預應力碳纖維板加固T梁關鍵設計和施工技術

竇勇芝

（柳州歐維姆工程有限公司，柳州545005）

預應力碳纖維板加固T梁關鍵設計和施工技術

竇勇芝*

（柳州歐維姆工程有限公司，柳州545005）

結合工程實例介紹了預應力碳纖維板加固T梁橋關鍵設計要點，綜合利用極限平衡狀態(tài)等式、有限元工具，并根據(jù)既有橋梁缺損狀況及評定標度按規(guī)范考慮各分項檢算系數(shù)，對既有承載力、應力狀態(tài)進行加固驗算；另外介紹了相關施工工法及要點。工程實踐表明，該加固設計、施工方法有效，施工工藝簡便，周期短，對橋面交通影響小，成本經(jīng)濟，可為同類梁橋預應力碳纖維板加固的設計、施工提供參考。

預應力碳纖維板，加固T梁，設計，施工

1 工程概述

洋河橋建于1992年1月20日，竣工于1994年10月20日。橋梁全長456.91 m。上部結構為18 m×25 m預應力混凝土簡支T形梁，下部結構為雙柱式橋墩、輕型橋臺。瀝青混凝土橋面鋪裝，毛勒伸縮縫，板式橡膠支座。

經(jīng)過16年的運營，洋河橋已出現(xiàn)不同程度的病害。在2011年9月的定期檢查和特殊檢查中，發(fā)現(xiàn)T梁馬蹄緣開裂、下?lián)献冃?、橫隔板混凝土破損、局部鋼筋銹脹以及鋪裝層開裂和車轍等病害。2012年7月，檢測單位又對該橋進行了專項檢查，其中T梁預應力管道專項檢查表明大部分鋼束的張拉力小于設計值的10%～20%。檢查結果表明，部分病害發(fā)展迅速，結構力學性能進一步惡化，嚴重影響橋梁結構的運行安全。洋河橋左、右幅綜合技術狀況評定等級均為四類，存在較大安全隱患。

為確保橋梁的安全運營，需對洋河橋進行維修加固。對一般病害的三類、四類T梁采用預應力碳纖維板加固方案。三類T梁加固通過T梁側面各布置1片預應力碳纖維板進行承載力加固；四類T梁加固側面、底面各布置1片預應力碳纖維板進行加固（圖1、圖2），預應力碳纖維板加固采用柳州歐維姆機械股份有限公司生產(chǎn)的專用成品錨具CFP100-20、夾具、碳纖維板及張拉機具。如下以四類T梁預應力碳纖板加固介紹為主。

圖1 半跨T梁預應力碳纖維板加固立面圖（單位：mm）Fig.1 Vertical plan of the T-beam strengthened with prestressed CFRP plates（Unit：mm）

圖2 T梁加固剖面圖（單位：mm）Fig.2 Cross-section of T beam strengthened with prestressed CFRP plates（Unit：mm）

2 關鍵設計技術

2.1 預應力碳纖維板錨具

柳州歐維姆機械股份有限公司生產(chǎn)的專用成品夾片式錨具（圖3、圖4）采用摩阻錨固原理設計［1］，通過夾片式錨具將碳纖維板錨固在簡支梁梁端［2，3］梁底和側面，一端為固定端，一端為張拉端，側面及底面固定端或張拉端錯開布置。通過依次張拉錨固底面、側面粘貼碳纖維板對T梁施以預加力，達到主梁承載力加固和提高構件剛度［4］的目的。

圖3 固定端錨具示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of CFRP plate fixed anchor（Unit：mm）

圖4 張拉端錨具示意圖（單位：mm）Fig.4 Schematic diagram of CFRP plate tensioning anchor（Unit：mm）

2.2 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算

2.2.1加固前荷載效應S、抗力效應R驗算

依據(jù)對既有橋梁缺損狀況、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)評定，及實際運營荷載狀況調(diào)查，確定如下各分項檢算系數(shù)［5］：結構檢算系數(shù)Z1取1.0，耐久性惡化系數(shù)ξe取0.12，截面折減系數(shù)ξc取0.98，鋼筋截面折減系數(shù)ξs取1，活載影響修正系數(shù)ξq取1.2。

采用Midas Civil軟件對單跨25 m全橋簡支T梁建立梁格桿系模型，如圖5所示，考慮原張拉力損失，原預加力取設計值0.8倍，主要荷載作用為自重、二期恒載、預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力）、活載、豎向梯度溫度效應、支座不均勻沉降等。

