碳纤维加固
预应力碳纤维加固桥梁实际工程
关键词：桥梁预应力纤维板,碳板锚具,碳板张拉机,工程应用
尚守平吕新飞张宝静
（湖南大学土木工程学院，湖南长沙，410082）
0 前言
改革开放以来，我国的桥梁建设取得了举世瞩目的巨大成就，虽然我国所建设的桥梁数量众多，并且有很多桥梁在世界桥梁中位居前列，但整体情况不容乐观，许多建国初期建造的桥梁由于材料老化、环境腐蚀、荷载增加、标准提高、设计施工不当、使用功能变更等众多原因逐渐成为病桥、危桥，为了延长桥梁的使用寿命，提高其使用性能，满足更高的功能要求，需要对这些桥梁进行重建或者加固补强，若拆除重建，势必会给国家社会带来极大的经济负担，但传统的加固方法存在施工困难、工期长、抗腐蚀性差、耐久性差的缺点。预应力碳纤维板修复结构的工程技术是自20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，它能充分利用碳纤维复合材料的高抗拉强度，避免碳纤维过早剥离的现象，很好地提高结构的强度和刚度，有效地减小结构原有裂缝宽度和限制裂缝的形成与发展等，显著改善结构的工作性能。
目前，国内外关于预应力碳纤维片材加固大多局限于试验室内研究，关于实际加固工程的应用研究还不是很多。本课题组成功运用由长沙磊鑫土木技术工程公司（0731-********，138********）提供的预应力碳板张拉和锚固装置在中国湖南省浏阳市金刚头桥、湘潭县解放桥和湘乡市洙津渡大桥加固工程中得到了实际应用，取得了优良的加固效果。在浏阳市金刚头桥加固完成后，作者还通过预先粘贴在碳纤维板上的光纤光栅传感元件对其进行了长达两年的监测，研究了环境温度、碳板徐变、锚具滑移等因素对加固效果的影响。结果显示预应力碳纤维板加固技术拥有传统的非预应力碳纤维加固技术及体外预应力无法比拟的优势，具有较大的工程实用价值。
1 预应力碳纤维板加固梁桥的关键技术
在预应力碳纤维板加固桥梁的技术中，最关键的就是碳纤维板的张拉和锚固，预应力碳板加固梁桥主要施工工艺如下：（1）结构表面处理：用环氧树脂对梁体裂缝进行封闭处理，去除混凝土表面的油污等杂质，用高性能复合砂浆对结构表面找平；（2）安装锚具及张拉机安装：先根据锚具底板和张拉机尺寸在混凝土表面凿出相应大小的凹槽，安放锚具时，要使锚具底板上表面与梁表面混凝土表面平齐；（3）张拉碳板：张拉前，先将碳纤维板一端锚固，用扭力扳手对锚具的各个螺栓施加计算的的扭力，确保锚具对碳板的有效锚固又不剪断碳丝。使碳纤维板纵向轴线通过锚具的中心线，以便张拉过程中碳纤维板均匀受力，避免不对
称张拉对碳纤维板的破坏；（4）逐级张拉同步顶升千斤顶至张拉控制应力，通过碳板应变和千斤顶压力双控控制张拉应力；（5）张拉完成后，用扭力扳手对张拉端锚具压条的各个螺栓施加计算的的扭力，卸除千斤顶，在碳纤维板表面及锚具上粉饰水泥复合砂浆砂浆作为防护层。
在被加固结构和张拉锚固好的预应力碳纤维板之间，可以使用结构加固胶进行填充，即将碳纤维板与结构粘结为一体，由锚具和结构加固胶将碳纤维板固定于被加固结构表面，随着时间的推移，结构加固胶老化，逐步转变成无粘结状态，仅由锚具对碳纤维板提供拉力。这就是变粘结预应力碳纤维板加固技术，该技术（1）操作简单方便；（2）变粘结预应力，使得后期的无粘结与早期的有粘结具有相同的裂缝间距和裂缝宽度（裂缝宽度小），有利于结构的防锈和耐久；（3）施工便捷，适用于既有构件的加固，能同时具备有粘结（裂缝间距小，裂缝宽度窄）和无粘结（施工便捷）的优点。
2预应力碳纤维板张拉锚固设备
由长沙磊鑫土木技术工程公司（0731-********，138********）受权制造的具有工程实际应用价值的预应力碳纤维板锚具及张拉装置均获得国家发明专利。
为了检测锚具及张拉机的长期工作性能，本课题组进行了锚固端碳板滑移测试和碳板长期应力松弛光纤光栅测试。锚固端碳板滑移测试试验中先锚固端和后锚固端的碳纤维板材滑移量从放张时刻开始计算，经过近4000个小时监测，碳纤维板先锚固端和后锚固端测得的最大滑移仅分别是0.022mm和0.037mm，且滑移趋于缓和。碳板长期应变光纤光栅测试中，由图5碳纤维板时间-应变曲线可看出，碳纤维板在放张后的前近2个月2000小时内有较小的应变变化，应变曲线呈上升趋势，而在之后的时间内碳纤维板应变变化很小，应变曲线趋于零。这说明该专利产品具有良好的长期性能，能够有效减小加固后碳纤维板锚具滑移对结构的不
利影响。
