1.卡本复合材料（天津）有限公司 天津 301712
摘要：可拆卸预应力碳纤维板技术是一项新型体外预应力技术。能够充分利用碳纤维的高抗拉强度，有效的减少挠度变形、减小裂缝宽度或封闭微小裂缝，且可拆卸预应力碳纤维板锚具可重复利用，减少施工造价成本。本文通过可拆卸预应力碳纤维板加固某预应力空心板桥为例，分析可拆卸预应力碳纤维板与体外预应力钢绞线相比的技术优势。并结合实际工程案例简述了可拆卸预应力碳纤维板工艺流程及操作要求，为今后类似工程提供相关工程经验。
关键词：可拆卸预应力碳纤维板、体外预应力、技术优势、工艺流程
Removable prestressed carbon fiber board to reinforce a pre-stressed hollow bridge case study
Xia Dong1Tang Fei1
1.Carbon Composites（Tian Jin）Co.，Ltd.
Abstract：Removable prestressed carbon fiber board technology is a new kind of external pre-stress technique.It can make full use of the high tensile strength of carbon fiber，effectively reduce deflection deformation，reduce crack width or close small cracks，and the removable prestressed carbon fiber plate anchorage can be reused to reduce construction cost.In this paper，the technical advantages of removable prestressed carbon fiber plate compared with external prestressed steel strand are analyzed by taking the example of a prestressed hollow slab bridge strengthened by removable prestressed carbon fiber plate.Combined with practical engineering cases，the technological process and operation requirements of removable prestressed carbon fiber plate are briefly described，which provides relevant engineering experience for similar projects in the future.
Keywords：removable prestressed carbon fiber plate，external prestress，technical advantages，construction process
1 引言
伴随着人们的生活水平不断提高，人们对结构的质量和使用功能方面要求日益增加。在桥梁方面，一方面以前建造的桥梁由于结构年久失修、材料老化、车辆荷载增加等原因；另外一方面目前设计规范标准改变，相应设计要求及抗震标准不断提高，使得大量桥梁面临维修改造的问题[1]。同样其他形式的结构，也由于结构功能改变或者规范等原因，引起结构性能不能满足功能要求，都需要进行有效的维修加固。
碳纤维板是碳纤维增强材料一种，它是由碳纤维原丝用树脂浸渍后，采用固定的模具中使其固化，并经过高温加压挤压、冷拔牵引后形成的一种片材，而预应力碳纤维板加固技术是近些年才新起的一项新型主动加固技术，即可提高结构承载力和刚度，并减少了结构挠度变形，减小或者封闭裂缝；又可以充分利用材料性能，提高材料强度利用率，节省材料及工程造价，减少维修成本[4]。目前卡本公司已在大量桥梁工程将此项技术进行了实例应用，并达到了很好的效果。
2 加固原理
采用体外预应力加固系统，通过特定的张拉工装，将碳纤维板张拉到一定强度在固定于被加固结构的表面，并采用环氧树脂结构胶进行粘接达到应力传递，形成预应力碳纤维板～桥梁的预应力体系，所张拉的预应力不仅能承担一部分桥梁结构自重和部分荷载产生的结构内力和变形，缓解内部钢筋的应变，还能对已经开裂的结构起到缩小结构裂缝宽度或封闭部分微小裂缝，同时能够提高碳纤维材料强度利用率，更大程度地提高了结构的屈服荷载和极限承载力[2]。
