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预应力碳纤板加固钢筋混凝土桥梁施工技术分享
浏览: 发布日期:2017-11-29
          预应力碳纤板加固钢筋混凝土桥梁施工技术
 
         1.前言
 
         随着我国经济的高速增长和交通量的迅猛增加,大量的桥梁处于高负荷运行状态。混凝土桥梁结构在长期使用环境(如荷载、碳化、冻融、化学介质侵蚀等) 作用下,引起结构开裂,桥梁的承载能力降低,使用年限缩短,甚至出现桥梁坍塌情况。为了适应我国未来经济发展的需求,以节约投资和可持续发展为原则,在桥梁梁板结构功能没有完全丧失,只是性能减弱及安全度下降的情况下,对其进行补强与加固处理,达到提高其承载能力、恢复其工作性能及延长其正常使用年限效果。
 
          预应力碳纤维板加固系统是规范中规定可以在不卸荷、不阻断交通情况下进行有效加固的少数加固方法,同时所用材料具备高强纤维复合材料轻质、高强、耐老化的特点,加固后几乎不增加原结构的自重和体积,是非常理想的桥梁加固解决方案。
 
           预应力碳纤维板加固系统主要应用于梁结构的加固补强,是一种通过对高强纤维复合材料(碳纤维板)施加预应力,提升结构承载能力、改善工作性能的主动加固技术。2014年实施的GB50367-2013《混凝土结构加固设计规范》中对预应力碳纤维板的设计方法、材料要求作出了相应规定。国内经过近几年的发展,预应力碳纤维板加固系统已在全国进行了数十个桥梁加固项目应用,加固效果得到了较为广泛的认可,是一种未来桥梁加固领域不可替代的重要方法。目前国内只有少量厂家拥有相关材料的全套生产、施工技术,跨度大、拉应力大对材料和施工技术都提出了更高的要求。现将预应力碳纤维板加固桥梁混凝土结构施工工艺总结编制成工法。
 
            2.工法特点
 
            2.1 预应力碳纤维板加固属于主动加固技术,利用碳纤维板高强、高弹的材料特性,通过对碳纤维板预张拉,产生初始预加力,用来平衡原梁一部分载荷,从而很大程度延缓裂缝的开展和减小裂缝宽度,有效增加结构刚度,减小结构构件的挠度,缓解内部钢筋的应变,提高钢筋的屈服荷载和结构的极限承载能力。
 
             2.2 本工法裂缝修补与结构补强同时进行,选用缓粘结灌缝胶,保证预应力张拉时灌缝胶尚未完全硬化,便于结构变形的恢复。
 
             2.3 采用预应力碳纤维板加固的混凝土结构可以抵抗各种酸、碱、盐的腐蚀,极大地降低了结构的维护费用,延长了结构的使用寿命。
 
             2.4 自重轻、易使用,作业轻松且不需大型机械设备。
 
             2.5本工法采用嵌入式预应力张拉技术,其特点是先锚固后张拉,以构件本身和先前的锚固作为张拉受力装置,无需复杂的张拉机具,方法简便易行。
 
             2.6采用预应力碳纤维加固的混凝土结构可有效提高被加固桥梁的抗弯、抗剪、抗疲劳强度,恢复挠度变形,闭合裂缝,增加刚度。
 
             2.7 补强后基本不改变构件的形状与重量。
 
             2.8 碳纤维板材更适用于采用预应力加固方式,更能充分发挥碳纤维高强度作用。
 
            3.适用范围
 
            3.1 适用于大跨度钢筋混凝土桥梁加固,提升承载能力,广泛应用于预应力、非预应力桥梁结构。
 
            3.2 桥梁截面类型和适用于空心板梁、箱型梁、T型梁截面增加预应力加固。
 
              3.3 适用于厂房等建筑,大跨度结构梁预应力加固。
 
              3.4 适用于截面偏小或配筋不足的钢筋混凝土受弯、受拉和大偏心受压构件的加固。本方法不适用于素混凝土构件,包括纵向受力钢筋一侧配筋率低于0.2%的构件加固。
 
               4.工艺原理
 
             预应力碳纤维板有配套的锚固单元,其与梁体的粘结主要还是依靠胶粘剂来实现。对桥梁结构现有的裂缝进行修复后,用机械锚具将已涂抹胶结剂预应力碳纤维板安装在构件的设计部位,通过收紧夹具,使纤维布收紧,从而建立预应力。将碳纤维布张拉至设计的预拉应力为止。
 
              5. 施工工艺流程及操作要点
 
             5.1 工艺流程
 
              钢筋探测→钻孔植入锚栓→梁底打磨→安装锚板及滑槽→碳板下料及抹胶→安装碳板→安装夹具单元并张拉→夹具和锚板螺丝紧固→拆掉油缸并养护→拆除夹具→碳板防护→检查验收。
 
