预应力碳板加固装配式组合箱梁的应用研究

王 技，钟海辉

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

装配式预应力混凝土组合箱梁具有抗扭能力强、横向分布好、承载能力高等特点，在各等级公路中都得到了普遍应用[1-4]。但在早期受工程造价等因素制约，设计工作者不断对该类型桥梁各构件开展优化设计，导致结构尺寸偏小，安全系数偏低，无论是结构强度还是刚度方面都难以满足日益增长的交通需求，导致结构出现受力裂缝，造成较大的安全隐患。

对于发生此类病害的桥梁，最适宜的加固方法是主动加固法，即通过施加预应力产生反向弯矩，从而抵消一部分初始荷载的影响，提高使用阶段的承载力，使构件的裂缝宽度减小甚至闭合，并限制新裂缝的出现，从而提高构件的刚度，减小原构件的挠度，改善使用阶段的性能[5-7]。但常规的新增体外预应力体系的加固方法存在施工工期长、湿作业多、结构扰动大等缺点，特别是中断交通时间较长，因此找到一种更适应于交通运行条件的加固方式势在必行。

基于以上背景，本文开展了梁底张拉预应力碳纤维板加固方法的研究。从结构受力角度分析后认为，该方法能改善主梁梁底预应力水平，增加结构安全储备，弥补结构内预应力损失；从施工角度分析认为，张拉预应力碳纤维板弥补了新增体外预应力体系的各种缺陷，且经济性良好。通过加固实例证明，该方法科学合理、安全可行，可为同类型桥梁加固提供参考。

1 工程概况

某桥为跨越铁路的大型桥梁，于20世纪90年代建成，上部结构采用30 m装配式预应力混凝土组合箱梁，下部结构为桩柱式桥墩、钻孔灌注桩基础，桥梁设计荷载等级为汽-超20、挂-120。该桥横断面由4片箱梁组成，梁高1.5 m，间距3 m，各箱翼缘板间设70 cm宽现浇混凝土湿接缝。经对比分析，该桥梁高、腹板厚度等技术指标比当前同种类型跨径桥梁小，箱梁跨中断面构造如图1所示。通行车辆以挂车、集装箱车等重载车为主，车辆荷载大，超载较为严重，桥梁负荷大。

图1 30 m跨箱梁跨中断面构造

近期检测发现，该桥部分边梁在跨中出现底板横向裂缝，最大裂缝宽0.20 mm，个别裂缝延伸至腹板，且箱梁跨中腹板存在竖向、斜向裂缝，横隔板存在竖向裂缝。为确保桥梁的运营安全，延长桥梁使用寿命，必须查出病害成因，并采取有效的加固措施对病害进行整治。

2 主要病害及原因分析

结构性裂缝均出现在边梁，结合计算分析认为，超重、超载车辆低速、近车距行驶以及从紧急停车带绕行等原因，会造成边梁实际承受的荷载大大超过原结构的设计荷载，导致跨中底板纵向应力过大，从而产生跨中底板开裂并延伸至腹板，这是本桥腹板及底板出现结构性裂缝的外在因素[8]。

病害出现具有一定的偶然性，通过结构计算进一步分析，对本桥主梁内预应力按照不同程度的损失进行试算发现，当原结构预应力钢束损失达到10%时，跨中梁底应力超出规范限值，说明结构在该工况下可能出现开裂。因此，在箱梁采用后张法张拉时，由于预应力张拉施工控制不当等原因，部分边梁管壁摩擦、锚具变形、钢筋回缩、预应力松弛等因素的影响，预应力损失过大，在活载作用下正应力超限，从而出现此类病害，如图2、3所示。

图2 底板横向裂缝

图3 底板裂缝延伸至腹板

3 加固方案的选取

大桥部分桥跨外侧边梁底板出现横向裂缝及腹板竖向裂缝，说明该箱梁应力水平偏高，同时裂缝造成箱梁截面削弱，整体刚度降低，需采取主动加固措施提升箱梁承载能力，改善应力状况。

目前，针对预制箱梁结构出现的结构性开裂病害，常采用的加固处治方法有体外预应力加固、粘贴钢板加固以及粘贴碳纤维板加固等方法。根据本项目的病害特点，常规粘贴碳纤维板和粘贴钢板法作为被动加固方式并不适用。从受力角度分析，上述2种方法不能改善梁体结构内的应力状况，且粘贴钢板法需要在梁体内植入锚栓，对结构扰动较大。体外预应力法需要在主梁安装转向装置，施工工法较为复杂，工期较长，造价较高，后期维护费用也相对较高[9-12]。

经过综合比选，最终确定采用在箱梁底板张拉预应力碳纤维板加固的方式进行处治，该处治方法的优势如下。

(1)可变被动加固为主动加固，使CFRP(碳纤维增强复合材料)高强特性得到提前发挥，在二次受力之前就有较大的应变，从而有效减小甚至消除CFRP片材应变滞后的现象，达到更好的加固效果。

(2)预应力产生的反向弯矩可抵消一部分初始荷载的影响，提高使用阶段的承载力，使构件中原有裂缝宽度减小甚至闭合，并限制新裂缝的出现，从而提高构件的刚度，减小原构件的挠度，改善使用阶段的性能。

