广东张拉碳纤维板施工工艺研究

      作为国内公路加固采用的张拉碳纤维板施工技术，本文通过杜步大桥加固施工实践，详细介绍了张拉碳纤维板施工的工艺流程、施工步骤，以及施工注意事项、建议采用的检查验收标准，可为今后推广使用该技术提供借鉴参考。

    1  概述

     据统计截止2005年底，在我国通车公路中，有各种桥梁33.66万座，累计长度1474.75万延米，其中：特大桥876座，145.96万延米；大桥23290座，512.53万延米；其余为中小桥。从2004年全国桥梁普查资料来看，全国查出危桥13303座，达468888延米。危桥的存在，已严重影响到路网和干线的畅通。此外，随着我国交通事业的快速发展，各级公路上的交通流量均在不断增加，运输车辆的吨位有较大幅度的增长，这对我国路网中的桥梁通行能力和承载力均提出了更高更新的要求。因此，通过一定的技术措施，对技术标准低、通行能力和技术状况差及因其他原因造成的危桥进行加宽改造与加固补强，使现有桥梁在今后交通事业的发展中保持充分的适应性，是我国交通管理部门要长期进行的一项重要的工作。

     桥梁加固技术改造其根本目的是为了恢复和提高承载力，方法有以下几种类型：

     1、加强薄弱构件。对于有严重缺陷或因通行重型车辆而不能满足安全承载要求的薄弱构件，采用以新材料，增大构件的截面尺寸、增设外部预应力或用化学粘结剂粘贴补强材料等补强措施进行加固。

      2、增加辅助构件。

      3、改变结构体系。

     碳纤维板张拉施工就是通过在梁体设置碳纤维板，然后通过张拉以提高梁体承载力的一种施工技术。我公司在广东杜步大桥的加固施工中在国内公路桥梁加固施工采用了该技术，取得了理想的效果。

杜步大桥位于原107国道，现清（远）连（州）一级公路上，中心桩号为K2177+583.227。桥长833m，斜交角度90°，桥宽21.5m，跨径布置为27×30m，上部结构采用预制预应力混凝土T梁，下部桥台采用重力式桥台、扩大基础，桥墩采用柱式墩、桩基础，支座采用圆形板式橡胶支座。该桥设计荷载为汽车－超20级，挂车－120。

      在清（远）连（州）一级公路升级改造过程中，由于路基施工标段在刷坡施工中防护不当，部分巨石砸落到杜步大桥上，造成右幅桥跨桥面及梁体严重破坏。依据桥梁检测及设计文件，加固措施中采用了在其中3片T梁马蹄侧面张拉预应力碳纤维板以补偿原结构承载力。

      路桥科技有限公司根据业主批复的施工组织设计于2008年9月4日至2008年10月1日组织了该项目的施工，广东虎门技术咨询有限公司作为该项目的监理全程监理了施工全过程。

     2  设计与施工工艺流程

      2.1 设计概况

      1、顺桥向在T梁马蹄位置张拉单层碳纤维板，碳纤维板设计厚度2.4mm、宽度为60mm，抗拉强度≥2800Mpa，弹性模量≥1.65*10 Mpa，极限承载力为403.2KN，张拉控制力为220KN，碳纤维板材料安全性能指标必须符合《混凝土结构加固设计规范》中强制执行条款4.4.2条单向织物（布）高强度Ⅰ级的规定。

      2、预应力碳纤维板通过固定端与张拉端钢构件与T梁马蹄侧面连接，钢构件采用Q345钢，钢构件表面采用整体镀锌防锈处理，镀锌外面再涂两道红色和银色防锈漆；固定端和张拉端钢构件与混凝土梁采用M20高强锚栓连接。

