汪 洋，駱美勇，袁新順

(1.中交二航局建筑科技有限公司，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040)

石板大橋位于重慶市九龍坡區(qū)石板鎮(zhèn)，大橋共5跨全長130 m,所在線路道路為G212國道，等級(jí)為二級(jí)公路。其上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板結(jié)構(gòu)，橋墩則采用柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋面鋪裝層采用水泥混凝土路面。

由于石板大橋修建年限較早、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、交通運(yùn)輸量快速增長和重車超載等原因，橋梁開始出現(xiàn)嚴(yán)重的老化現(xiàn)象。橋梁管理部門在2014年對石板大橋進(jìn)行定期檢測，技術(shù)評(píng)定為3類，有中度缺損。但是在2018年的檢測中，橋梁被評(píng)為4類橋梁，主要構(gòu)件有重大缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能和承載能力，不能保證正常使用。憑借著經(jīng)濟(jì)性能好、施工便捷、對橋梁結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)，此次加固項(xiàng)目將采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)對石板大橋進(jìn)行加固，預(yù)應(yīng)力為60 kN。

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)

1.1 常見的加固方法

陳華等[1]指出加固行業(yè)中最常見的有三種加固方法。1)加大截面法：此施工工序較為復(fù)雜且會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響；2)非預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固：此方法雖然能夠增加極限荷載，但是無法發(fā)揮處出碳纖維板全部的抗拉強(qiáng)度，且應(yīng)力滯后現(xiàn)象十分明顯；3)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固：碳纖維已被預(yù)應(yīng)力拉直，在橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)可以立刻發(fā)揮作用，碳纖維抗拉強(qiáng)度得到了充分的利用。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)于20世紀(jì)80年代后期開始運(yùn)用于我國工業(yè)與民用建筑的加固修復(fù)中，并在20世紀(jì)90年代開始運(yùn)用于橋梁、隧道和其他特種結(jié)構(gòu)。

1.2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板的優(yōu)點(diǎn)

國內(nèi)外許多學(xué)者對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)都有深入的研究。Thanasis等[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)能最大限度控制裂縫的產(chǎn)生；AI-Saidy等[3]的實(shí)驗(yàn)報(bào)告展示了預(yù)應(yīng)力碳纖維板能夠?qū)p壞后的梁的承載能力恢復(fù)至損壞之前的狀態(tài)；鄧?yán)誓莸萚4]在他們的研究中指出預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的結(jié)構(gòu)相較于普通非預(yù)應(yīng)力加固方法，其承載能力和抗彎能力有顯著的提升；彭暉等[5]的實(shí)驗(yàn)也顯示了預(yù)應(yīng)力碳纖維板相比于非預(yù)應(yīng)力碳纖維板有更高的碳纖維的強(qiáng)度利用率，更能充分發(fā)揮碳板的強(qiáng)度。以上所有學(xué)者的文章中也均提及預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)有著抗拉強(qiáng)度高、自重輕、抗腐蝕和抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法施工主要工序

此次石板大橋加固所采用的技術(shù)為“后張法”，如圖1所示，碳纖維板通過摩阻錨固原理與固定端相連接，通過千斤頂頂推反力架的方式拉動(dòng)張拉桿，通過張拉桿傳遞拉力至碳纖維板并拉伸碳纖維板。具體工序如下所示：

在錨固端和張拉端位置開出深度為25 mm的槽，找平和清理開槽基面 → 在預(yù)定的位置鉆孔并種植化學(xué)錨栓 → 安裝錨固端和張拉端基座 → 安裝預(yù)應(yīng)力碳纖維板 → 在碳纖維板上涂抹適量的碳板膠 → 用專用的千斤頂設(shè)備逐級(jí)張拉，張拉分級(jí)為：0、20%、40%、60%、80%和100%，并持荷2 min → 用壓緊條將碳板與橋底板貼合、碳板膠固化 → 對預(yù)應(yīng)力碳纖維版和錨頭進(jìn)行防護(hù)處理。

2 力學(xué)分析

2.1 加固作用原理

碳纖維板的加固作用原理和目的是使碳纖維板承擔(dān)一部分構(gòu)件混凝土里面的鋼筋承擔(dān)的拉應(yīng)力，所以鋼筋混凝土構(gòu)件受到的拉力能得到有效的緩解，從而保護(hù)混凝土構(gòu)件。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，石板大橋加固所用的預(yù)應(yīng)力碳板的抗拉強(qiáng)度高達(dá)2 400 MPa，彈性模量為1.6× 105MPa，如果要發(fā)揮抗拉強(qiáng)度需要1.7%的伸長變形；可是鋼筋的抗拉強(qiáng)度只有300 MPa而且拉伸率僅僅為0.15%。如果不加預(yù)應(yīng)力，就算鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)碳纖維板也僅僅發(fā)揮出8.8%的抗拉強(qiáng)度；而如果讓碳纖維板發(fā)揮出全部強(qiáng)度，混凝土結(jié)構(gòu)則會(huì)產(chǎn)生大的變形和明顯的裂縫。所以對碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力能預(yù)先發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度，從而提高強(qiáng)度利用率。

