赵友松 岳红平
云南交通职业技术学院 云南 昆明 650500
摘要：本文介绍表层内嵌碳纤维筋喷浆法加固桥梁梁板的技术要点，并以预应力混凝土空心板桥为例，通过加固前后静载试验分析验证加固效果。试验结果表明经加固后，空心板底缘拉应力降低，结构刚度提高，桥梁上部结构承载力安全储备明显改善。
关键词：碳纤维筋 表层内嵌喷浆加固法 技术要点 效果验证
1 引言
设计、施工、养护、管理、环境、灾害等原因造成服役桥梁在运营期间出现承载力下降和使用性能退化问题，同时随着交通量的增加和行车荷载的加大，桥梁长期疲劳作业，导致病害大量出现，且发展速度快。常见的典型病害有混凝土裂缝、表面缺陷、碳化锈蚀、剥落漏筋、结晶渗水等。
传统加固处理技术主要有增大截面法和配筋法、体外预应力法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法。这些方法施工方面存在需中断交通、自重增加大、湿作业量大施工工艺复杂、施工难度大、施工工期长等问题；材料方面存在钢筋、钢板、预应力束易锈蚀、碳纤维布强度低且耐火性差、补强材料与混凝土温缩模量差异大导致温缩变形状态不同步等问题；养护方面存在防腐处理成本高、后期养护工作量大等问题。碳纤维筋是一种比高强度高、耐腐蚀性好抗疲劳性能好的新型复合材料。碳纤维筋喷浆法通过在结构构件表层内嵌粘贴碳纤维筋并喷射高强度聚合物砂浆形成补强层，与被加固结构构件形成组合结构共同受力，从而改善原结构的受力状态，限制结构构件开裂、性能退化，提高结构抗弯拉、抗剪切承载能力，改善结构耐久性能，延长桥梁使用寿命。该方法工程造价低、工艺简单、施工工期短、对交通影响小、后期维护费用低，具有显著的经济和社会效益。
2 表层内嵌碳纤维筋喷浆加固法（E-CFRP）技术要点
表层内嵌碳纤维筋喷浆加固法是一项应用外贴高性能复合材料增强加固桥梁结构的新方法，在体外配筋加强法技术实质的基础上引进新材料碳纤维筋和外喷高强度聚合物砂浆，从而引进新工艺。
2.1 高性能碳纤维筋与高强度聚合物砂浆的主要技术指标
2.1.1 碳纤维（CFRP）筋
碳纤维复合材料（CFRP）筋由树脂基体和碳纤维复丝两部分组成。其中碳纤维复丝的抗拉强度最高可达5000～6000MPa，是钢筋的20倍左右,通常可达到钢筋的7～10倍，因此，较小的加固尺寸可以获得很好的加固效果。对7股φ125mm碳纤维筋和7股φ124mm钢绞线进行室内试验，基本性能指标如表2.1所示。
表2.1 碳纤维筋与PC钢绞线基本性能指标比较
收缩率（28d）%≤0.10
2.2 施工要点
表层内嵌碳纤维筋喷浆加固法加固桥梁梁板主要施工工艺流程如图2.1所示，其中碳纤维筋开槽植筋方式如图2.2所示。
图2.2
碳纤维筋开槽植筋方式
（1）准备工作
加固前对原结构进行动载或静载试验，收集梁板应力及挠度数据，以便验证加固效果；清理施工现场，搭建施工平台，组织原材料、机具设备进场。剔除原混凝土剥落、开裂部分，对生锈钢筋进行除锈，焊接断裂钢筋或补植钢筋。
（2）表面处理
剔除原混凝土剥落、开裂部分，对生锈钢筋进行除锈，焊接断裂钢筋或补植钢筋；对缺损部分喷射高强度聚合物砂浆，修补回复原结构。
（3）开槽植筋
根据结构设计要求选取碳纤维筋规格型号、确定植筋数量和植筋间距，按照设计图纸在梁板底面标记开槽线，用轨道开槽机开槽，开槽宽度及深度应不小于碳纤维筋直径的1.5倍，线槽平整、顺直；清理线槽，向槽内挤填植筋胶，容量超过槽容量2/3，嵌入碳纤维筋，待植筋胶固化后修补整平表面。
（4）射水凿毛
采用高压射水凿毛机进行结构表面清理及凿毛处理，凿毛深度不小于6mm，以利于新旧混凝土良好结合。待加固面干燥后进行下一步施工。
（5）刷界面剂
在干燥的加固面表面涂刷界面强化剂以增加加固面与高强度聚合物砂浆的粘结力,喷涂1～2遍，用量以均匀覆盖表面且无流坠为宜。