(3)碳纤维的变形分别由初始变形和荷载引起的变形组成，而对应这两部分变形的胶粘剂剪切变形又分别分布于构件的两端和跨中区域，使得胶黏剂的剪切变形分布更为均匀，可有效避免粘结破坏。

(4)碳纤维板复合材料具有高强、轻质、抗腐蚀等显著特点，基本不增加原结构自重，不影响原结构使用空间，加固后不影响美观。

(5)施工快捷，无湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少。

4 加固设计要点及相关试验分析

4.1 加固设计要点

结合桥梁病害情况及计算数据，对存在病害的5片外侧边梁采用梁底张拉预应力碳纤维板进行处治。每片箱梁底张拉3条预应力碳纤维板，碳板采用I级高强度条形板，设计厚度为2.0 mm，宽100 mm，采用一端张拉，双向控制，张拉应力为1 200 MPa。张拉预应力碳纤维板示意见图4。

图4 张拉预应力碳纤维板示意

为了减小锚固端应力集中，相邻碳纤维板采用不等长、交错布置，以避开同一断面集中锚固，每片板之间净距为13 cm，外侧碳板距板底外边缘最小距离控制在22 cm。压条采用通用的钢板材料，锚固采用M12锚栓进行。压条间距为3.0～3.25 m。

4.2 相关试验分析

图5 预应力碳纤维板静载试验

(1)静载试验(图5)。碳板强度不小于2 400 MPa，锚固效率系数稳定在0.95以上。碳板受力均匀，破坏形态完美。

(2)疲劳试验。以碳纤维板抗拉强度标准值的66%为应力上限，应力幅为200 MPa，经过400万次循环后，锚固效率系数仍保持在0.88。

(3)进行松弛试验，1 000 h松弛率为3.8%。

(4)进行实梁试验，经12 m梁加固测试，加固后与加固前对比，承载力提高幅度大于60%，试验效果较好，符合预期。

(5)碳板锚具组装件耐高温试验表明，碳板锚具组装件的安全使用温度为90 ℃，在此温度下可满足长期使用要求。

5 加固计算分析

5.1 加固后整体结构计算

对存在典型病害的箱梁梁底采用张拉预应力碳纤维板进行加固补强，加固后效果采用梁格法建模分析，有限元模型见图6。

图6 整体有限元梁格法模型

加固后承载能力极限状态计算结果见表1。

表1 加固后主梁控制截面抗弯承载力

注：L为跨径。

在考虑预应力损失等因素的情况下，对主梁加固前后的跨中和支点截面应力进行计算分析，加固前后主梁控制截面正应力见表2。

表2 加固后主梁控制截面正应力

注：拉应力为正，压应力为负

由计算结果可以看出，通过采用上述专项处治措施，主梁即使在最不利工况下，也能够满足设计荷载要求，并具有一定的安全储备。同时，通过对病害箱梁张拉预应力碳纤维板，在正常使用极限状态下，底板的应力状态有较为明显的改善。

5.2 横隔板受力影响分析

为充分了解本桥跨中横隔板与箱梁腹板连接处的受力状况，采用有限元分析软件ANSYS进行仿真计算。在建模过程中，考虑箱内隔板和箱外隔板等细部构造，为真实反映荷载的扩散情况，采用Solid45三维8节点块单元模拟混凝土结构，局部分析模型见图7。

图7 有限元建模局部分析

5.2.1 设置横隔板工况

在模型设置横隔板的工况下，各构件主拉应力见图8。

图8 横隔板与连接的边梁内腹板应力

不考虑计算模型中构件连接失真区域，计算结果提取如下。

(1)最大主拉应力为3.69 MPa，发生在横隔板开孔的倒角位置，与病害发生实际位置基本对应。

(2)横隔板与连接的边梁内腹板最大主拉应力为2.58 MPa，发生在横隔板下缘与腹板连接转折处。

(3)边梁外侧腹板距底板底面约30 cm处，最大主拉应力为2.05 MPa。

5.2.2 不设置横隔板工况

在模型不设置横隔板的工况下，各构件主拉应力如图9所示。

图10 横隔板与连接的边梁内腹板应力

(1)最大主拉应力为2.95 MPa，发生在梁端约束位置，该位置属失真区域。

(2)在不设置横隔板时，边梁内腹板下缘与腹板连接位置最大主拉应力为2.38 MPa，较设置横隔板工况小0.2 MPa。

(3)边梁外侧腹板距底板底面约30 cm处最大主拉应力为2.2 MPa。

5.2.3 计算结论

(1)横隔板开孔处应力最大，符合检测裂缝数量较多的实际情况，该裂缝的产生与应力集中有关。

(2)设置的跨中横隔板与边梁内侧腹板相接的下缘转折区域有一定的应力集中，如不设横隔板，该位置应力约减少10%。

(3)设置跨中横隔板与不设跨中横隔板2种工况相比较，边梁外侧腹板在同一位置应力水平差别不大，不设跨中横隔板时应力略大。考虑设置跨中横隔板对底板及腹板应力横向分配的有利作用，两者应力水平基本一致。

6 结 语

该桥采取梁底张拉预应力碳纤维板加固施工完成后，经试验检测，各项指标均满足规范要求。本次设计遵从结构安全、耐久适用、经济合理的原则，为装配式预应力混凝土组合箱梁桥的加固提出了切实可行的加固设计措施。