体外预应力碳纤维板加固

1、概述

    公路桥梁主要承受弯剪作用的主梁结构，在经历了长期运营后，由于交通量逐年增加、车辆严重超载、原设计荷载标准较低、原设计或施工存在先天缺陷、自然灾害、基础非正常下沉、未进行耐久性设计以及养护管理不到位等原因，出现了承载力下降或不满足现行规范要求的技术状况，对行车及桥梁结构安全带来极大威胁。当承载能力损失较大时（一般当检算承载能力不足最不利状况条件下荷载组合效应的90%）就必须及时采取主动加固措施进行加固处治，改善原结构受力状态，以消除隐患。

    预应力碳纤维板加固是最近几年新兴的一种加固方法，在全国各地的中小跨径桥梁加固中都有不少实践应用，该方法主要针对中小跨径梁式桥抗弯承载能力不足导致的跨中结构性裂缝（底板横向裂缝、L型或U型裂缝）病害，可以考虑采取体外预应力碳纤维板加固来提高或恢复承载能力。

2、加固原理

    碳纤维板以其质轻、高强、耐腐蚀，近年来成为加固领域的热点材料，其弹性模量160GPa，抗拉强度2400MPa，要发挥抗拉强度需要大于1.7%的拉伸应变。钢筋的弹性模量200GPa，普通钢筋抗拉强度370～570MPa，当碳纤维板与构件内部钢筋共同工作时，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服时碳板所能发挥的强度也仅为其抗拉强度的10%~20%，而如果在碳板发挥全部强度所需要的1.7%的应变下，混凝土结构就已经发生破坏（钢筋拉断，混凝土压坏）。由此看出，碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、但强度是钢筋的5～8倍，钢筋屈服或混凝土破坏时，碳纤维板的强度尚未充分发挥出来。预应力碳板加固技术可较好的解决这个问题，大大提高碳纤维材料的利用率。

    预应力碳纤维板加固原理同预应力钢束加固一样：通过在主梁受拉区（跨中截面主梁下缘和墩顶截面主梁上缘）张拉新增的体外预应力碳纤维板来提高受拉区混凝土压应力储备来实现，但应注意不能使原结构由适筋梁变为超筋梁，从而导致结构由塑性破坏变为脆性破坏。必要时应增加植筋工艺使桥面铺装与主梁顶板形成整体而共同受力，以达到同步增大受压区混凝土面积的目的，使结构仍处于适筋梁破坏状态。鉴于目前该加固系统应用只适用于直线布束加固，故一般应用于中小跨径桥梁纵向受拉区加固和大跨径桥梁顶底板横向加固等。

3、预应力碳板加固体系

（1）组成

    由碳纤维板及配套粘贴胶、锚板、工具锚、工作锚、反力架、千斤顶、张拉螺杆、分配梁、钢板压条等几部分组成，如图3.1所示。

图3.1 平板锚预应力碳板体系结构示意图

（2）碳纤维板性能指标

    碳纤维板只能承受沿其长度方向的拉应力，不能承受宽度方向拉力和厚度方向剪力，故在施工过程中必须保证张拉时千斤顶轴线与其轴线重合，否则容易出现纵向开裂而破坏，锚（夹）具夹持时必须保证圆滑的面接触，不宜采用齿牙式咬合，否则容易被剪断。其力学性能指标见表3.1所示。

表3.1 碳纤维板材料力学指标

（3）锚（夹）具

    由于碳纤维板只能承受沿其长度方向的单向拉力，不能承受剪力的力学特性，张拉锚（夹）具一般采用钢板夹持，其锚固性能依靠两层钢板与碳纤维板间的夹持力和结构胶的粘结力来实现。本加固系统锚具采用平板锚，即两块钢板与碳纤维板间的两个夹持面为相互平行的平面，利用钢板夹持力和结构胶的粘结力进行锚固。优点是不损伤结构钢筋、表面美观；缺点是通过较大的锚板锚固于梁体上，锚栓数量较多，施工水平要求较高。锚固后单端张拉应力，可适用于多种断面碳纤维板张拉，可提供的最大预张力250kN。

（4）碳板胶

所用碳纤维复合材料胶黏剂需符合表3.3的相关要求。

表3.3 碳纤维粘贴用胶黏剂安全性能指标

（5）锚固

锚具与梁体间通过锚板和高强化学锚栓进行锚固，高强化学锚栓数量和间（边）距必须按照《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ 145-2013第6章的相关规定进行栓体和锚固区混凝土承载能力验算，并符合第7章构造措施要求。其破坏模式宜控制为栓体塑性破坏，而不应发生锚固区混凝土脆性破坏。