     3、施工完毕后，应在碳纤维板外表面涂抹涂料作为防护。

     4、只加固跨第1＃、2＃、3＃梁，全桥共3片梁。

     2.2施工工艺流程

     2.2.1主要施工步骤

    a、施工准备；

    b、混凝土表面处理；

     c、在安装碳纤维板张拉端和固定端构件的位置按照设计图纸要求钻孔种植高强度螺杆；

     d、螺杆固化达到设计强度后开始安装张拉端和固定端钢构件；

     e、碳纤维板粘贴面在粘贴前用丙酮擦洗干净；

     f、在碳纤维板和梁底接触面上涂抹粘结剂，锚具底板和梁底接触面上涂抹粘结剂；

    g、安装碳纤维板；

      h、张拉碳纤维板并对梁体挠度变化进行观测；

      i、张拉完毕后，在碳纤维板两侧（含碳纤维板）范围内粉5mm厚粘结剂作为碳板保护层；

      j、在固定锚具螺栓的螺帽处抹一层粘结剂，所有的金属件表面再抹一层防锈油脂，然后安装张拉端与固定端锚具盖帽；

      k、在被加固的梁底两侧范围包括盖帽均采用高强度、高粘结砂浆保护涂料涂刷保护。

      3  主要工艺要点

      3.1  施工准备

      1、搭设施工支架、主要材料的采购及锚具钢构件的加工制造。

      根据现场条件搭设适于施工的施工支架。本项目使用的碳纤维板材料为桥梁加固专用材料，设计厚度2.4mm，极限抗拉强度为2800 MPa，弹性模量为1.65x105MPa，极限承载力为403.2KN，碳纤维板张拉控制力为220KN，为碳纤维板极限拉力的55%，该材料为进口的sika供应商提供。碳纤维板与梁体粘结采用SikaDur30粘结剂；锚具底板和梁底接触面上涂抹SikaDur31CFN粘结剂。

      锚具钢构件采用厂制，锚具加工所用钢板采用15mm厚A3钢，锚固螺栓采用M8高强螺栓，张拉螺杆采用8.8级钢制M24螺杆。

        2、施工放样。在加固的T梁表面按照设计图纸放样，确定碳纤维板和两端锚具位置。放样采用钢尺定位，根据支座位置确定设计位置。

        3.2  砼凿除及表面处理

       根据施工放样确定固定锚具和张拉端锚具的位置凿除梁体表面砼，厚度为1.5cm（即锚具钢板厚度），以保证粘贴锚具表面与梁体表面水平。在碳纤维板位置处采用角磨机对梁体砼表面进行打磨，再用干布拭擦，确保粘贴面平整且无粉尘。

       3.3  植螺栓施工

        1、植螺栓方法：采用植筋法对螺栓进行安装，钻孔直径应与螺栓直径配套的钻头进行钻孔。

       2、植螺栓用胶和螺栓：植螺栓胶用瑞士喜利得植筋胶，螺栓采用高强锚栓。

        3、植螺栓定位、钻孔：在钻孔前先探明梁体钢筋位置并作记号，当钻孔与钢筋位置发生冲突时，适当调整孔位，钻孔时应垂直梁体，钻孔深度为15 cm。

      4、清洁孔壁及螺栓： 

       （1）、将吹风机喷嘴深入成孔底部并吹入洁净无油的空气，向外拉出喷嘴，反复3次；

        （2）、将硬毛刷插入孔中，往返旋转清刷3次；

         （3）、再将吹风机喷嘴深入成孔底部吹气，反复3次；

          （4）、对要植入螺栓上的油污应进行清理；

        （5）、植螺栓前用丙酮擦拭孔壁、孔底和螺栓。

          5、植螺栓：植筋胶采用喜利得专用注射器进行灌注，灌注量为孔深的2/3，并保证在植入螺栓后有少许胶体溢出，注入胶体后应立即单向旋转插入螺栓，直至达到设计深度，确保螺杆顶端在同一平面上，并校正螺栓的垂直度。胶体完全固化前，不得触动或振动已植螺栓，以免影响其黏结性能。

