升工程项目使用寿命、承载能力、结构完整性。鉴于此，文中基于安徽省宿州市某桥梁工程的加固实例，阐述了施工准备、表面处理、安装锚具、涂刷底层树脂、张拉碳纤维板材、加热养护及防护处理等六项预应力碳纤维复合材料板加固技术施工步骤，并在加固前后使用等效荷载试验进行比对分析。

关键词：公路桥梁工程;预应力碳纤维复合材料板;加固技术;

当前，我国公路桥梁建设工程中普遍存在重建设、轻养护的问题，工程建设成本远高于工程养护成本。实践证明，这种观念缺乏科学性，后期养护不足的路桥工程通常达不到预期的使用寿命就会出现路面开裂、剥离、断层等现象。基于此，公路桥梁的加固技术成为当前的热门。相较于传统加固技术，预应力碳纤维复合材料板加固技术具有提升构件受力性能、提升碳纤维复合材料板强度、延长剥离现象等功能，进而达到提升公路桥梁承载能力、延长使用寿命、抑制路面裂缝发展、减少结构变形等效果。

1 工程概况

1.1 工程数据

某桥梁共17跨，跨径为20m，全长为340m，桥面宽度为9m，其中，8m为双侧四车道的行车道，剩余1m为两侧防护栏，荷载等级设计为汽车-20级，挂车-80级，桥体分为上下两部分结构，其中上部结构主要使用T型梁钢筋混凝土进行支撑，混凝土主筋采用直径大于12mm的二级钢筋，箍筋采用直径大于10mm的一级钢筋，钢板为三号钢；下部结构主要使用桩柱式墩台进行支撑，墩台交角为90°，混凝土强度为C30，钢筋取材同上部结构。

1.2 桥梁使用情况

经路桥养护人员检测，该大桥存在不同程度的损坏，包括T形梁横向裂缝、横隔板纵向裂缝、桥面横向裂缝、桥体横向承载力较差、荷载能力低于桥梁要求等。为进一步检测桥梁混凝土使用情况，分别对T形梁、桥墩、桥台进行混凝土抗压强度检测，检测结果显示，T形梁抗压强度为58.2MPa、桥墩抗压强度为35.8MPa、桥台抗压强度为31.7MPa，混凝土碳化深度为0.01mm，根据经济合理性原则，选择采用对碳纤维复合材料板施加预应力的技术进行加固。

2 预应力碳纤维复合材料板加固技术施工步骤

相较于传统加固技术，预应力碳纤维复合材料板加固技术增设了安装锚具和碳纤维片材张拉两个环节，其具体施工步骤如下。

2.1 施工准备

施工准备分为施工计划准备和施工材料准备，施工计划准备包括桥梁检测报告、桥梁加固方案；施工材料包括化学胶粘剂、环氧树脂、高强纤维砂浆等耗材，以及锚具、张拉工具、涂刷工具等施工机具。

2.2 表面处理

相较于传统加固技术的无粘结表面处理工艺，预应力碳纤维复合材料板加固技术需要借助化学胶粘剂，将碳纤维板和桥梁结构粘结成一个整体，从而提升碳纤维板对桥梁结构的限制作用。通常情况下，表面处理环节需要按照表面损坏程度分为1～3级。1级表面是损坏较少的混凝土表面，可以使用环氧树脂浇灌的方式，填补混凝土表面的裂缝，再进行统一的去污、打磨、找平即可；2级表面则是受风化、侵蚀较为严重的部分，混凝土裂缝中掺杂了一定程度的异物，需要先对混凝土表面、裂缝进行清理，再使用环氧树脂进行浇灌，最后进行去污、打磨、找平即可；3级表面损坏很严重，呈现明显的断裂、剥离状态，无法使用环氧树脂浇灌的部分，需要使用高强度纤维砂浆对混凝土进行修补，若高强度纤维砂浆和混凝土之间的粘结力不足，无法定型，可以预埋直径为8mm的剪力结合器，埋深不低于55mm，修补后再进行去污、打磨、找平即可。

