预应力碳纤维板加固桥梁技术的工程应用及试验研究

1 引言

随着我国经济实力的不断增强以及人民生活水平的不断提高，现有的交通基础设施已难以满足巨大的人口基数以及日益繁荣的社会生产经济活动的需求。国家在交通基础设施的建设上投入了巨大的资源，交通部门计划在现有的2.1万亿公路建设投资规模（至2020年）的基础上再增加2万亿以上规模的投资，在现有建设基础上进一步加强公路、桥梁等骨干交通网络的建设力度。大量的公路、桥梁、铁路、城市轨道交通等正以前所未有的速度得到建设，城市化与交通网络化进程的发展速度正在不断加快。另一方面，越来越多桥梁得到建设的同时，大量建于较早时期的旧桥其养护维修加固的工作正日益繁重。环境的侵蚀、材料的自然老化、车辆荷载的提高以及超限车辆的普遍存在均造成许多旧桥已无法满足安全运营的需要。为了合理的分配有限的公路建设资金，节省国家交通建设资源，挖掘在役旧桥的承载潜力，研究开发新型的桥梁加固技术与材料，并在病危旧桥的加固工程中合理的加以应用，恢复和提高旧桥的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交通运输的需要，是切合我国当前国情的必然选择。

预应力碳纤维板修复结构的工程技术是自二十世纪末开始研究的一项新型补强技术，是对传统的粘贴碳纤维板加固技术的重大改进。传统的外部粘贴式碳纤维板加固是在结构受拉区表面粘结碳纤维板，使其与原结构共同承受拉应力，从而实现对结构的加固。这种技术由于工艺简单、施工方便曾受到工程界的普遍青睐。但随着研究与应用的深入，这种加固技术逐渐被发现材料浪费极大。碳纤维板弹性模量低而拉伸强度高，充分发挥强度需要1.5%以上的拉伸变形，而通常桥梁的变形限制所允许的表面应变远远小于这一变形。当加固钢筋混凝土结构时这一缺陷更加显著：钢筋的屈服变形仅为0.18%，即便在不考虑钢筋初始变形的条件下（结构完全卸载的理想加固状态）钢筋屈服时碳纤维所能发挥的强度也不到12%。因此，采用传统粘贴方式进行碳纤维加固时，碳纤维板的高强性能仅能被利用很少的一部分，大部分的材料强度在结构的正常使用极限状态内都无法得到发挥[1]。预应力加固技术可使碳纤维在承担结构传递的荷载应力之前就已经处于较高应力水平，预先发挥了一定的强度，从而实现了其高强性能的较充分利用。因此，预应力碳纤维加固技术被认为是传统碳纤维加固技术的必然替代，在世界各国的研究人员都积极开展了研究工作[。

作者在针对预应力碳纤维加固桥梁技术进行了大量实验与理论研究的基础上，借助位于湖南省省道207线长沙市境内的瞿家段桥加固改造的机会，对该桥实施了预应力碳纤维板加固，并通过加固前、后不同阶段的近似同参数荷载试验，验证了这一新型技术的工程应用效果。

2工程应用

2.1 工程概况

瞿家塅大桥位于湖南省省道207线长沙市境内，是一座建成于1962年的∏型普通钢筋混凝土简支梁桥。全桥共有五跨，每跨跨径长为16.8m,加上两端的引桥全桥长度为100m，桥宽7.4m，每一跨由5片T梁组成，T梁之间由7片横隔梁相连，具体尺寸参数如图2所示。瞿家段桥原设计荷载为汽－15级，近年来公路运输发展较快，交通流量与重型车辆数量急剧增长，该桥的原设计承载能力已无法满足车辆通行需要；并且相关部门检查发现该桥存在T梁开裂、露筋，桥面铺装破损严重等较显著病害，因此长沙公路局决定对该桥进行提载性的加固改造，将其承载能力由原汽-15级提升至公路-II级；同时对原破损的桥面、护栏进行重建。

2.2 加固方案与施工工法

根据计算分析结果可知，要将瞿家段桥承载能力由原设计标准汽-15提升至新标准公路-II级，原桥结构正截面抗弯承载能力存在约707kN*m的不足。根据作者提出的预应力碳纤维板加固桥梁结构力学模型[11]，在每片T梁底部粘贴截面面积为120mm2，弹性模量为165GPa，初始应力为1200MPa的碳纤维板，能够提供约810kN*m的抗弯承载力，可满足桥梁结构的提载性加固需要。作者经过仔细调查、测试、比较，选择了瑞典Sika公司生产的Sika CarboDur S-1012型碳纤维板以及配套的Sikadur -30树脂作为本次预应力加固工程的材料。

粘贴预应力碳纤维板加固桥梁结构的主要工艺如下。

1）混凝土表面处理。这一环节是为保证碳纤维板与梁体之间的良好粘结。具体分为两个步骤：混凝土表面氧化层磨除以及风化层凿除；凹凸不平的部分采用打磨及环氧砂浆修补的方式找平。

2）在需加固梁体两端安装碳纤维板锚具及张拉机具，碳纤维板锚具安装如图4(a)所示，具体步骤为：（1）在安装锚具的位置用机械切出锚具预埋槽；（2）在预埋槽底部与锚具底板上螺孔对应的位置植入化学锚拴；（3）在预埋槽内填入环氧砂浆；（4）将锚具底板套入化学锚拴安入预埋槽，其上表面与结构混凝土表面齐平。

3）在碳纤维板粘贴面及结构混凝土表面涂抹Sika公司的配套粘结树脂，将碳纤维板材安装至锚具与张拉机具上并锚固。

4）张拉碳纤维板至设计初始应力，将碳纤维板锚固于张拉机具一侧的锚具，释放预应力，切断碳纤维板，如图4(b)所示。

5）拆除张拉机具，安装附加的U形锚