预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用

摘要：因建筑行业对新材料的应用需求逐年增大，碳纤维板作为新兴材料，具有高强高效、自重轻、空间要求小、耐腐蚀、耐久性好等特点。本文介绍了FH-CFP预应力碳纤维板在桥梁养护中的应用及其施工工艺，分析了预应力碳纤维加固方式的优势及可行性，为该项技术的进一步发展及推广应用积累了宝贵经验

关键词：预应力  碳纤维板  桥梁养护  施工工艺 

一、概述

碳纤维板是一种碳纤维加固补强单向板材，其成型工艺是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型。采用优质碳纤维原料与良好基本树脂，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能。

碳纤维单向板材能充分发挥碳纤维的强度和弹性模量，在施工时可免除碳纤维单向织物的树脂固化阶段，强度利用效率高，施工方便。

GB50367-2006《混凝土结构加固设计规范》中对碳纤维板的相关要求：碳纤维板弹性模量约为165～185GPa，抗拉强度高达2400～2800MPa。其安全性能指标如下图所示：

二、预应力碳纤维板加固体系介绍

FH-CFP预应力碳纤维板锚固体系主要由锚具(两端）、碳纤维板、碳纤维板专用粘结胶、张拉工具组件及张拉设备等组成。详细如下图：

碳纤维板

固定端锚具                        张拉端锚具

三、预应力碳纤维板施工设计张拉力

建议张拉控制应力σcon一般采用碳纤维板材强度的 0.5-0.58倍，即0.50-0.58σb。

碳纤维板的张拉力 Pj可按下列公式计算：

Pj=σcon×Ap

式中：σcon---张拉控制应力；

Ap---碳纤维板截面积。

张拉预应力损失有孔口摩阻，内缩值等，张拉锚固的预应力损失取值≤3%。

常用碳板规格如下表所列，具实际需要提供的张拉力进行设计选取。

锚固张拉控制应力一般为1400MPa,伸长率1.4%,双控±6%。

四、预应力碳纤维板施工工艺流程

张拉设备（千斤顶）          碳纤维板

五、预应力碳纤维板的施工案例及工艺图片

嘉峪关桥梁养护项目中的预应力碳纤维板加固桥梁为K2443+096X小桥。该桥位于G30连霍高速公路甘肃省嘉峪关市境内，跨径布置为1-13m，全长18.26m；桥面总宽13米，由10块空心板梁组成，桥下净空平均2.5米。

桥梁主要病害为桥梁部分梁板出现横向裂缝，以及纵向贯通裂缝，宽度0.1mm-0.3mm之间，梁端头裂缝稀少，跨中较多，并有继续发展趋势。某设计院设计为底板粘贴预应力碳纤维板加固，以提升结构承载力。我司进行了预应力碳纤维板加固专项方案设计。

具体施工工艺图片详见下图：

碳板固定区域及张拉区域放线、切槽

凿除切槽区域混凝土、找平基面

化学锚栓钻孔、清孔

植入化学锚栓

锚固板涂粘结胶与安装

  涂抹碳板胶               安装带锚具的碳板

 安装卡板

螺纹套筒连接锚固螺纹棒与张拉杆、安装张拉设备（千斤顶）

碳板张拉、伸长量的测量

张拉过程及时拧紧张拉紧固螺母            张拉完成后拧紧卡板

碳板两端安装封锚铁皮盒

注浆处理

封锚                      碳板表面涂刷保护层

完工照片

六、预应力碳纤维板加固技术的优势

   碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、但抗拉强度是普通钢筋的10倍。要发挥碳纤维材料抗拉强度需要1.7%的拉伸应变，而钢筋屈服时拉伸应变仅为0.15%；当碳纤维板材与构件内部钢筋 共同工作时，不考虑钢筋原有的初始应变，钢筋屈服、混凝土结构就已经发生破坏（钢筋拉断，混凝土压坏）时碳纤维板材所能发挥的强度也仅为抗拉强度的10%左右。因此，传统不加预应力的碳纤维加固混凝土结构技术，无法发挥纤维增强复合材料的高强度特性，造成资源的浪费。

    预应力碳纤维板锚固体系，通过对碳纤维增强复合材料施加预应力来克服上述缺陷。对碳纤维施加了预应力后，避免了碳纤维片材应变滞后的现象，使碳纤维板强度有效发挥，提升结构承载力，同时提高受弯构件的抗弯刚度，减小原构件的挠度，抑制构件变形和裂缝扩展，解决了碳纤维强度和弹性模量比值过高的矛盾，对碳纤维强度的利用远远超出未施加预应力的情况，具有非常良好的经济效益和社会效益。

   与其他加固方法（加大截面法、外包钢加固法、外部粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、喷射混凝土加固法、碳纤维布加固法等）相比，预应力碳纤维板加固法具有以下优点：

1）高强高效

预应力碳纤维板加固技术充分发挥了碳纤维材料的高强性能，有效提升结构承载力与抗弯刚度，节约碳纤维用量，降低工程总造价。

2）重量轻、空间要求小

碳纤维比强度高、质量仅为钢的1/5，基本不增加原结构自重，碳纤维板可以盘卷，能以较大长度供应而无须搭接。没有湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少，加固完成后不影响原结构使用空间。

3）良好的耐久性和耐腐蚀性

耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀，不须定期维护。

    预应力碳纤维板锚固体系，通过对碳纤维增强复合材料施加预应力来克服上述缺陷。对碳纤维施加了预应力后，避免了碳纤维片材应变滞后的现象，使碳纤维板强度有效发挥，提升结构承载力，同时提高受弯构件的抗弯刚度，减小原构件的挠度，抑制构件变形和裂缝扩展，解决了碳纤维强度和弹性模量比值过高的矛盾，对碳纤维强度的利用远远超出未施加预应力的情况，具有非常良好的经济效益和社会效益

七、结束语

    我国已日益重视公路桥梁的养护工作，研发新型桥梁加固技术与材料，并在病危旧桥的加固中合理应用，恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力显得尤为重要。

预应力碳纤维板加固技术可以显著提高桥梁结构的承载能力，增大其刚度，改善其内力分布，从而有效提升桥梁的运营能力。此种新的加固材料及加固形式必将有广阔的应用及市场前景。