2.3 安装锚具

安装锚具需要先在设计锚点进行标记，标记后以锚点为圆心，按照半径为0.8m的尺寸，对混凝土表面进行预处理，目的是提升混凝土表面的粗糙度，再铺垫一定厚度的环氧胶泥作为胶垫，缓冲张拉碳纤维板材时的作用力，最后按照孔位安装锚栓即可。安装锚具时，需要注意以下三点。

(1）锚具两端需要完全对称，进而平衡作用力。

(2）保证环氧胶泥和化学锚栓共同作用。

(3）锚具底板带齿表面与混凝土表面在同一平面。

2.4 涂刷底层树脂

涂刷底层树脂应观测复合砂浆与环氧胶泥的凝结状态，需要在半凝结状态时在混凝土表面和碳纤维板材表面进行涂刷，涂刷底层树脂需要注意以下两点。

(1）配制胶粘剂前，应对主梁混凝土粘贴面进行检查清理，混凝土表面结露或接触水的部位不得施工，除湿并确认粘贴表面干燥后方可继续操作。

(2）胶粘剂应尽可能填充碳纤维板与梁体粘贴表面之间的空隙，找平处理时，对未修复完全的模板错位造成的高差部位和混凝土浇筑时留下的气泡、空洞及转角部位，应用胶粘剂进行填充。

2.5 张拉碳纤维板材

张拉碳纤维板材是加固技术的核心工艺，张拉需要在化学胶粘剂凝结之前，具体张拉工艺分为三个环节，分别是张拉前、张拉中和张拉后。（1）张拉前，需要在碳纤维板上安装电阻应变片和力传感器；（2）张拉中应同时控制碳纤维板的应力和形变，设计应力值和形变值的差值应控制在10%以内；（3）张拉后，需要检查碳纤维板和混凝土之间的粘结状态，若出现较大的孔隙，需要立即进行挤压贴合处理。

2.6 加热养护及防护处理

张拉工艺完成后，需要拆卸张拉机具、锚具、锚栓等设备，使用加热恒温仪对碳纤维板进行加热养护，加热养护时间取决于化学胶粘剂的固化状态，待完全固化后可以结束养护，最后用结构胶覆盖碳板，以免遭受破坏。

3 试验结果分析

3.1 试验方案

本工程基于GB 50982-2014《建筑与桥梁结构监测技术规范》，对桥梁应力进行试验检测。桥梁的内力和位移监测是简支梁桥的主要测试项目，监测断面为试验跨中断面，测试分为跨中正弯矩对称和偏心两种工况，静荷效率值为0.95～1.05之间，车辆加载重总重量约为42t，前中轴距3.5m，后轮横向轮距1.8m。

3.2 静载试验结果

该桥加固前量测的相对残余应力（残余应力值与量测的总应力值的比值）最大值为15.54%，加固后相对残余应力最大值下降为5.14%，均满足规范规定。第3跨跨中梁底试验数据对照如表1所示。

表1 第3跨跨中各梁跨中残余挠度对照表

由表1可知，该桥加固前量测的相对残余变形（残余变形值与量测的总变形值的比值）最大值为14.23%，加固后相对残余变形最大值降为7.70%，均满足规范。

4 结语

(1）加固之前，相邻测点实测应力差别明显，校验系数跨度较大，横向联系较弱；加固之后，多数测点应力实测值比加固前下降，实测值横向分布曲线趋于平缓。这说明，采用预应力碳纤维板加固有效提高了该桥T梁的承载能力。

(2）加固之前，桥梁刚度不满足设计要求，各测点的校验系数均大于1，实测值相较于理论值较大；加固之后，绝大多数测点的实测值较加固前有所降低，校验系数均小于1，实测值横向分布曲线和计算曲线较为吻合。这表明，采用预应力碳纤维板加固之后，桥梁的刚度得到提高。