圖5 有限元梁格模型Fig.5 Beam grillage of finite elementmodel

持久狀況承載能力極限狀態(tài)考慮荷載效應為自重、預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力）、活載、豎向梯度溫度、支座不均勻沉降，按規(guī)范進行不利的荷載效應組合。

經(jīng)驗算控制截面不利效應彎矩值S為6 751.6 kN·m，截面計算彎矩抗力R為8 364.2 kN·m。

不能滿足規(guī)范［5］式（1）既有橋梁承載能力評定要求：

式中，fd為材料強度設計值；adc為構件混凝土幾何參數(shù)值；ads為構件鋼筋幾何參數(shù)值；γ0為結構重要性系數(shù)；S為荷載效應函數(shù)；R為抗力效應函數(shù)。

2.2.2 加固后抗力效應R驗算

采取底面、側面分別粘貼預應力碳纖維板，張拉錨固梁端方式對四類T梁抗彎承載能力加固。

計算為保證加固T梁的極限狀態(tài)為鋼筋屈服后混凝土壓碎破壞，此時碳纖維板未發(fā)生破斷，相對受壓區(qū)高度ξ需滿足如下條件［6］：

式中，ξefb為碳纖維板拉斷臨界相對受壓區(qū)高度；ξb為混凝土壓碎臨界相對受壓區(qū)高度。

根據(jù)T形梁受彎承載力計算模式，由受壓區(qū)高度與翼緣厚度關系，需判斷截面腹板是否參與受壓作用。

假設受壓區(qū)高度僅在翼緣板厚度范圍，令xc＝hf1′，按寬度為bf′的矩形截面，根據(jù)文獻［6］方法驗算可得：

式中，σcfi，Afi分別為第i層碳纖維板應力值、面積；As，Ap分別為截面受拉區(qū)鋼筋面積、預應力鋼筋面積，As′為截面受壓區(qū)鋼筋面積；fcd，fsd，fsd′，fpd分別為混凝土軸心抗壓設計強度、鋼筋抗拉強度設計值、鋼筋抗壓強度設計值、預應力鋼筋強度設計值。

由式（3）可知，計算應考慮截面腹板參與受壓的作用。

圖6 預應力碳纖維板加固T形截面抗彎承載力計算圖式Fig.6 Flexural bearing capacity calculation of the T-beam strengthened with prestressed CFRP plates

由上述極限平衡狀態(tài)（圖6），考慮各項檢算系數(shù)，列平衡關系式如下［6］：

式中，σconi為碳纖維板張拉控制應力，取0.4倍拉伸強度fu，fu＝2 400 MPa；σconi（1－15%）為第i層碳纖維板有效張拉應力，文獻［7］建議預應力總損失估計值取10%～15%，取15%；εfei為預應力損失發(fā)生后第i層碳纖維板有效應變；εcei為預應力損失發(fā)生后第i層碳纖維板所在位置處混凝土有效應變；εcu為混凝土極限壓應變，取0.003 3；εbi為第i層碳纖維板所在位置處混凝土應變；hcfi為第i層粘貼碳纖維板至梁底緣高度，hcf1＝0 mm，hcf2＝150 mm；xc為截面受壓區(qū)高度；Ef為碳纖維板彈性模量，取160 GPa；Ec為混凝土彈性模量，C50取3.45×104MPa；b，bf′，bf1′，hf1′，hf2′分別為截面尺寸，詳見圖6示意；A0，I0分別為梁換算截面的面積和慣性矩；ei為第i層碳纖維板至換算截面中性軸的距離。

由已知Afi，hcfi，將式（5）－式（9）代入式（4），可知為關于xc的一元高次方程，采用數(shù)值分析中的迭代法進行求解，求出受壓區(qū)高度xc，且滿足條件式（2）。

根據(jù)受壓區(qū)高度xc，對第2層預應力碳纖維板合力作用點取矩，求加固后截面計算彎矩抗力R：

滿足規(guī)范要求。

2.3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂性驗算

分別計入活載影響修正系數(shù)ξq＝1.2，結構檢算系數(shù)Z1＝1，并考慮原張拉力損失，原預加力取設計值0.8倍，按全預應力受彎構件驗算正截面和斜截面抗裂性。

持久狀況正常使用極限狀態(tài)考慮荷載效應為自重、預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力）、活載、豎向梯度溫度、支座不均勻沉降，按規(guī)范進行不利的荷載效應組合。