需要说明的是：碳纤维板是在室内采用高温固化工艺成型的，因此相对于常温固化的环氧树脂胶耐高温性能好得多（亦有实验证明）。常温固化的环氧树脂胶在温度＞60°后开始软化，其强度和弹性模量迅速退化；而碳纤维板的高温力学性能要好得多，因此热老化速度也慢得多。只要不置于阳光下直晒，其紫外线照射老化速度也低得多。这里的碳纤维板不依靠常温固化的环氧树脂胶粘帖在被加固构件上，而是靠两端的锚具提供锚固力保持预应力，因而其耐久性和耐高温（120度以下）性能均很好。
3 浏阳金刚桥（2006.1.）
课题组2006年对浏阳金刚头桥成功进行了预应力碳纤维加固。该桥每跨由5片T梁组成。
由于经过了40多年的运营，原桥梁主梁已呈现出老化、腐蚀甚至开裂的迹象，加之交通流量和汽车载重量不断增长，该桥的承载力和刚度都已不能满足现今规范和实际使用的要求。为了达到既提高该桥承载力又减小其在使用荷载下变形的目的，经研究决定对其进行预应力碳纤维板加固。浏阳公路局在每根T梁的梁底张拉锚固两根截面尺寸为1.4mm×100mm 的碳纤维板，梁两侧分别张拉锚固两根截面尺寸为1.4mm×50mm的碳纤维板，并对每根碳纤维板施加1000MPa预拉应力。
加固完成后，课题组对金刚头桥进行了车载试验和长期的光纤光栅监测，车载试验结果表明：预应力碳纤维板加固明显地减小了桥梁挠度，间接提高了结构刚度，改善了结构的使用性能。图8所示为长期光纤光栅监测传感器布置及监测结果，从监测结果来看，在加固完成后近两年的时间里，碳纤维板的应变变化最大值还不到初始预应变的0.4%。可见碳纤维板的长期应变很小（在用专利锚具的前提下），徐变产生的应力重分布对结构加固的不利影响也非常有限。加固后的金刚头桥已能满足现今大流量、大载重车辆通行要求。
4 湘潭解放桥（2012.10.）
解放桥于1965年建成通车，至今已使用37年，全长21.5米。每跨由8块6.5米长的预制钢筋砼板组成。由于车流量大及大型车辆碾压，使桥面预制板中间跨两侧边板发生较大的侧移滑动，桥面铺装层出现很大的裂缝；加上混凝土普遍压坏，严重影响桥面行车。
由于公路局要求加固施工中该桥不中断交通，为尽量减少对交通影响，采用半幅封闭施工的方式，主要对桥面板采用预应力碳纤维加固，将桥梁整体荷载等级汽10级升至汽15级。且桥面宽度由8米增加到11米。
图9是解放桥板底碳纤维板的张拉及锚固的实况
图10 是解放桥加固完后竣工通车实况
5 湘乡珠津渡大桥（2013.8.）
G320国道湘乡洙津渡大桥位于湘乡市区以西大约7公里，桥梁宽13米，长306.24米，共9跨，最大跨度50米。桥梁为预应力混凝土单箱双室的变截面箱梁结构，设计荷载等级为汽—20，于2001年1月建成通车。
该桥于2012年5月22日评定为四类桥，桥梁承载能力低，需进行加固处理。湘潭市公路管理局迅速启动了桥梁应急预案，对大桥进行交通管制，通过省内知名桥梁专家的评审、复评审以及市政府组织的方案论证会，决定采用体外预应力碳纤维板等技术进行大桥加固。
如图13所示，洙津渡大桥的加固主要采取弯矩调幅法加固；主要在箱内与桥面（图14）进行，采取半幅通车，半幅施工的方式（图15）。施工完成后经检测，该加固技术成功实现了加固的目的，并且弥补了该桥的设计缺陷，加固效果超过了公路二级的要求。
桥梁50米跨中自振频率由2.1提高到2.55，显著减小了振动。实现了预应力碳板间接加强梁桥刚度的目标。
在加固后的结构检测中，该桥的正截面强度和斜截面强度都得到提高，满足原设计公路二级的要求。预应力碳板间接加强了梁桥刚度，使桥梁自振频率由2.1提高到2.55，明显减小了车辆通过时的振动感。
6 结语
使用由长沙磊鑫土木技术工程公司（0731-********,138********）提供的锚具和张拉机具以及高性能复合砂浆添加剂成功地对中国湖南省浏阳市金刚头桥、湘潭县解放桥和湘乡市洙津渡大桥进行了预应力碳纤维板加固，加固后的桥梁具有良好的工作性能，其承载力和刚度均大大提高，满足通行要求。工程成功实施看出预应力碳纤维板加固技术具有良好的综合经济性：其造价低廉，综合性价比高；施工周期短，可以在不中断交通的情况下施工；环境污染少；耐久性好，整体维护费较低；加固可靠度高等优点。
预应力碳纤维板在实际工程中的成功应用表明：预应力碳纤维板材加固桥梁结构技术在提高结构抗弯刚度、承载力，减小结构变形，抑制裂缝发展等方面表现出了显著的效果，拥有传统的非预应力碳纤维加固技术及体外预应力无法比拟的优势，具有较大的工程实用价值。