2.2 預(yù)應(yīng)力的損失

石板大橋加固工程采用的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)屬于“后張法”，由于張拉工藝和材料的特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力會(huì)部分損失，因此預(yù)應(yīng)力損失后剩余的預(yù)應(yīng)力即為有效預(yù)應(yīng)力。參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，主要有瞬時(shí)損失和長期損失。瞬時(shí)損失主要有：1)錨具變形和碳纖維板回縮引起的損失；2)后張拉的預(yù)應(yīng)力碳板所產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮變形會(huì)導(dǎo)致相鄰先張拉的預(yù)應(yīng)力碳板的預(yù)應(yīng)力損失。長期損失主要有：1)溫度變化造成的預(yù)應(yīng)力損失；2)碳纖維板徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失； 3)混凝土的收縮和徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失[4]。

以上造成預(yù)應(yīng)力損失與碳纖維板的幾何尺寸、錨具的構(gòu)造類別、施工方法以及混凝土的強(qiáng)度有比較大的關(guān)系。根據(jù)鄧?yán)誓菡撐闹械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)應(yīng)力損失基本在施加預(yù)應(yīng)力的8%以內(nèi)。由于千斤頂?shù)淖x數(shù)與實(shí)際也有一定的誤差，所以建議預(yù)應(yīng)力損失估算值為10%～15%。

3 加固效果分析

如圖2和圖3所示，本次橋梁加固項(xiàng)目采用有限元分析軟件Midas Civil建立有限元分析模型，主梁為平面梁單元。按照設(shè)計(jì)，考慮了永久作用載荷、汽車、人群、溫度等荷載。橋全長130 m，跨徑組合為：17 m+3×23 m+17 m。預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉力為60 kN。

表1 加固前后最不利截面彎矩驗(yàn)算表 /(kN·m)

根據(jù)Midas Civil的計(jì)算結(jié)果，如表1所示，預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉以后彎矩抗力值在墩頂截面、中跨跨中截面和邊跨最大彎矩處截面均滿足要求，故此次加固項(xiàng)目達(dá)到恢復(fù)橋梁承載力的目的。

4 施工應(yīng)注意的問題

石板大橋修建于1999年，由于其修建年代久遠(yuǎn)以及施工工藝等問題，給現(xiàn)場施工帶來了些許不便。因此有必要列舉此次施工應(yīng)注意的事項(xiàng)和問題，以便分享經(jīng)驗(yàn)防范施工風(fēng)險(xiǎn)。

1)由于錨固端位于橋墩附近，且該處鋼筋分布十分密集，所以應(yīng)提前用鋼筋探測儀探明鋼筋的具體位置，再選擇合適位置打孔。

2)由于當(dāng)年修建石板大橋的年代存在施工人員素質(zhì)參差不齊和施工工藝較落后等問題，開槽發(fā)現(xiàn)混凝土保護(hù)層存在過薄的情況，有的厚度甚至不到5 mm。面對這種情況需要使用壓緊條保證碳纖維板和橋底面相貼合。

3)由于錨具的設(shè)計(jì)原因，錨栓孔過大，從而導(dǎo)致四只錨栓穿過錨具后不能保證全都能與支座相接觸并提供抗剪力。所以張拉過程中存在四只錨栓不全都抗剪的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能只有一根錨栓抗剪。所以施工中一定要保證所有錨栓都要接觸到錨具，如有未接觸現(xiàn)象，務(wù)必保證使用適當(dāng)措施填充滿錨栓與錨具之間的縫隙。

5 展 望

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)目前已在一定數(shù)量的工程中得到應(yīng)用并取得了良好的加固效果，有效解決了碳纖維板與鋼筋共同工作性能差的缺點(diǎn)，充分利用了碳纖維板的抗拉強(qiáng)度。但是目前而言在此項(xiàng)技術(shù)的研究還是非常薄弱，施工工藝也有待加強(qiáng)，以下幾項(xiàng)值得進(jìn)一步完善和研究：

1)目前建筑行業(yè)中還是缺少有針對性的技術(shù)規(guī)范，有的相關(guān)公式都只是借鑒于其他規(guī)范尚未形成一套整體。有的規(guī)范多限于梁底加固，對于梁側(cè)加固甚至是鋼結(jié)構(gòu)加固缺少研究，成為技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。

2)缺少加固完成后碳纖維板長期性能的研究，預(yù)應(yīng)力的損失、碳纖維板的耐腐蝕性、壽命和耐火性都缺少研究和實(shí)驗(yàn)。

3)開發(fā)一種不需要開槽且同樣可以讓碳板與橋底板相貼合的錨具，避免出現(xiàn)論文所描述的混凝土保護(hù)層過薄現(xiàn)象對施工造成的困擾。

4)隨著越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)需要加固，需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)加固運(yùn)算專用的插件，以便更有效地運(yùn)用Midas Civil、Ansys甚至是BIM相關(guān)軟件。