预应力CFRP板在装配式小箱梁桥加固中的应用*

陈金州，李 谦，宋 林

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引言

装配式小箱梁构造简单、施工便捷、应用广泛，但普遍存在严重病害和安全隐患，因此对该类结构桥梁进行加固改造已刻不容缓。传统加固法主要有粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法和体外预应力法等[1]，其中，粘贴碳纤维增强板(carbon fiber reinforced plate，CFRP)具有明显优越性,在国内外桥梁加固中应用广泛，设计理论已较成熟[1-2]；但受限于预应力CFRP板材的计算理论和施工工艺，有关预应力CFRP板材加固混凝土梁的试验和理论研究主要集中在实验室模型阶段，针对实桥的研究相对较少[3]。

本文依托岩盘沟大桥加固工程，进行预应力CFRP板材带载主动加固设计与验证，并总结基于装配式锚固装置的快速施工工艺。

1 工程概况

岩盘沟大桥位于宜昌市秭归县境内，桥跨布置为(43+40+40)m，采用装配式正交预应力混凝土小箱梁，先简支后连续结构。桥面宽10.5m，上部结构横向布置3片梁，预制梁高2.0m；桥面铺装原设计采用的13cm厚C50防水混凝土出现局部破坏，2014年调整为5cm厚沥青混凝土+防水层+10cm厚C50防水混凝土。2015年，经荷载试验检测评定，其桥跨结构不满足公路-Ⅱ级设计荷载下的承载能力要求。因此，需对本桥进行加固改造。

为提高主梁承载能力，采用主动加固设计方案：桥梁结构自重及其他早期恒荷载由原结构承担，桥面铺装重新改造增加的恒荷载和使用阶段的活荷载由加固后的组合截面承担[2]。桥址邻近三峡大坝旅游景区，处于交通要塞，缺乏转换或替代交通道路，须在减小交通影响的情况下，对桥梁结构进行快速、带载加固。

2 加固设计

为更好地推动CFRP材料在桥梁工程中的应用，研发预应力CFRP板材加固技术。通过锚栓将锚固装置固定在待加固梁上，并对CFRP板施加预应力；该预应力经锚固装置传递给主梁后，主梁与CFRP板材形成新的内力自平衡状态；在受拉区采用黏结剂加强CFRP板与主梁的共同受力，从而提高主梁承载能力。该技术同时具有普通粘贴CFRP布加固法和体外预应力加固法的优点。

2.1 预应力CFRP板材与锚固装置

相同张拉控制应力下，10cm宽CFRP板材的张拉力为5cm宽的2倍，即提供的预应力达到双倍效果；对于底板相对较宽的混凝土箱梁，采用10cm宽CFRP板材及其配套的锚固装置，布局更经济、美观，施工更快捷。

2.2 预应力CFRP板材张拉控制应力

目前没有相关标准规范对CFRP板材张拉控制应力做出明确规定。由CFRP板材型号分类和材料特性可知，Ⅰ级CFRP板材的延伸率一般≥0.017[4]，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[5]，允许拉应变[εcf]≤0.017×2/3=0.011，且应同时满足[εcf]≤0.01，所以取[εcf]=0.01[6]，经计算得到允许张拉控制应力为1 650MPa，故张拉控制应力取0.65倍极限张拉应力较保守、安全和合理。

2.3 预应力CFRP板材有效预应力

CFRP板材作为体外预应力筋使用尚处于探索阶段，其材料属性、锚具及预应力损失与传统预应力钢筋不同[1]。对运营5年以上的岩盘沟大桥进行体外预应力加固设计时，可忽略由混凝土收缩和徐变引起的预应力损失。初始张拉应力小于50%CFRP板材抗拉强度时，松弛对其产生的预应力损失可忽略不计。由张拉体外CFRP板材引起的混凝土压缩会导致预应力混凝土小箱梁体内预应力产生损失。因此，预应力损失主要为体内预应力损失和CFRP板材的锚固回缩。

2.4 加固设计要点

1)利用树脂类材料在小箱梁底板纵向粘贴2条高强度 Ⅰ 级预应力CFRP板，尺寸为100mm×2mm，同步张拉，形成复合结构，通过与混凝土主梁协同工作对构件起加固作用，改善结构受力性能[2]。

2)受限于锚固装置与混凝土主梁的局部应力控制，10cm宽预应力CFRP板材的单条张拉控制应力取1 395MPa，即161kN。张拉控制应变为0.5%，张拉采用应力和应变双控，且偏差应≤6%。为防止CFRP板发生剥离破坏，锚固区采用多螺栓齿锁锚固设计。

3)预应力CFRP锚具及支座构造如图1所示。CFRP板现场下料、夹持、张拉等工序可在短时间内完成，且可避免大型施工机械设备和现场湿作业，实现快速施工。

图1 预应力CFRP锚具及支座构造

3 有限元分析与试验结果

为获取桥梁的真实工作性能，加固前、后均对岩盘沟大桥进行荷载试验，对比分析加固前、后主梁关键截面在荷载作用下的反应，评估桥梁加固效果，确定桥梁加固后的实际承载能力和使用性能[3]，并结合理论计算值评价CFRP板材加固效果，确定理论分析精准度。

