胡 皓，陳嘉琪，彭 輝，張 勇

(1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，杭州 310023；2.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311305；3.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

使用預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固橋梁技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展的加固技術(shù)之一，該技術(shù)結(jié)合粘貼碳纖維片材加固與體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，作為一種主動(dòng)加固方法，可充分利用材料性能，同時(shí)由于碳纖維板優(yōu)異的耐久性能，使得預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)的長(zhǎng)期效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)橋梁加固技術(shù)，大大減小了加固系統(tǒng)的維護(hù)成本[1]。

在預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)方面，彭暉[1]開(kāi)發(fā)了具有較強(qiáng)實(shí)用性能的預(yù)應(yīng)力碳纖維片材張拉系統(tǒng)，并進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，提出了矩形截面與T形截面的預(yù)應(yīng)力碳纖維加固構(gòu)件的全過(guò)程分析方法。鄧?yán)誓莸热藢?duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的正截面受彎承載力[2]、施工工藝[3]及碳纖維板各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法[4]進(jìn)行了研究。

在預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究方面：郭海波等[5]依托舊橋加固工程，運(yùn)用光纖光柵傳感器(FBG)監(jiān)測(cè)碳纖維板張拉過(guò)程、張拉完成后瞬時(shí)以及長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失，結(jié)果表明加固完成后碳纖維板的預(yù)應(yīng)力損失值約占張拉設(shè)計(jì)值的5%并趨于穩(wěn)定，后期損失很小，約為設(shè)計(jì)值的1%，但文中測(cè)點(diǎn)數(shù)量總體偏少。邵佳妮[6]采用分布式長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固實(shí)驗(yàn)梁張拉過(guò)程及張拉完成后的碳纖維板應(yīng)變狀況，50天預(yù)應(yīng)力損失趨于穩(wěn)定并小于5%。

現(xiàn)以舊橋拆除的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁作為加固對(duì)象，應(yīng)用雙層預(yù)應(yīng)力碳板技術(shù)加固，采用電阻式應(yīng)變片監(jiān)測(cè)雙層預(yù)應(yīng)力碳纖維板在張拉過(guò)程中全截面及全長(zhǎng)度的應(yīng)力狀況，實(shí)現(xiàn)碳板張拉的施工過(guò)程應(yīng)力控制，同時(shí)驗(yàn)證雙層預(yù)應(yīng)力碳板的短期預(yù)應(yīng)力損失能否滿足工程要求，以期為該類(lèi)加固工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)梁為S305富衢線松溪橋拆除的20m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，服役期限達(dá)22年，為了檢驗(yàn)其單梁極限承載能力，浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院于2016年10月對(duì)該梁進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)。試驗(yàn)采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)已進(jìn)行了破壞試驗(yàn)的空心板梁進(jìn)行加固，通過(guò)計(jì)算優(yōu)化確定合理的加固方案，并對(duì)加固后的空心板梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和靜力試驗(yàn)，研究預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。

采用規(guī)格為50mm×2mm的雙層預(yù)應(yīng)力碳纖維板在梁底進(jìn)行抗彎加固。預(yù)應(yīng)力碳纖維板主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。同時(shí)碳纖維板應(yīng)滿足平直光滑、無(wú)表面缺陷的質(zhì)量要求。

表1 碳纖維板材技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)空心板跨徑與梁寬確定每片碳纖維板長(zhǎng)度為16650mm(以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置長(zhǎng)度為準(zhǔn))，板底共布置3套碳纖維板張拉錨固裝置，其中中間套錨具與兩邊錨具進(jìn)行張拉端與錨固端方向調(diào)換，安裝錨具時(shí)需要使用與碳纖維板配套的碳纖浸漬膠以強(qiáng)化碳板與錨具間的錨固性能。采用波形錨夾持和錨固碳纖維板，在波形錨上下夾板之間增設(shè)一片與波形錨同波形的加勁板，沿碳纖維板長(zhǎng)度方向設(shè)置了6塊卡板(200mm×40mm)，碳纖維板及錨具布置如圖1所示。

(a)碳纖維板錨固裝置立面位置圖

(b)錨具及卡板平面布置圖

(c)加固后橫斷面圖

(d)張拉端和固定端錨具示意圖

2 碳板張拉過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)

2.1 張拉應(yīng)力確定及預(yù)應(yīng)力損失估算

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)的張拉控制應(yīng)力是重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證加固后混凝土構(gòu)件建立有效的預(yù)壓力，又要保證加固后混凝土構(gòu)件破壞時(shí)具有可靠的延性，避免出現(xiàn)脆性破壞；既要保證構(gòu)件破壞時(shí)充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力碳纖維板的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，又要避免預(yù)應(yīng)力碳纖維板因張拉應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生撕裂破壞。文獻(xiàn)[7]對(duì)碳纖維板張拉控制應(yīng)力的建議值為(0.4～0.65)ffk，而工程實(shí)踐中的常用值為0.5ffk。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367-2013)[8](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)的規(guī)定：預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料的張拉控制應(yīng)力宜為碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.6～0.7倍。對(duì)于高強(qiáng)度Ⅰ級(jí)碳纖維板加固的一般構(gòu)件，σcon=960～1120MPa。

