摘 要：为了提高小箱梁承载能力及耐久性，应用预应力CFRP(碳纤维增强复合材料)对小箱梁进行加固。首先通过理论计算小箱梁加固前后的承载力进行了对比分析，然后利用现场静载试验成果对设计计算理论的可靠性进行了验证。结果表明:应用预应力CFRP(碳纤维增强复合材料)对小箱梁进行加固，可以显著提高桥梁承载能力，原结构中裂缝宽度变小甚至闭合，达到了预期的加固效果。
关键词：桥梁工程;预应力碳纤维板;加固设计;
预应力CFRP(碳纤维增强复合材料)在目前桥梁加固中广泛应用，具有良好的力学性能及耐老化性能，同其他加固方式相比非常经济。碳纤维板本身弹性模量与钢筋相差较大，碳纤维板抗拉强度高达2800MPa，需要发挥最大抗拉强度时需要1.7%的拉伸变形，钢筋发挥到最大抗拉强度时，碳纤维板抗拉强度仅发挥8.8%，因此混凝土结构在受拉力时，碳纤维板没发挥到最大抗拉强度前，混凝土结构会产生明显裂缝，碳纤维板的抗拉强度也没有被完全利用，因此对碳纤维板施加一定的预应力，使其发挥最大的强度，从而可提高结构的承载力，减少结构变形，抑制裂缝。目前国内外很多学者对此进行了大量的研究，也取得了一定的成果。本文应用此技术对跨金温铁路桥进行加固应用及评估。
1 工程概况跨金温铁路桥位于G15(沈海)高速温州大桥段南接线，中心桩号为K1749 600，桥长约400m。桥梁平面位于半径R=2000m，缓和曲线LS=240m的平曲线上;桥梁纵面纵坡i=0.776%。桥梁设计荷载:汽车-超20，挂车-120。桥梁上部结构为(4×30 5×30 4×30)m装配式预应力混凝土组合小箱梁(如图1)，单幅桥宽12.0m(四片预制箱梁)，采用先简支后结构连续施工。
该桥运营至今已17年。经现场调查，桥面通行车辆以挂车、集装箱车等重载车为主，车辆荷载大，超载较为严重，桥梁负荷大。
2016年对跨金温铁路桥进行定期检查，发现主要病害是左幅第7跨、右幅第7～9跨、右幅第11跨边梁跨中存在底板横向裂缝，最大裂缝宽0.15mm，个别裂缝延伸至腹板;箱梁跨中腹板存在竖向、斜向裂缝;横隔板存在裂缝。
图1 30m跨箱梁跨中断面构造图/cm 下载原图
2 主要病害成因分析根据裂缝发展趋势及分布特点，并结合结构计算分析认为，底板横向裂缝产生的外在原因是:异常情况下，超重、超载车辆采取低速，近车距紧随从紧急停车带绕行，造成外边梁实际所承受的荷载大大超过原结构的设计荷载，跨中底板纵向应力过大而产生跨中底板开裂并延伸至腹板，判断该裂缝为受力裂缝。
同时，通过结构计算分析(如表1所示)，当原结构预应力钢束损失达到10%时，跨中梁底应力超出规范限值。因此，裂缝产生的原因还包括由于小箱梁预应力张拉施工控制不当或预应力松弛等因素影响，造成部分小箱梁预应力不足，在活载作用下应力超限，从而出现裂缝。
通过局部结构计算分析，在横隔板与边梁内侧腹板交接位置局部应力相对较高。另外，横隔板开孔处倒角位置产生较大应力，是横隔板开裂的主要原因。由于此类裂缝为应力集中产生的裂缝，一旦开裂，应力即被释放，不会对结构造成其他不利影响。跨中腹板竖向裂缝、斜向裂缝分析由混凝土收缩徐变与温度作用引起。
表1 考虑预应力损失因素的边梁正应力计算结果 下载原图
注:表中拉应力为正，压应力为负。
3 加固设计方案选择经过综合分析考虑采用如下加固方案:(1)跨中腹板竖向裂缝、斜向裂缝、横隔板等裂缝采用封闭和灌浆，同时加强观测;(2)底板横向裂缝需要采取主动加固方式。
根据本项目结构病害特点，在方案设计阶段即对多种加固措施进行综合比选，最终确定采用在箱梁底板张拉预应力碳纤维板加固方式进行处治，优点在于:
(1)可变被动加固为主动加固。使CFRP(碳纤维增强复合材料)高强特性得到提前发挥(如表2所示)，在二次受力之前就有较大的应变，从而有效减小甚至消除CFRP片材应变滞后的现象，达到更好的加固效果。
表2 预应力碳纤维板体系优势 下载原图
(2)预应力产生的反向弯矩，可抵消一部分初始荷载的影响，提高使用阶段的承载力，使构件中原有裂缝宽度减小甚至闭合，并限制新裂缝的出现，从而提高构件的刚度，减小原构件的挠度，改善使用阶段的性能。
(3)碳纤维的变形分别由初始变形和荷载引起的变形组成，而对应这两部分变形的胶粘剂剪切变形又分别分布于构件的两端和跨中区域，使得胶粘剂的剪切变形分布更为均匀，可有效避免粘结破坏。
(4)碳纤维板复合材料具有高强、轻质、抗腐蚀等显著特点，基本不增加原结构自重，不影响原结构使用空间，加固后不影响美观。
(5)施工快捷，无湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少。