可拆卸预应力碳纤维板加固系统主要由：碳纤维板、锚固板、环氧树脂胶、油缸放置槽、夹具、滑道、油缸固定夹具、化学锚栓等组成，如图1所示。
图1 可拆卸预应力碳纤维板示意图
3 与体外预应力钢绞线加固方法比较
体外预应力钢绞线是通过锚具及转向块对结构施加预应力的一种后张预应力混凝土结构体系。体外预应力体系由锚固体系、体外预应力钢绞线和转向块等部件组成。通常，体外预应力钢绞线布置方式有：直线式和折现式布置[3]。然而体外预应力钢绞线加固方法存在一定的缺陷：
（1）体外索布置在截面外，防腐、防护相对较困难，易受外界影响；
（2）锚固及转向区域容易产生应力集中，局部应力大，对锚固区和转向区域的施工要求高；
（3）锚固力完全由锚固系统提供，对锚具及夹片的要求很高；
（4）锚固位置不自由，体外索的锚固位置一般为桥台或桥墩横梁处，一般做成桥后的通长钢束；
（5）体外索与混凝土之间无粘结，与结构的相应截面变形不协调，容易造成预应力损失；
（6）体外预应力钢束在转向处有滑移；
（7）施工复杂，工期长。转向块、锚固端、减振装置及预应力索的安装施工较复杂；
（8）自重较大，自重相比碳纤维板较大（尤其是箱梁腹板体外索需要外覆混凝土的情况）。
体外预应力碳纤维板相比预应力钢绞线而言，其抗拉强度高达2400MPa，要发挥抗拉强度需要1.7%的拉伸应变；而钢筋的抗拉强度为500MPa左右，钢筋屈服时拉伸应变仅为0.15%。即碳纤维板的抗拉强度是钢筋的5-8倍左右，相比体外预应力钢绞线具有以下优势：
（1）安装简便，工期短。独特的专利锚具设计，方便在现场进行安装，安装工序少，安装时对原结构损伤小，占用空间小，可在狭小空间进行安装作业；
（2）碳纤维板与混凝土之间有粘结，在任意截面与结构的相应截面变形协调；
（3）碳纤维板的防腐性能好，无需进行额外的防腐处理；
（4）预应力碳纤维板加固系统施工完毕后，整个系统就剩碳纤维板和两块锚板，防护工程量小；
（5）锚固力由胶粘剂和锚板共同提供，对锚板的要求低，无需施工额外的锚固端；
（6）锚固位置较为自由，可锚固在腹板、顶板和底板上；
（7）自重轻；同样的加固效果，体系重量不到体外索加固的1/5。
4 可拆卸预应力碳纤维板加固系统加固某预应力空心板梁实例
某空心板桥梁全长为85m=3×20m，桥面铺装为沥青混凝土路面，上部结构为3跨预应力钢筋混凝土空心板梁，桥面单幅宽25.0m=3.5m（人行道）+18.0m（行车道）+3.5m（人行道）。布设20片空心板梁，下部结构为柱式桥墩，支座为板式橡胶支座。桥梁由于经过火烧，经检测与荷载试验判定，桥梁的技术状况评定为D类。由于经过火烧后混凝土强度降低，部分预应力钢绞线损失，为保证结构整体承载能力，需对桥梁结构进行承载力加固；
加固方式：每片梁底纵向粘贴张2条可拆卸预应力碳纤维板，碳板尺寸为17800mm×100mm×1.4mm，碳纤维板的极限抗拉应力≥2400kN，极限抗拉力为336kN。单条碳纤维板张拉控制应力为1300MPa，每条碳板的张拉力为182kN。
图2 可拆卸预应力碳纤维板开孔位置图
可拆卸预应力碳纤维板施工流程如下：
（1）定位放线：
按照图纸要求，在混凝土基面上首先确定碳纤维板加固长度，并放线碳纤维板中心线，并随后以中心线为准标示出锚具、锚板等安装位置及螺栓开孔位置；需注意放线前应使用钢筋探测仪标示出螺栓开孔位置周边钢筋分布及大致埋深，如果钢筋比较密集应及时与卡本公司技术人员提出，商讨解决方案。验收标准：中心线误差±2mm；螺栓开孔位置误差±2mm；
（2）混凝土基材表面处理：
混凝土基层需要进行磨毛处理，去除松散混凝土表面，处理后混凝土表面不应有太大位置差，要满足表面平整度需求；如果平整度不满足要求，需要采用卡本环氧找平胶进行找平。基层不允许出现凸形，在此情形下，碳纤维板与基材的剪力传递不满足要求；并会造成损伤碳纤维板。验收标准：混凝土基材应打磨到坚实骨料；混凝土板底平整度要求小于5mm/2m。
（3）锚栓及锚板安装
锚板需安装在碳纤维板的中心线上。在锚板上标示出锚板中心线，应与碳纤维板中心线对齐钻孔需要垂直于混凝土保证锚板安装正确。
（4）锚具单元安装：
混凝土开孔后先按照单元滑槽，通过锚栓进行固定。待夹具滑槽按照规定要求固定好后，将夹具单元插入夹具滑槽中。
夹具滑槽必须用锚栓牢牢固定住，以便当夹具单元合上并固定螺丝时，夹具单元不会转动。夹具滑槽的顶丝需拧松，以便安装时，夹具滑槽能够压在夹具单元的整个截面上。
（5）碳纤维板裁剪：
待夹具单元定位后，碳纤维板最终长度就可以准确确定，测量碳纤维板起点终点均位于夹具单元的内部边缘。
（6）锚板和张拉单元的准备工作：