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil软件，使用梁格法建立全桥分析有限元模型，共划分371个结点，235个梁单元，256个虚拟梁单元(模拟主梁间横向联系)，如图2所示。

图2 岩盘沟大桥梁格模型

用虚拟横梁代替桥梁横向连系，避免横向分布简化带来的计算误差。CFRP板材料弹性模量为1.6×106MPa，容重为18kN/m3，线膨胀系数为1×10-6/℃。

3.2 测点布置

经计算，得到加固前、后主要静载试验工况如表1所示，测点布置如图3，4所示，除1号梁挠度测点(fa-1，fb-1，fc-1，fg-1)外，其他均为应变测点。工况2，7偏载状况下加载车辆布置如图5所示。动载试验过程中，在图3所示3个跨中截面各布置1个频率测点，1个动挠度测点。

表1 静载试验工况

图3 岩盘沟大桥试验跨控制截面布置

图4 A—A(B—B，C—C，D—D，E—E，G—G)截面应变及挠度测点布置

图5 工况2，7加载位布置

3.3 静载试验分析

3.3.1应变分析

预应力CFRP加固前、后，主梁在各工况下的应变变化如图6所示(负值表示压应变，正值表示拉应变)。限于篇幅，仅列出部分工况的应变变化曲线。

图6 各工况下加固前、后主梁应变曲线

加固前，工况1，2，5作用下的应变实测绝对值均小于理论值；工况3，4作用下B—B截面4号测点的实测值大于理论值，说明该工况作用下第2跨跨中梁底偏不安全；同时，工况6，7作用下G—G截面5号测点的应变实测值大于理论值，此处应为加固设计的关键部位。

经预应力CFRP加固后，岩盘沟大桥实测应变值小于加固前的实测应变值，且小于理论值；加固后的应变理论值、实测值曲线变化趋势基本相同，且两者相差较小。预应力CFRP加固理论计算合理，加固后岩盘沟大桥主梁的受力性能得到明显改善。

3.3.2挠度分析

通过CFRP板对主梁施加预应力后，各工况下的挠度值均小于理论值。加固后的理论挠度值较加固前有所减小，最大相差8%，出现在工况3作用下的B—B截面；其中，主梁加固后的挠度实测值较加固前最大减小1.65mm，出现在工况2作用下的A—A截面。说明预应力CFRP板加固可显著减小主梁结构变形。

3.4 动载试验分析

岩盘沟大桥加固前、后结构一阶频率实测值如表2所示，桥梁加固前、后结构一阶频率的实测值均大于理论计算值，且加固后一阶频率变大；实测振型与计算模型振型吻合较好。因此，预应力CFRP板加固可提高结构竖向刚度。

表2 岩盘沟大桥加固前、后一阶频率

4 加固施工

1)放样与基层处理 按设计图纸放样，用钢筋定位仪核定钢筋位置，并确定CFRP板和锚栓安装位置。采用机械分条切割锚固板槽口，槽口深度≥30mm；对混凝土基层粘贴表面进行打磨除尘处理。

2)锚栓与张拉机具固定安装 采用电钻种植锚栓安装两端锚固板；张拉端锚固板上分别安装锁固座和张拉底座。

3)碳纤维筋板下料与涂胶 裁剪CFRP板并使用细砂布轻轻打磨粘贴面，压入两端锚具；在CFRP板与梁板混凝土接触面涂胶黏剂。

4)CFRP板及锚具安装 将CFRP板固定端直接安装至锁固座；张拉端锚固装置螺栓安装就位后，沿张拉方向安装张拉牵引螺杆和临时张拉底座，张拉牵引螺杆穿过张拉底座后，安装液压千斤顶。

5)CFRP板张拉 旋拧固定端螺母调整CFRP板位置，确保锚具张拉行程。对CFRP板施加15%的张拉应力，使其绷直。依次张拉至设计控制应力的30%,50%和75%，每级间持荷5min。施加预应力达到设计控制应力的100%后继续持荷5min，复验CFRP板组件张拉伸长值与理论伸长值是否满足要求。张拉控制应力为1 395MPa，控制伸长率为0.9%。当张拉应力值和张拉锚具行程满足要求后，超张拉加载3%～5%，锚固张拉端至锁固座，液压千斤顶卸压，拆除张拉底座、千斤顶等张拉机具。

5 结语

通过在岩盘沟大桥应用预应力CFRP板加固技术，实现带载、主动加固设计和快速便捷施工，解决预应力CFRP板材加固计算和锚固等关键技术问题；并系统研究主梁在加固前、后的受力性能和动力特性。预应力CFRP加固技术具有高强高效、施工便捷快速、低交通影响及不改变桥梁净空等显著优点，在桥梁维修加固工程中具有很大的应用与推广前景。