1.前言

隨著我國經濟的高速增長和交通量的迅猛增加，大量的橋梁處于高負荷運行狀態。混凝土橋梁結構在長期使用環境(如荷載、碳化、凍融、化學介質侵蝕等) 作用下，引起結構開裂，橋梁的承載能力降低，使用年限縮短，甚至出現橋梁坍塌情況。為了適應我國未來經濟發展的需求，以節約投資和可持續發展為原則，在橋梁梁板結構功能沒有完全喪失，只是性能減弱及安全度下降的情況下，對其進行補強與加固處理，達到提高其承載能力、恢復其工作性能及延長其正常使用年限效果。

預應力碳纖維板加固系統是規范中規定可以在不卸荷、不阻斷交通情況下進行有效加固的少數加固方法，同時所用材料具備高強纖維復合材料輕質、高強、耐老化的特點，加固后幾乎不增加原結構的自重和體積，是非常理想的橋梁加固解決方案。

預應力碳纖維板加固系統主要應用于梁結構的加固補強，是一種通過對高強纖維復合材料（碳纖維板）施加預應力，提升結構承載能力、改善工作性能的主動加固技術。2014年實施的GB50367-2013《混凝土結構加固設計規范》中對預應力碳纖維板的設計方法、材料要求作出了相應規定。國內經過近幾年的發展，預應力碳纖維板加固系統已在全國進行了數十個橋梁加固項目應用，加固效果得到了較為廣泛的認可，是一種未來橋梁加固領域不可替代的重要方法。目前國內只有少量廠家擁有相關材料的全套生產、施工技術，跨度大、拉應力大對材料和施工技術都提出了更高的要求。現將預應力碳纖維板加固橋梁混凝土結構施工工藝總結編制成工法。

2.工法特點

2.1 預應力碳纖維板加固屬于主動加固技術，利用碳纖維板高強、高彈的材料特性，通過對碳纖維板預張拉，產生初始預加力，用來平衡原梁一部分載荷，從而很大程度延緩裂縫的開展和減小裂縫寬度，有效增加結構剛度，減小結構構件的撓度，緩解內部鋼筋的應變，提高鋼筋的屈服荷載和結構的極限承載能力。

2.2 本工法裂縫修補與結構補強同時進行，選用緩粘結灌縫膠，保證預應力張拉時灌縫膠尚未完全硬化，便于結構變形的恢復。

2.3 采用預應力碳纖維板加固的混凝土結構可以抵抗各種酸、堿、鹽的腐蝕，極大地降低了結構的維護費用，延長了結構的使用壽命。

2.4 自重輕、易使用，作業輕松且不需大型機械設備。

2.5本工法采用嵌入式預應力張拉技術，其特點是先錨固后張拉，以構件本身和先前的錨固作為張拉受力裝置，無需復雜的張拉機具，方法簡便易行。

2.6采用預應力碳纖維加固的混凝土結構可有效提高被加固橋梁的抗彎、抗剪、抗疲勞強度，恢復撓度變形，閉合裂縫，增加剛度。

2.7 補強后基本不改變構件的形狀與重量。

2.8 碳纖維板材更適用于采用預應力加固方式，更能充分發揮碳纖維高強度作用。

3.適用范圍

3.1 適用于大跨度鋼筋混凝土橋梁加固，提升承載能力，廣泛應用于預應力、非預應力橋梁結構。

3.2 橋梁截面類型和適用于空心板梁、箱型梁、T型梁截面增加預應力加固。

3.3 適用于廠房等建筑，大跨度結構梁預應力加固。

3.4 適用于截面偏小或配筋不足的鋼筋混凝土受彎、受拉和大偏心受壓構件的加固。本方法不適用于素混凝土構件，包括縱向受力鋼筋一側配筋率低于0.2%的構件加固。

4.工藝原理

預應力碳纖維板有配套的錨固單元，其與梁體的粘結主要還是依靠膠粘劑來實現。對橋梁結構現有的裂縫進行修復后，用機械錨具將已涂抹膠結劑預應力碳纖維板安裝在構件的設計部位，通過收緊夾具，使纖維布收緊，從而建立預應力。將碳纖維布張拉至設計的預拉應力為止。

5.施工工藝流程及操作要點

5.1 工藝流程

鋼筋探測→鉆孔植入錨栓→梁底打磨→安裝錨板及滑槽→碳板下料及抹膠→安裝碳板→安裝夾具單元并張拉→夾具和錨板螺絲緊固→拆掉油缸并養護→拆除夾具→碳板防護→檢查驗收。