锚板需用粗砂纸进行打磨。夹具单元和铝片需用丙酮进行清洁和去污。螺丝（8颗）的安装孔需用胶带封住。此操作的重要性在于使孔洞不会在安装时被胶粘剂填满。六角螺丝也需安装上，并拧至突出锚板底部大约4-5mm，保证碳纤维板可以在张拉过程中自由滑动而不与锚板产生摩擦损伤到碳纤维板；
（7）碳纤维板涂抹胶粘剂及碳板安装：
将搅拌好的碳板胶均为涂抹在清洁好的碳板上；
固定端：碳纤维板端部的22cm距离不需要涂胶；
张拉端：碳纤维板端部的26cm距离不需要涂胶。
碳纤维板按照安装要求粘贴至干净的混凝土；
在碳纤维板末端安装碳纤维板夹具压板，且安装到滑槽夹具单元中，并采用扳手将夹具单元上的螺丝固定死。在夹具滑槽稍微拧松之后，滑槽的顶丝需安装就位，以使夹具单元和夹具滑槽间存在微小的空隙。
将胶粘剂涂抹至干净的锚板上，其后，安装锚板。锚栓需拧至锚板上的限位螺丝与基层完全齐平。锚板下压出的胶粘剂需要立即清除。
待上述工作一切就绪后将碳纤维板专用浸渍胶均匀涂抹到碳纤维板表面，并安装碳纤维板；要求锚板与混凝土之间间隙能保证碳纤维板自由移动，确定最终顶丝柠出长度。
（8）预应力张拉：
油缸安装在已经固定稳定的油缸放置槽上，液压千斤顶需穿过油缸放置槽，并事先进行加压并检查千斤顶与油缸放置槽的位置，防止千斤顶与油缸放置槽发生摩擦，影响张拉力。在液压管和液压泵安装之后，预应力就可以进行施加。加压张拉至设计张拉应力值的15﹪，检查两端锚具之间碳纤维板与梁表面是否有间隙，如碳纤维板与混凝土有高凸接触点或面，应卸压拆卸打磨后再张拉。
张拉控制力根据设计要求确定，张拉力值=张拉控制应力*碳板横截面积，根据千斤顶标定报告提供的线性回归方程Y=a*X+b，（X即为每次达到的张拉力值）可以计算出碳板不同张拉力下千斤顶上的油压表读数，并填入张拉记录表中。
另外，碳板伸长量理论值按照Δ=碳纤维板的自由端长度*X/E进行计算（X即为每次达到的张拉力值，E为检测报告中弹性模量的实测值），并填入张拉记录表中，同时计算出理论伸长量的差值。
张拉过程中采取应力应变双控，分别达到15%、30%、50%、70%、90%、100%设计张拉力应力值时，测量张拉端锚具和锚头之间的距离，两次测量值之差即为此过程中碳纤维板伸长量的实测值。同时，判断碳纤维板伸长量的实测值是否满足理论伸长量的要求，按规范要求碳纤维板伸长量的实测值与理论伸长量误差应不大于±10﹪。
当张拉应力值和碳板的伸长量满足要求后，将锚板压紧，停顿5分钟没有其它异常情况后，拆除千斤顶和油缸放置槽；同时将压紧条上的螺栓扭紧，保证碳板与压紧条之间无空隙。若出现异响或异状，由技术人员进行检查，必要时进行卸压，解决问题后方可继续加压。
加压或减压时，千斤顶行程速度应控制在20 ㎜∕分钟以内，严禁快速冲、放千斤顶行程。所有张拉都应在碳板胶适用期内（45 分钟）完成。
张拉结束和压紧条安装完毕后，即可开始碳纤维板的补胶工作，要求碳纤维板与混凝土之间的缝隙均填满胶粘剂，且碳纤维板边缘胶粘剂饱满并与混凝土基层呈45度斜角。
（9）压紧压条及锚板：
待预应力碳纤维板张拉完毕后持荷5min，碳纤维板松弛基本稳定后压紧碳纤维板压条及锚板，保证胶体粘接大于95%以上，并清理溢出的胶体。最终切断碳纤维板，拆除油缸放置槽、滑道、张拉单元等；最终桥梁表面仅剩下锚板、碳纤维板及部分压条。
5 结语
实践案例证明可拆卸预应力碳纤维板加固技术作为新型体外预应力加固系统不仅能大幅度提高桥梁结构的承载力，减少结构的挠度变形并减少和封闭裂缝，且可拆卸预应力碳纤维板锚具可重复利用，大大降低了工程成本；可以适用大跨度梁、板的抗弯加固，同时也可应用在民用建筑结构抗弯加固、弥补预应力混凝土梁、板的预应力损失；施工工艺简单、自重轻、与原结构粘接紧密、加固效果明显、耐久性好、安全可靠等优点，具有较好应用前景。
参考文献
[1]张利利.预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究.北京建筑工程学院硕士论文，2011年
[2]杜亚军.预应力碳纤维板桥梁板底加固技术[J].黑龙江交通科技，2018年
[3]殷小龙，张利，程歆琛.浅谈体外预应力加固技术及应用[J].长春工程学院学报（自然科学版），2016（17）
[4]陈华，黄裕勇，王鹏凯.预应力碳纤维板加固混凝土梁可靠度的研究[J].广西 科技大学学报，2017（6）
论文作者:夏冬1,汤飞1
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/11
标签：碳纤维论文; 预应力论文; 可拆卸论文; 夹具论文; 体外论文; 混凝土论文; 锚固论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;