正截面抗裂性驗算［5，8］，正截面的受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應力：

式中，σst為作用短期效應組合下構件抗裂驗算邊緣混凝土的法向拉應力，計入活載影響修正系數(shù)ξq＝1.2；σpc為扣除全部預應力損失后的預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力）在構件抗裂驗算邊緣產(chǎn)生的混凝土預壓應力，考慮原張拉力損失，原預加力取設計值0.8倍；σL為應力限值；［σ］為容許應力值。

斜截面抗裂性驗算［5，8］：

式中，σtp為作用短期效應組合和預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力）產(chǎn)生的混凝土主拉應力，計入活載影響修正系數(shù)ξq＝1.2和考慮原張拉力損失，原預加力取設計值0.8倍；ftk為混凝土的抗拉強度標準值，取2.65 MPa。

表1、表2僅列出主要控制截面驗算。由表1、表2可知，粘貼預應力碳纖維板加固對于主要控制截面的正截面法向應力、斜截面主拉應力均得到改善，跨中截面受拉下邊緣的法向壓應力增大尤為明顯，增加了相當?shù)膲簯洹?/p>

2.4 持久狀況和短暫狀況應力驗算

同上計入各項分項檢算系數(shù)，并考慮原張拉力損失，原預加力取設計值0.8倍，按全預應力受彎構件驗算持久狀況和短暫狀況正截面法向壓應力。

由式（10）將xc代入求得加固后截面計算彎矩抗力R，R＝11 013.2 kN·m。

表1 控制截面正截面抗裂性驗算Table 1 Crack resistance calculation results of the control section MPa

表2 控制截面斜截面抗裂性驗算Table 2 Crack resistance calculation results of the control section MPa

持久狀況不利的荷載效應組合同抗裂性驗算，但均取標準值。

短暫狀況考慮荷載效應為自重、預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力），均取標準值。

持久狀況受壓區(qū)混凝土的最大壓應力驗算［5，8］：

式中，σkc為作用標準值效應組合產(chǎn)生的混凝土法向壓應力，計入活載影響修正系數(shù)ξq＝1.2；σpt為由預加力（原預加力、新增碳纖維板預加力）產(chǎn)生的混凝土法向拉應力，考慮原張拉力損失，原預加力取設計值0.8倍；fck為混凝土的抗壓強度標準值，取32.4 MPa。

短暫狀況受壓區(qū)混凝土的最大壓應力驗算［5，8］：

表3、表4僅列出主要控制截面驗算。由表3、表4可知，各項正截面法向最大壓應力均能滿足規(guī)范要求［8］。

表3 持久狀況控制截面法向壓應力驗算Table 3The normal compressive stress calculation results under long-term loading MPa

表4 短暫狀況控制截面法向壓應力驗算Table 4The normal compressive stress calculationresults under short-term loading MPa

2.5 錨固端局部應力驗算

考慮到預應力碳纖維板張拉施工時，錨固端通過化學螺栓傳遞張拉力至主梁，應力分布較集中，需驗算該工況下錨固端局部應力分布大小。采用MidasFea軟件良好的細部建模功能，建立了錨固端細部有限元模型（圖7），并考慮鋼筋骨架對混凝土的約束作用，以強制位移方式輸入截面的位移邊界條件，張拉荷載以近似均布荷載方式加載在化學螺栓所在位置的混凝土孔壁處。

圖7 錨固端細部有限元模型Fig.7 Anchor end FEmodel

采用4節(jié)點四面體單元對錨固端細部節(jié)段進行離散模擬，線單元離散模擬鋼筋骨架，整個模型共計50 287個實體單元，22 146個鋼筋單元，65 536個節(jié)點。

由圖8、圖9可知，錨固端孔壁附近主應力分布較集中，主拉應力最大值為0.923 MPa，小于抗拉強度設計值1.83 MPa；主壓應力最大值為8.5 MPa，小于抗壓強度設計值22.4 MPa。滿足規(guī)范要求。

圖8 錨固端主拉應力等值線圖Fig.8 The principle tensile stress contour map in the anchor end

圖9 錨固端主壓應力等值線圖Fig.9 The principle compressive stress contour map in the anchor end