5.2 操作要點

5.2.1 梁底粘貼預應力碳纖維板加固設計方案

本橋梁底加固中，采用lOcm寬碳纖維板材，粘貼于梁肋下方，對于空心板梁，一條肋下粘貼一條預應力碳纖維板材，對于箱梁，一條梁肋下粘貼2-3條預應力碳纖維板，錨固單元錯開布置。

本橋粘貼預應力碳纖維板采用后張法，采用化學錨栓將預應力板材一端錨固于梁底，另一端固結在張拉機具上，并在板材與梁體結合面上涂刷粘合膠，最后進行張拉。碳纖維板材的張拉有配套的張拉機具實現，對于長度小于20m的預應力碳纖維板，采用單端張拉的方式；對于長度大于20m的預應力碳纖維板，采用兩端張拉的方式。下圖為空心板及箱梁預應力碳纖維板橫斷面布置形式。

橫斷面圖

5.2.2 施工放線

按照施工圖所示位置對碳板、錨板及滑槽位置進行放線，并用墨線標識。放線過程中因注意張拉端和錨固端的位置，為滿足作業空間需求，距離墩柱中心較遠的截面碳板安裝張拉端滑槽。由于錨板為定型產品，放線過程中應使碳板、錨板、滑槽板軸線，三線合一，以保證碳板的軸線受力可靠。

5.2.3 鋼筋探測

放線完成后，對錨栓孔位進行探測。探測過程中加大探測區域，以使錨栓盡量避讓鋼筋。根據探測結果交設計調整。最后根據調整圖紙，實施放線鉆孔。

鋼筋探測

5.2.4 鉆孔

M12化學錨栓，錨固深度70mm。M16化學錨栓，錨固深度90mm。根據放線結果進行鉆孔。鉆桿垂直于梁底面，在鉆桿上用油漆標識鉆孔深度，邊鉆進邊控制孔深。為使所植錨栓與原構件充分粘接，鉆孔完成后，將孔內灰塵清理干凈，用氣泵、毛刷清孔，此過程要作到三吹兩刷，即吹孔三次、清刷兩次，清刷完畢后，用棉絲沾丙酮，清刷孔洞內壁，使孔洞內最終達到清潔干燥；如遇較潮濕的情況，還須用加熱棒，進行干燥處理。清孔不得用水，孔內如有積水應清除。將植栓膠和錨栓放入孔內，通過旋轉加壓，使之錨固至孔底。養護需在靜載條件下進行。不得用重物碰撞錨栓。

鉆孔植入錨桿

5.2.5 梁底打磨

清理粘貼面混凝土表面浮漿，去除油污等異物，打磨凸角，使堅實的混凝土石外露，并形成平整的粗糙面，表面不平處應用尖鑿輕鑿整平,再用角磨機清除表面浮漿，剔除表層疏松物，最后用無油壓縮空氣吹除表面粉塵或清水沖洗干凈，待完全干燥后用脫脂棉沾丙酮擦拭表面。

梁底打磨

梁底找平

5.2.6 錨板和張拉臺座安裝

如遇到鋼筋，則需要安裝輔助錨板和輔助滑槽板，輔助錨板和輔助滑槽板均采用Q235C d=12mm的鋼板定型加工而成，采用灌注膠工藝。先對其進行鉆孔，最后進行鋼板灌膠施工。輔助鋼板安裝完成后，安裝錨板及張拉臺座滑槽。

錨桿和張拉臺座安裝

5.2.7 碳板安裝

按照設計要求和現場量測的長度，裁剪碳纖維板，同時進行膠粘劑的拌制，應延長膠粘劑攪拌時間且攪拌均勻。為使碳板粘接面膠粘劑均勻無氣泡，應先使用抹刀在碳纖維復合板材粘貼面刮抹少量膠粘劑，并且用力刮抹數遍，然后，按照碳纖維復合板材寬度方向中間厚、邊緣薄的原則進行刮抹。完成后將碳纖維板的兩端分別插入夾具單元槽內，合上夾具單元并將夾具單元上的固定螺絲擰緊；初步固定錨固后固定張拉單元并放置液壓油缸。