（6）钢板压条

当碳纤维板全长范围内梁体表面因起拱、挠度变形等原因而不在一个平面时，需分段采用钢板压条通过锚栓加压将其与梁体紧贴在一起，以保证锚固效果和减小自由振动。锚具之间每隔2~3m左右设置一道钢板压条，确保碳板与梁底密贴。

4、施工操作要点及注意事项
4.1 施工准备
4.2 交通管制

施工步骤：施工准备→交通管制→搭设作业平台→界面处理→锚板安装→碳板安装→碳板张拉和粘贴→安装钢压条→梁体表面修饰→检查验收。

（1）施工前根据检测报告或设计图纸先对墩梁技术状况进行统计分析，对施工环境进行考察。

（2）根据桥型结构及技术状况和施工环境制定施工组织设计。

（3）进行驻地建设。

（4）进行五通（路通、电通、水通、通讯通、网络通）一平（平整场地）。

（5）订购碳纤维板及配套碳板粘贴胶、修补胶、高强锚栓及配套植筋胶或化学胶管。

（6）选择有资质的厂家进行锚具加工或购置成品配套锚具。

（7）进行加固材料（碳板、结构胶、锚栓等）送检试验。

（8）加工施工专用吊架。

（9）对工具和设备进行检修。

（10）对张拉系统进行标定。

（11）根据统计结果准备足量的材料并有一定富余。

（12）对所有参与人员进行技术和安全交底。

（13）制定交通管制方案，并办理交警、路政手续。

预应力碳纤板加固体系施工过程可不封闭交通，只需进行限速管制即可。

4.3 搭设作业平台

预应力碳板加固施工作业平台宜采用落地支架或高空吊架施工。

4.4 界面处理

（1）根据设计图纸在梁体表面进行碳板位置放样。预应力碳纤维板两端锚具安装后的中心线同轴线误差应控制在设计规定的范围内；无设计要求的，其安装后的中心同轴线允许误差为±10mm，角度允许误差≤0.1°。

（2）用砂轮机将碳板分布位置及两侧各2～3cm范围内梁体表面碳化层打磨掉并形成垂直碳板长度方向的纹理。

（3）对碳板全长范围内（或相邻钢板压条间）梁体表面平整度进行检查，要求小于5mm/3m。当有局部凸起时，应采用电镐凿平，当有孔洞或坑槽时采用修补胶找平。

（4）碳板安装前，将混凝土界面用脱脂棉沾丙酮擦拭干净后涂刷界面胶。

（5）对两端锚板需要在梁体表面开槽的部位根据设计尺寸采用切割机切割边界，电镐开槽，槽口深度应确保锚板外平面与混凝土表面基本平齐（误差2mm以内），并使主梁分布钢筋外露。

（6）锚板与混凝土接触面先用角磨机进行除锈和糙化处理，除锈后的钢板表面应显露出金属光泽，糙化的纹路应均匀，纹路方向应垂直于锚板受力方向，最后用脱脂棉沾无水乙醇将钢板表面擦拭干净。

4.5 锚板加工与安装

（1）锚板加工

按图纸要求，委托有资质的专业工厂加工或采购与锚具配套的成熟产品。

（2）锚板表面处理

锚板进场后，需对表面存在的毛刺和棱角进行打磨，尤其对易与预应力碳板刮蹭的部分进行打磨，以防刮伤预应力碳板。采用角磨机砂轮打磨除锈，必要时采用喷砂法除锈，除锈合格后及时涂刷底漆防止返锈。

（3）锚板安装

按照锚栓设计位置放样，如与原预应力钢筋或普通钢筋冲突，可适当调整锚栓位置，但不得与碳板和锚具的位置冲突。根据实际成型的锚栓位置对锚板放样和打孔，采用粘钢工艺密贴安装，锚栓与锚板孔壁间隙采用结构胶填充密实，并将螺帽拧紧适当加压。

4.6 碳板安装

将整条成套碳板（两端已分别装好工作锚具和工具锚具）平铺在梁底支架上，注意张拉端方向与梁底锚板一致；将碳板工作锚端抬起与锚板连接；用张拉螺杆将工具锚端和反力架连接，使碳板处于悬垂状态，碳板距梁底表面保持20～30cm间隙。