3 關鍵施工技術

3.1 工藝流程

3.2 主要施工要點

1）定位、放樣

測量固定端和張拉端錨栓孔中心之間的距離后，準確標注需鉆錨栓孔的位置。并放樣碳纖維板中心線、上下邊緣線，錨具切槽邊緣線、錨栓孔中心線、壓條中心線位置。

2）切槽、鑿槽

用手提切割機按放樣位置切割安放碳纖維板錨具槽。并用電錘將放樣區(qū)域進行鑿平，確保槽深度滿足設計要求為25 mm。

圖10 工藝流程圖Fig.10 Construction flow diagram

3）鉆化學錨栓孔

鉆M24化學錨栓孔、M10壓緊條化學錨栓孔。

4）錨栓孔清孔

（1）先將噴嘴伸入成孔底部并吹入潔凈無油的壓縮空氣，向外拉出噴嘴，反復3次；

（2）將硬毛刷插入孔中，往返旋轉(zhuǎn)清刷3次；

（3）再將噴嘴伸入鉆孔底部吹氣，向外拉出噴嘴，反復3次。

5）基面清理、打磨

用角磨機打磨清理需粘貼碳纖維板部位的基面，并用壓縮空氣將表面浮塵吹凈，對于表面嚴重凹凸不平處，涂抹找平膠。另外，基面并用鋼絲刷刷毛糙化處理。

6）種植化學錨栓

種植前用工業(yè)用酒精擦拭孔壁、孔底，再進行種植。置入錨管，將化學錨栓單向旋轉(zhuǎn)插入，直至達到設計深度，并保證植入錨栓與孔壁間的間隙基本均勻，確保錨栓的位置和垂直度。

7）預應力碳纖維板展長

預應力碳纖維板在工廠下料定制完成，碳纖維板和夾具擠壓成型為整體。為便于運輸，預應力碳纖維板卷成一捆包裝。運至現(xiàn)場安裝前展長。

8）預應力碳纖維板試裝，支座墊板調(diào)平

將成品預應力碳纖維板布置至設計位置，與固定端、張拉端錨具分別連接。同時，連接張拉端工具拉桿、工具擋板等，并安裝標定千斤頂，連接油管、油泵和油表。通過千斤頂較小的頂力將預應力碳纖維板拉直，分別對張拉端、固定端支座板調(diào)平，保證張拉端支座板、固定端支座板、預應力碳纖維板在一條直線且同一平面上，通過松、緊螺栓進行支座墊板調(diào)平。

9）支座墊板灌漿固定

待支座墊板調(diào)平就位后，卸下千斤頂、張拉機具及預應力碳纖維板，對支座墊板進行封邊、灌漿固定。

10）混凝土面涂底膠、找平膠

在混凝土表面涂抹一薄層底膠，表面指觸干燥后方可進行下道工序。

11）預應力碳纖維板安裝

（1）用專用清潔劑清潔碳纖維板粘貼面；

（2）用抹灰刮刀在碳纖維板上涂抹碳纖維專用結構膠，結構膠呈突起狀（板材中心區(qū)為3 mm），平均厚度不小于2 mm；

（3）將涂有結構膠的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置，并與固定端、張拉端錨具分別連接。

12）張拉碳纖維板

（1）在開始正式張拉前須對預應力碳纖維板預緊，使碳纖維板整體繃直，檢查兩端是否受力均勻；

（2）同一片T梁兩側碳纖維板張拉采用單端同時對稱分別按20%、40%、60%、80%、100%分級張拉進行（圖11），采用張拉力和伸長量雙控原則。

圖11 現(xiàn)場碳纖維板張拉示意圖Fig.11 CFRP plate tensioning

13）粘貼碳纖維板

張拉就位后，將碳纖維板粘貼到梁上。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實，使結構膠從兩邊擠出，保證密實無空洞，并及時清理兩邊緣擠出的多余結構膠。

14）安裝壓緊條

15）錨固及防護

（1）拆掉千斤頂、工具擋板等張拉部件。

（2）對錨具端涂刷一層環(huán)氧粘結劑，利用環(huán)氧砂漿完全封閉防護。

（3）對碳纖維板表面涂抹5 mm厚碳纖維板粘結膠，用于保護碳纖維板和隔離紫外線。另外，為防止防護粘結劑在露天環(huán)境下老化，重新涂抹2遍環(huán)氧水泥防護，保證在橋梁剩余使用壽命期間內(nèi)預應力碳纖維板加固耐久性。

3.3 工程效果

預應力碳纖維板加固竣工后，對梁底撓度及橋面的觀測點標高進行復測，各觀測點標高及撓度變化與加固設計計算結果一致。表明經(jīng)預應力碳纖維板加固的T梁承載力得到提高，滿足加固設計荷載要求。