碳板安裝

5.2.8 碳纖維板張拉

（1）確保液壓油缸、碳板、錨板軸線三線合一。碳板膠粘劑抹好后，應立即進行張拉。

（2）張拉采用單端張拉。張拉前應對張拉設備及配套油表進行配套標定，完成才能進行張拉。

（3）張拉施工采用逐級張拉，每級應持荷5min，并量測記錄伸長量。張拉施工以張拉力為主，伸長量為輔進行雙控。實測伸長量控制誤差為±6%。

（4）初張拉為10%的控制應力即12KN，再以20%和60%施加預應力，最后張拉至100%。張拉過程中嚴格控制張拉速度，要求緩慢、均勻、平穩。

（5）初張過程中，如碳板表面膠粘劑流失，應即時進行補膠。

（6）當預應力施加到100% 即張拉力為120kN時，復驗碳纖維板張拉伸長值，并持荷5分鐘。張拉控制應力為1000MPa，伸長量為6‰。

（7）張拉持荷后將固定螺絲固定好，卡緊張拉單元和夾具單元間的位置。之后卸除液壓油缸，并將錨固板固定緊。

（8）待膠粘劑固化完畢后，即可進行張拉單元和夾具單元的拆除，拆除完畢后，將多余的碳纖維板和錨栓端部進行切除。張拉機具拆除完畢后，僅在結構上剩下碳纖維板、粘板膠、錨固板和錨栓，以確保加固后對結構自重增加最小；嚴禁將張拉機具永久固定在結構上。

液壓油缸安裝

碳纖維板張拉

5.2.9 碳纖維板表面防護

碳纖維板張拉完成以后，與梁體一道，在碳纖維板表面涂刷一層聚氨酯面漆，涂刷要均勻，美觀。

5.2.10 注意事項

（1）為保證施工安全及連續性，在施工前必須對施工機具、臨時設備進行詳細檢查、核對，確保萬無一失后方可施工。

（2）碳纖維復合板粘貼表面應采用粗砂布進行交叉打磨糙化處理，并用無水乙醇擦拭干凈。

（3）張拉前應對油泵和壓力表進行配套標定。

（4）在膠粘劑凝固之前，嚴禁活載對膠粘劑的過大擾動，以保證黏結效果。

（5）碳纖維板為導電材料，使用碳纖維板時應盡量遠離電氣設備及電源。使用中應避免碳纖維板的彎折。碳纖維板下料裁剪時應預留足夠的尺寸滿足工作長度要求。膠粘劑應密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射，膠粘劑的配制和使用場所，應保持通風良好。現場施工人員應根據使用材料采取相應的勞動保護措施。

（6）膠粘劑應適用期內使用完成。

（7）碳板張拉的縱向前后不得站人，量測伸長量應在兩側進行測量。

（8）膠粘劑時，應佩戴口罩、手套等必要的安全保護措施。

（9）施工現場使用膠粘劑時必須保持通風，注意防火；如不慎污染到皮膚，可用無水乙醇擦拭后清水沖洗；

6.材料與設備

6.1 材料

施工中所需材料按照國家有關規定和業主的準入規定進行購買和運輸，保證材料安全、及時的運至現場。施工所用化學錨栓、結構膠、碳板、錨具等進行充分的儲備以滿足施工需要。進場材料必須經監理工程師驗收合格，且經自檢和抽檢合格后，才能投入使用。

對不同規格、型號的材料要分類、分型號儲備。到場的材料采取集中遮蓋堆放，加強現場看守，防止被盜和損壞。

材料情況一覽表

碳纖維板膠黏劑

碳纖維板膠黏劑的主要性能指標如下：

采用優質改性環氧樹脂類膠黏劑；膠黏劑、碳纖維浸漬、粘貼用膠黏劑的安全性檢驗指標符合《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22-2008）A級膠的要求，各項設計指標要求如下：

碳纖維板膠黏劑性能指標

化學錨栓用膠

為減小加固期間對交通的影響，本工程化學錨栓用膠采用改性乙烯基類，符合《混凝土結構加固設計規范》GB／50367-2013中錨固型快固結構膠安全性能鑒定標準的要求。化學錨栓錨固用膠主要設計指標要求如下：

化學錨栓錨固用膠粘劑安全性能指標

化學錨栓錨固用膠粘劑安全性能指標

6.2 設備

按照施工部署，施工所需機械設備提前到達現場，做好開工準備。施工機械以自有為主，社會租賃為輔。

機械設備表

7.效益分析

7.1 經濟效益分析

采用預應力碳纖維板加固，由于碳纖維板處于張緊狀態，且粘結層經過改良， 粘結層不易剝離，具有更好的耐久性，預應力加固的耐久性長。而且即使粘結層剝離，機械錨固的存在使得碳纖維板不會脫落，加固不會完全失效。大幅度降低了加固維修的費用。

7.2 社會效益分析

預應力碳纖維板加固屬于主動加固技術，無需對結構進行卸載。預應力碳纖維加固，降低了材料的用量，十分符合節約資源，合理利用資源的國情。并且由碳纖維板加固提高了橋梁的使用壽命，也避免了因重復建設造成自然資源的浪費， 具有良好的社會效益。