（6）喷涂砂浆
根据强度要求进行配合比设计，配制聚合物砂浆，并通过试验检测其各项性能指标满足加固要求。按设计厚度（一般为20mm～30mm）向加固表面喷涂砂浆，保证砂浆回落率小于5%，找平抹平后厚度增加10mm左右，确保表面平整度满足设计要求。
（7）养生防腐
喷水覆盖养生7d，养护温度控制在5～35℃，湿度≥50%。用回弹法测试结构强度，强度达到设计强度70%以上时分两次沿同方向涂抹表面防腐材料，涂抹均匀，厚度一致。
3 加固效果验证
本文以云南景大线3-20m预应力混凝土空心板桥为例，通过分析加固前后1# 桥跨12块空心板在静载试验下的结构效应——应力应变和挠度，对结构性能进行评价，验证加固效果。
该桥建成运营15年，出现空心板纵横向开裂（最大缝宽1.1mm）、部分空心板板底保护层厚度不足，个别空心板板底存在空洞，空洞部位主筋外露等严重病害，总体技术状况等级为4类。
3.1试验加载方案
通过实测结构分析计算，依据测试桥跨控制截面弯矩影响线进行布载，采用中载布置按预压荷载50%、75%、100%分级加载。
选取L/4、L/2、3L/4截面布设应变测点及挠度测点，测点布设如图3.1、图3.2所示。本文以L/2截面各空心板应力和挠度数据为例，进行验证分析。
3.2 加固效果分析评价
加固前后，静载试验测试系统测取计算各测试截面测点的实测应力σe、实测挠度Se、校验系数ζ、相对残余应变及相对残余挠度S´P。
加固前后截面应力及挠度对比分析如图3.3、图3.4所示。
加固前，1#跨L/2截面实测应力校验系数在0.48～0.99之间，部分应变测点出现残余应变，相对残余应变最大为5.7%；挠度校验系数在0.31～0.42之间，部分应变测点出现残余变形，相对残余变形最大为23.2%。测试结果表明：1-3#、1-5#、1-11#板测点相对残余挠度超出规范限值20%，空心板承载力安全储备不足。
加固后，1#跨L/2截面实测应力校验系数在0.43～0.85之间，部分应变测点出现残余应变，相对残余应变最大为5.2%；挠度校验系数在0.39～0.59之间，部分应变测点出现残余变形，相对残余变形最大为4.5%。空心板各测点应力和挠度校验系数均未超过规定限值1，残余应变或变形均未超出规范限值20%。单片空心板底缘拉应力平均降低0.09MPa,为加固前空心板底缘平均应力的5.2%；单片空心板挠度平均减小0.1mm,为加固前空心板平均挠度的3.6%。
经表层内嵌碳纤维筋喷浆法加固后，碳纤维筋与板底缘混凝土在荷载作用下处于弹性受力状态，保持协调一致变形，桥梁上部结构整体受力性能得到明显提高和改善，提高了结构刚度和承载力安全储备。
4 结语
表层内嵌碳纤维筋喷浆法加固桥梁梁板在材料性能、施工工艺和加固效果方面具有传统加固处理技术不可比拟的优越性，应大力推广应用。
参考文献
[1]杨勇,谢标云,聂建国等.表层嵌贴碳纤维筋加固钢筋混凝土梁受力性能试验研究[J].工程力学，2009,26（3）：106-112.
[2]刘沐宇,李开兵,陈开利.CFRP在桥梁加固工程中的应用研究[J].黑龙江工程学院学报,2002,04.
[3]肖路.碳纤维筋喷浆加固法在T型梁桥加固中的应用探讨[J].建筑学研究前沿,2017,18.
作者简介
赵友松（1973-），男，云南宣威人，硕士研究生，高级工程师/副教授，研究方向为路桥工程。
岳红平（1974-），女，吉林公主岭人，硕士研究生，高级工程师/副教授，研究方向为路桥工程。
论文作者:赵友松,岳红平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/28
标签：碳纤维论文; 挠度论文; 结构论文; 残余论文; 应力论文; 开槽论文; 应变论文; 《防护工程》2018年第10期论文;