4.7 碳板张拉

（1）碳板安装就位后，安装千斤顶和分配梁，安装时注意千斤顶轴线与碳板轴线应一致。

（2）正式张拉前应先进行试顶，以检查千斤顶轴线是否与碳板轴线一致，发现不符合要求，需调整两侧螺杆长度。

（3）试顶没问题后，将千斤顶回油，必要时将千斤顶取下来，使碳板处于悬垂状态，再次用脱脂棉沾无水乙醇将碳板粘贴面擦拭干净后在碳板上表面和工作锚具固定钢夹板表面涂抹粘贴胶。涂抹时，应使中间高两侧低，呈鱼脊状，其用胶量约为8kg/m。

（4）粘贴胶涂抹完后立即进行分级张拉，张拉顺序为：0→20%→40%→60%→80%→100%→持荷载5min。过程中应同步测量伸长值。张拉采用张拉力和引伸量双控制，当实测引伸量与计算引伸量相差值超过±6%时，应停止张拉并分析原因，对存在的问题进行彻底解决后方可进行张拉。

（5）张拉时宜采用PLC控制系统对同一片主梁左右侧对称张拉，以免产生附加内力，同时可以对张拉力和位移进行分级精确控制。

4.8 安装钢板压条

（1）张拉到设计吨位，持荷满5min且观察力值稳定后，方可拆除张拉设备，开始按照粘贴钢板工艺安装钢板压条作业。

（2）钢板压条应从主梁的跨中部位向两端紧固，钢板压条紧固至碳纤维布顶面与梁底面有大约5mm厚的密实胶层为宜。

（3）钢板压条紧固完成后，铲除碳纤维布两侧挤出的粘贴胶，并收边、填充边缘缺胶部位、擦除碳纤维布表面残留的粘贴胶。

4.9 梁体表面修饰

（1）钢板压条施工安装完成后，对碳板边缘和钢板压条边缘采用粘贴胶涂抹倒脚，并清理表面多余胶体。

（2）采用钢丝网聚合物砂浆将梁底面全部进行涂抹防护。

4.10拆除工作平台

（1）拆除应按照搭设的逆顺序进行，即：后搭的先拆，先搭的后拆。

（2）拆除时严禁上下同时作业。

（3）拆除过程中应根据现场情况采用一定的安全设施，比如与工作平台独立的安全绳，将所有人的安全带均挂于安全绳上。

4.11加固完成后效果

5、质量验收

5.1 基本要求

（1）所用碳纤维板及胶粘剂的品种、规格和性能必须符合现行有关规范及设计要求。

（2）预应力碳纤维板加固施工应严格按照设计、相关技术操作规程和批准的施工工艺方案进行。

（3）预应力碳纤维板加固施工前，必须先对原构件进行表面缺陷修补和裂缝处理。

（4）碳板接触部位的梁体表面的突起、错位必须处理平整，防止碳板受损。

（5）碳板发生转角处必须进行倒角圆顺处理，处理后的圆弧半径应满足设计要求。

（6）碳板张拉时必须保证千斤顶轴线与轴板轴线、锚固装置轴线三线重合。

（7）碳纤维板的运输、安装过程中应采取可靠措施防止机械损伤。

（8）锚固件的锚栓工程需符合以下基本要求：

① 所用锚栓、胶粘剂的质量和规格必须符合现行有关规范及设计要求，且锚栓数量不得少于设计数量。

② 锚栓施工应严格按照设计、施工规范、相关技术操作规程进行。

③ 基材强度应满足设计要求，基材表面应坚实、平整，在锚固深度的范围内应基本干燥。

④ 锚栓钻孔应避让原有主筋和预埋件。

（9）千斤顶、油表等计量器具应经有资质的计量机构检验和校准。

（10）在碳板张拉过程中，宜对原桥控制截面和关键位置的应变及主梁挠度进行施工控制。

（11）外露钢构件的防腐处理应符合设计要求。

5.2 实测项目

表5.1 体外预应力碳板加固质量控制标准

5.3 外观鉴定

（1）钢构件轮廓线顺直，无明显折变。

（2）钢构件防腐涂层应完整光洁，均匀一致，无破损、气泡、裂纹等缺陷。

（3）碳板胶粘剂固化后，胶层应均匀饱满、无胶瘤。

（4）碳板不得出现纵向裂缝。

（5）锚栓工程需符合以下规定：

① 化学锚栓的锚孔内胶粘剂应饱满，不得有未固结现象；胶粘剂固结后应清理溢出部分胶粘剂。

② 锚栓不得有松动，表面无锈蚀、无损伤。

③ 锚栓孔周围混凝土表面不得出现受力裂缝。