當(dāng)預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉后，錨具變形、碳板滑移、混凝土的收縮徐變、加固工藝等各方面因素均會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失?！兑?guī)范》規(guī)定當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板對(duì)梁、板等受彎構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，其預(yù)應(yīng)力損失包含以下4項(xiàng)：

(1)錨具變形和碳纖維復(fù)合板內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失：

(2)預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板的松弛損失：

σl2=rσcom

(3)混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：

(4)由季節(jié)溫差造成的溫差損失：

σl4=ΔT|αf-αc|Ef

對(duì)于其中第一項(xiàng)損失：波形錨變形和碳纖維板內(nèi)縮值a=1mm，張拉端至錨固端之間的凈距離l=16000mm，碳纖維板的彈性模量Ef=160000MPa，求得σl1=10MPa，約為張拉控制應(yīng)力的1%；對(duì)于第二項(xiàng)損失：《規(guī)范》規(guī)定松弛損失率r近似取為2.2%。將該兩項(xiàng)和視為短期損失，約為張拉控制應(yīng)力的3.2%。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

沿碳纖維板縱向布置電阻式應(yīng)變片，5個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面(L1～L5)位置如圖2所示，碳纖維板橫向布置如圖3所示。L1截面測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A1-1～A1-6、B1-1～B1-8、C1-1～C1-6，L2截面測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A2-1～A2-6、B2-1～B2-8、C2-1～C2-6，依此類(lèi)推，共計(jì)100個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖4所示。布設(shè)在碳纖維板上的電阻式應(yīng)變片量程為15000με，精度1με，尺寸10mm×3mm。測(cè)點(diǎn)實(shí)際布設(shè)情況如圖5。

圖2 測(cè)試截面立面示意圖(單位：m)

圖3 碳纖維板橫向布置圖(單位：mm)

(a)碳纖維板B

(b)碳纖維板A、C

(a)應(yīng)變片焊接及防潮處理 (b)應(yīng)變片接線

2.3 監(jiān)測(cè)過(guò)程

試驗(yàn)對(duì)每套碳纖維板(雙層)施加170kN預(yù)拉力，碳板張拉應(yīng)力為850MPa，相應(yīng)的張拉應(yīng)變?yōu)?312.5με。碳板張拉分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)張拉力增加10kN，達(dá)到預(yù)設(shè)張拉力后持荷2min再錨固。碳板張拉的順序依次為B板、A板、C板。

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

各碳板張拉后的應(yīng)變?cè)谳^短時(shí)間完成衰減并維持穩(wěn)定，表2選取部分測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)了各截面碳板張拉結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值、衰減完成后的穩(wěn)定應(yīng)變值以及應(yīng)力損失。全部100個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)中，除個(gè)別異常測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失均在5%以?xún)?nèi)，A碳板、B碳板、C碳板平均應(yīng)力損失分別為2.55%、2.75%、3.04%，與《規(guī)范》對(duì)短期預(yù)應(yīng)力損失限值3.2%的要求較為接近，因此施工中的預(yù)應(yīng)力損失是合理的。

表2 部分測(cè)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失統(tǒng)計(jì)表

圖6將各碳板張拉結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值、衰減完成后的穩(wěn)定應(yīng)變值(略小于張拉結(jié)束值)與張拉應(yīng)變計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。由圖可知，衰減穩(wěn)定后應(yīng)變基本大于理論張拉應(yīng)變，除A碳板A3-3、A3-4、B碳板B2-3、B5-3、C碳板C1-2測(cè)點(diǎn)以外，各碳板其余測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定應(yīng)變值與理論張拉應(yīng)變值相差均在-500με～500με范圍內(nèi)。

(a)A碳板

(b)B碳板

(c)C碳板

因加固設(shè)計(jì)采用雙層碳板，每層碳板應(yīng)力水平相對(duì)傳統(tǒng)單層碳板較低，碳板回縮損失較小，且張拉過(guò)程荷載分級(jí)較小，每級(jí)張拉均持續(xù)一定時(shí)間。故實(shí)測(cè)碳板短期預(yù)應(yīng)力損失較小，張拉效果良好。

選取各截面B碳板下緣測(cè)點(diǎn)衰減穩(wěn)定后的應(yīng)變分析如圖7所示，由圖可知，沿碳纖維板橫向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布較為均勻，說(shuō)明采用波形錨夾持錨固碳板時(shí)傳力均勻可靠，錨固效果良好。

圖7 各截面B碳板下緣測(cè)點(diǎn)應(yīng)變橫向分布

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固空心板梁張拉過(guò)程中的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)沿縱向覆蓋跨中、四分點(diǎn)和支點(diǎn)附近斷面，且在每套碳板上下表面沿橫向布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)具有代表性，得到如下結(jié)果：

(1)除個(gè)別異常測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失均在5%以?xún)?nèi)，預(yù)應(yīng)力損失較小，張拉效果良好。雙層碳板加固可有效降低預(yù)應(yīng)力損失，實(shí)際施工時(shí)，建議增加張拉分級(jí)，保證足夠的持荷時(shí)間。

(2)沿碳纖維板橫向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布較為均勻，采用波形錨加持錨固碳板時(shí)傳力均勻可靠，錨固效果良好。