4 加固后小箱梁正截面承载能力计算分析全桥采用Midas Civil2013进行有限元分析计算，有限元模型如下:仅对第4跨1#边梁梁底进行模拟张拉预应力碳纤维板计算。模型中，预应力碳纤维板采用无粘结的体外束钢绞线等效，进行单端张拉，张拉控制应力取1200MPa。主要计算参数选取如下:
(1)主要构件材料特性:
(1)混凝土:30m预制梁及现浇湿接缝、横梁为40号混凝土、现浇调平层为40号混凝土;
(2)预应力钢绞线:采用碳素钢丝s5.0,Ryb=1600,Ey=2.0×105MPa;
(3)普通钢筋:采用HRB335,fsk=335MPa,ES=2.0×105MPa;
(2)其它计算参数:
(1)相对湿度:55%;
(2)锚下控制张拉力:σcon=0.8Ryb=1280MPa;
(3)锚具变形与钢束回缩值(一端):ΔL=6 mm;
(4)管道摩阻系数:μ=0.35;
(5)管道偏差系数:k=0.0031/m;
(6)钢束松弛系数:ζ=0.3;
(7)地基及基础不均匀沉降:10mm;
采用对存在典型病害箱梁梁底张拉预应力碳纤维板对桥梁进行加固补强，该桥加固前后各考虑两种计算工况，具体如下所示。由于缺乏承载能力检算系数及截面折减系数等资料，腹板预应力损失后，截面强度暂未考虑折减。计算工况如下:
工况1:原设计工况;
工况2:原腹板预应力损失10%;
工况3:原设计(加固后);
工况4:原腹板预应力损失10%(加固后);
主梁加固前后，工况1～4的承载能力极限状态计算对比见表3～表6。
表3 加固前30m主梁主要控制截面抗弯承载能力(k N·m) 下载原图
表4 加固后30m主梁主要控制截面抗弯承载能力(k N·m) 下载原图
表5 加固前30m主梁主要控制截面抗剪承载能力(k N) 下载原图
表6 加固后30m主梁主要控制截面抗剪承载能力(k N) 下载原图
主梁加固前后，工况1～4的承载能力极限状态下挂车荷载验算结果对比见表7～表10。
表7 加固前30m主梁主要控制截面抗弯承载能力(k N·m) 下载原图
表8 加固后30m主梁主要控制截面抗弯承载能力(k N·m) 下载原图
表9 加固前30m主梁主要控制截面抗剪承载能力(k N) 下载原图
由计算结果看出，在不考虑截面强度折减的条件下，箱梁底部张拉预应力碳纤维板对次边支点、中支点剪力基本无影响;箱梁底部张拉预应力碳纤维板后，边跨0.48L与中跨跨中截面抗弯强度与安全储备得到一定程度提高，次边支点弯矩效应值有所降低，即梁底采用预应力碳纤维板加固，对次边支点负弯矩起到一定消峰作用。
通过采用上述专项处治措施，主梁在承载能力极限状态下，能够满足汽车-超20设计荷载与挂车-120验算荷载要求，并具有一定的安全储备。如上所述，张拉预应力碳纤维板，正常使用极限状态下，底板的应力状态有较为明显的改善。
表1 0 加固后30m主梁主要控制截面抗剪承载能力(k N) 下载原图
为了检验加固效果，对此桥第2、4跨进行静载试验，测定试验荷载作用下桥梁控制截面应力和变形(试验工况如表11所示)，并与理论应力和变形值比较，以检测试验结构的实际承载能力和刚度是否满足设计要求。
表1 1 跨金温铁路桥测试工况 下载原图
静载试验拟采用2辆重约450kN的双后轴载重汽车和1辆重约220kN的双后轴载重汽车等效加载，加载效率满足规范要求。
通过荷载试验结果分析，作为某一工况下的主要测试主梁时，第2跨挠度校验系数最大为0.81，偏载横向增大系数为1.20，中载横向增大系数为1.15。第4跨挠度校验系数最大为0.70，偏载横向增大系数为1.37，中载横向增大系数为1.23。
各测点挠度校验系数小于1，且相对残余均小于20%，表明跨金温铁路桥各试验跨结构刚度满足设计要求，并在弹性工作状态。
通过荷载试验结果分析，作为某一工况下的主要测试主梁时，第2跨应变校验系数最大为0.80;第4跨应变校验系数最大为0.88;1#墩墩顶负弯矩工况应变校验系数最大为0.90。
各测点应变校验系数小于1，相对残余量除个别测点存在仪器误差或应变计损坏等因素影响外，其余均小于20%，表明跨金温铁路桥大桥各试验跨结构刚度满足设计要求，并在弹性工作状态。
6 结语论文依托G15(沈海)高速跨金温铁路桥加固工程，研究了预应力碳纤维板在高速公路加固小箱梁中的应用情况。理论计算结果及现场静载试验结果表明，预应力碳纤维板加固后的小箱梁整体性能较好，刚度、强度有明显的提升，未发现裂缝再次开裂或者新增裂缝出现，且桥梁处在弹性工作状态，承载能力满足要求，达到了非常理想的效果，所提出的加固方案可以对类似工程提供一定的参考。
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