           3.4  固定端锚具和张拉端锚具的制作：

       1、固定端锚具和张拉端锚具采用工厂自动、半自动切割和焊接方法，切割边缘表面光滑，无毛刺、咬口等现象。

       2、锚具黏合面采用平砂轮打磨直至露出金属光泽，打磨纹路应与钢板受力方向垂直，锚具黏结面应有一定的粗糙度。

         3、锚具螺栓孔位确定与制作

      （1）将螺杆位置印到事先准备好的胶合板上。胶合板应与锚具底板大小相同，并在板上编号并标注方向。

   （2）根据印在胶合板上螺杆的位置，用开孔器钻Ø 22mm 的孔。

   （3）、将开好孔的胶合板套入螺杆上。若不行则不断修正孔，直至能顺畅地将板套入螺杆。

   （4）、复测胶合板的中线应于碳板轴线基本重合。

   （5）、将锚具送到铁件加工车间，依照胶合板上孔的位置在锚具底板上开孔。

      3.5  固定端锚具和张拉端锚具的安装与锚固

       1、锚具与T梁混凝土间采用SikaDur 31 CFN粘贴，将配好的胶体正面涂抹在清洁的混凝土和锚具黏结面上，涂胶应自上而下进行。

      2、锚具黏结面上抹胶应中间厚两边薄，中间涂抹胶的厚度为5mm左右，将锚具预留孔平稳对准螺栓并迅速拧紧螺帽，使锚具与混凝土紧密黏合，清理挤出的多余胶体。

         3.6  张拉碳纤维板

      1、把锚具与碳纤维板接触的部位范围内涂上油脂。

     2、用丙酮将碳纤维板接触混凝土构件的表面擦洗干净。

      3、在碳纤维板上抹2-3mm的Sikadur 30。

      4、先在固定端安装上碳纤维板，然后在张拉端安装上碳纤维板和转向板。

      5、在张拉端安装千斤顶，确保千斤顶中线与碳纤维板中线重合。千斤顶型号为FYRR-308，更大功率30T,行程210mm。

       6、先给碳纤维板施加10%的应力，使碳纤维板绷直，然后再将力归零。记录张拉端夹具的位置，并再次检查各部件的位置。

       7、再以20%和60%应力给碳纤维板施加预应力，每一级张拉结束后用扳手拧紧螺帽，每一级之间持荷5分钟，记录张拉端夹具的位置，比较实测值与计算值之间的偏差。

        8、当预应力施加到即张拉力为220kN时计算最终碳纤维板张拉伸长值，并持荷5分钟。

        9、张拉结束后用双螺帽固定死张拉螺杆。卸除千斤顶。

        10、切除过长的张拉螺杆，螺帽后端留m。

         3.7 安装盖帽

       1、将锚具表面涂上一层防锈油脂。

        2、安装盖帽

        3.8  成品保护

      1、用Sikadur 31 CFN填补锚具四周的缝隙。

      2、用Sikadur 31 CFN 在碳纤维板表面抹5mm厚，150mm宽的保护层。

      3、在梁外侧和金属盖帽表面滚涂丙烯酸弹性涂料Sikagard ElastoColor CW两度。

       3.9  施工安全及注意事项

        1、施工中应严格遵守执行《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041—2000)、《公路养护安全作业规程》（JTG H30－2004）、《公路工程施工安全

技术规程》进行施工，做到专用设备，专职使用。

       2、为保证施工安全、结构安全及工作的顺利开展，在施工前必须对施工机具、临时设备及其它保障措施进行详细检查、核对，在确保万无一失后方可施工。

        3、 碳纤维板为导电材料，使用碳纤维板时应尽量远离电气设备及电源。 使用中应避免碳纤维板的弯折。 碳纤维板配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射， 树脂的配制和使用场所，应保持通风良好。现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。

         4、在碳纤维板张拉的过程中，要对梁体挠度的变化进行观测，如果挠度变化有异常情况，应停止张拉，并检查原因。

         4 检查与验收

         由于张拉碳纤维板施工在公路施工是一项新工艺，没有成熟的工艺规范与规定，我们针对设计意图，参照相应标准制定了施工中的控制标准，在施工过程中严格执行。

       1、锚具钢构件加工检查与验收

        锚具钢构件的加工的材质、厚度、螺孔位置、螺杆长度是确保锚具满足设计要求关键指标，根据设计要求及《机械加工手册》、《公路桥涵施工规范》的相关规定确定钢板采用A3钢、厚度采用15mm、螺孔位置±1mm、螺杆长度±0mm。经现场检查验收，均满足设计要求。

       2、碳纤维板检查与验收

        碳纤维板采用sika成品，其主要指标为：设计厚度2.4mm，极限抗拉强度为2800 MPa，弹性模量为1.65x105MPa，极限承载力为403.2KN，碳纤维板张拉控制力为220KN，为碳纤维板极限拉力的55%，由sika直供商提供并确保其品质。现场的检查主要是成品的外观，经检查碳纤维板外观顺直、无毛刺、厚度均匀、与张拉固定头连接牢固，从张拉结果看sika碳纤维板质量平稳可靠，满足设计要求。

       3、锚具安装检查与验收

       根据设计要求，结合《公路桥涵施工规范》的相关规定，锚具安装的容许误差为±10mm，经检查验收实际施工均满足设计要求。

       4、碳纤维板张拉施工与验收

       根据设计要求，参照《预应力砼施工规范》的相关规定，碳纤维板张拉采用张拉力与伸长值双值控制，由于碳纤维板为多层碳纤维布粘结而成，其弹性模量差异系数相对较大，确定其张拉伸长量容许误差为10%，实际施工中经检查验收满足设计要求。

       5  结论

        通过杜步大桥的张拉碳纤维板施工实践及后期的检测结果表明，施工成果完全符合设计预期效果，张拉碳纤维板施工工序简单可靠、工艺简捷可控，是预应力体外施工提高梁体承载力的有效方法。