本次T梁橋預應力碳纖維板加固在不中斷交通組織下進行，平均1片T梁加固需3 d，勞動組織投入8人，施工便捷，不需要投入大型施工機械，因此取得了較可觀的工程效益。

4 結 語

預應力碳纖維板加固工藝通過對碳纖維板張拉，發(fā)揮了加固材料高強、高彈的材料特性，主動參與主結構的一階段受力，避免了加固材料應力滯后的影響，有效提高了原T梁結構的開裂彎矩和承載能力。本工程加固實踐可為同類T梁橋預應力碳纖維板加固的設計、施工提供借鑒。

［1］ 陳華，張鵬，鄧朗妮.預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的設計及應用［J］.建筑科學，2010，26（7）：39-42，51.Chen Hua，Zhang Peng，Deng Langni.The design and application of prestressed CFRP plates in strengthening reinforced concrete beams［J］.Building Science，2010，26（7）：39-42，51.（in Chinese）

［2］ 張?zhí)官t，呂西林，肖丹，等.預應力碳纖維布加固一次二次受力梁抗彎試驗研究［J］.結構工程師，2005，21（1）：34-40，45.Zhang Tanxian，Lu Xilin，Xiao Dan，et al.Experimental study on primary and secondary load for RC beam strengthened with prestressed CFRP sheet［J］.Structural Engineers，2005，21（1）：34-40，45.（in Chinese）

［3］ 張?zhí)官t，呂西林，肖丹，等.預應力碳纖維布加固一次二次受力梁抗彎試驗全過程理論分析［J］.結構工程師，2005，21（2）：43-49.Zhang Tanxian，Lu Xilin，Xiao Dan，et al.Analysis on primary and secondary loading for RC beams strengthened with prestressed CFRP sheets［J］.Structural Engineers，2005，21（2）：43-49.（in Chinese）

［4］ 余瓊，張燕語.預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁撓度研究［J］.結構工程師，2011，27（1）：139-143.Yu Qiong，Zhang Yanyu.Study on deflection of RC beams strengthened with prestressed CFRP［J］.Structural Engineers，2011，27（1）：139-143.（in Chinese）

［5］ 中華人民共和國交通運輸部.JTG／T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTG／T J21—2011 Specification for inspection and evaluation of load-bearing capacity of highway bridges［S］.Beijing：China Communications Press，2011.（in Chinese）

［6］ 張俊，趙澤俊，鄧朗妮，等.預應力碳纖維板加固混凝土梁抗彎承載力設計計算方法［J］.桂林理工大學學報，2011，31（1）：73-76.Zhang Jun，Zhao Zejun，Deng Langni，et al.Bending bearing capacity calculation of concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates［J］.Journal of Guilin University of Technology，2011，31（1）：73-76.（in Chinese）

［7］ 鄧朗妮，張鵬，楊帆，等.預應力碳纖維板加固混凝土結構預應力損失研究［J］.工業(yè)建筑，2012，42（9）：71-74.Deng Langni，Zhang Peng，Yang Fan，et al.Study on prestress loss of concrete structure strengthened with prestressed CFRP plates［J］.Industrial Construction，2012，42（9）：71-74.（in Chinese）

［8］ 中華人民共和國交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.Ministry of Communications of the People’s Republic of China.JTG D62—2004 Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts［S］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese）

Key Design and Construction Techniques for a T-beam Bridge Strengthened w ith Prestressed CFRP Plates

DOU Yongzhi*
（Liuzhou OVM Engineering Co.，Ltd.，Liuzhou 545005，China）

Key design information of a T-beam bridge strengthened with prestressed CFRP plates was introduced.The limitequilibrium stateswere analyzed and tools of finite elementwere applied to reinforcement calculation of the ultimate bearing capacity.According to bridge damage conditions and the evaluation scale in codes，the partial inspection safety factors were introduced to the solvers.In addition，construction methods and main pointswere introduced.The effectiveness of reinforcing design and construction method was verified by engineering practice.It is showed that reinforcement construction is simple and convenient.There is little traffic influence and the cost is low.It can be used as a reference project in the similar bridge reinforcement design and construction with prestressed CFRP plates.

prestressed CFRP plate，T-beam bridge strengthened，design，construction

2013－10－28

*聯(lián)系作者，Email：douyongzhi2005＠163.com