             5.2 操作要点
 
              5.2.1 梁底粘贴预应力碳纤维板加固设计方案
 
               本桥梁底加固中,采用lOcm宽碳纤维板材,粘贴于梁肋下方,对于空心板梁,一条肋下粘贴一条预应力碳纤维板材,对于箱梁,一条梁肋下粘贴2-3条预应力碳纤维板,锚固单元错开布置。
 
             本桥粘贴预应力碳纤维板采用后张法,采用化学锚栓将预应力板材一端锚固于梁底,另一端固结在张拉机具上,并在板材与梁体结合面上涂刷粘合胶,最后进行张拉。碳纤维板材的张拉有配套的张拉机具实现,对于长度小于20m的预应力碳纤维板,采用单端张拉的方式;对于长度大于20m的预应力碳纤维板,采用两端张拉的方式。下图为空心板及箱梁预应力碳纤维板横断面布置形式。



              5.2.2 施工放线
 
             按照施工图所示位置对碳板、锚板及滑槽位置进行放线,并用墨线标识。放线过程中因注意张拉端和锚固端的位置,为满足作业空间需求,距离墩柱中心较远的截面碳板安装张拉端滑槽。由于锚板为定型产品,放线过程中应使碳板、锚板、滑槽板轴线,三线合一,以保证碳板的轴线受力可靠。
 
           5.2.3 钢筋探测
 
             放线完成后,对锚栓孔位进行探测。探测过程中加大探测区域,以使锚栓尽量避让钢筋。根据探测结果交设计调整。最后根据调整图纸,实施放线钻孔。



            5.2.4 钻孔
 
            M12化学锚栓,锚固深度70mm。M16化学锚栓,锚固深度90mm。根据放线结果进行钻孔。钻杆垂直于梁底面,在钻杆上用油漆标识钻孔深度,边钻进边控制孔深。为使所植锚栓与原构件充分粘接,钻孔完成后,将孔内灰尘清理干净,用气泵、毛刷清孔,此过程要作到三吹两刷,即吹孔三次、清刷两次,清刷完毕后,用棉丝沾丙酮,清刷孔洞内壁,使孔洞内最终达到清洁干燥;如遇较潮湿的情况,还须用加热棒,进行干燥处理。清孔不得用水,孔内如有积水应清除。将植栓胶和锚栓放入孔内,通过旋转加压,使之锚固至孔底。养护需在静载条件下进行。不得用重物碰撞锚栓。



          5.2.5 梁底打磨
 
           清理粘贴面混凝土表面浮浆,去除油污等异物,打磨凸角,使坚实的混凝土石外露,并形成平整的粗糙面,表面不平处应用尖凿轻凿整平,再用角磨机清除表面浮浆,剔除表层疏松物,最后用无油压缩空气吹除表面粉尘或清水冲洗干净,待完全干燥后用脱脂棉沾丙酮擦拭表面。



                                                梁底打磨



            5.2.6 锚板和张拉台座安装
 
            如遇到钢筋,则需要安装辅助锚板和辅助滑槽板,辅助锚板和辅助滑槽板均采用Q235C d=12mm的钢板定型加工而成,采用灌注胶工艺。先对其进行钻孔,最后进行钢板灌胶施工。辅助钢板安装完成后,安装锚板及张拉台座滑槽。



                                       锚杆和张拉台座安装

            5.2.7 碳板安装
 
           按照设计要求和现场量测的长度,裁剪碳纤维板,同时进行胶粘剂的拌制,应延长胶粘剂搅拌时间且搅拌均匀。为使碳板粘接面胶粘剂均匀无气泡,应先使用抹刀在碳纤维复合板材粘贴面刮抹少量胶粘剂,并且用力刮抹数遍,然后,按照碳纤维复合板材宽度方向中间厚、边缘薄的原则进行刮抹。完成后将碳纤维板的两端分别插入夹具单元槽内,合上夹具单元并将夹具单元上的固定螺丝拧紧;初步固定锚固后固定张拉单元并放置液压油缸。



           5.2.8 碳纤维板张拉
 
          (1)确保液压油缸、碳板、锚板轴线三线合一。碳板胶粘剂抹好后,应立即进行张拉。
 
            (2)张拉采用单端张拉。张拉前应对张拉设备及配套油表进行配套标定,完成才能进行张拉。
 
            (3)张拉施工采用逐级张拉,每级应持荷5min,并量测记录伸长量。张拉施工以张拉力为主,伸长量为辅进行双控。实测伸长量控制误差为±6%。
 
            (4)初张拉为10%的控制应力即12KN,再以20%和60%施加预应力,最后张拉至100%。张拉过程中严格控制张拉速度,要求缓慢、均匀、平稳。
 
            (5)初张过程中,如碳板表面胶粘剂流失,应即时进行补胶。
 
             (6)当预应力施加到100% 即张拉力为120kN时,复验碳纤维板张拉伸长值,并持荷5分钟。张拉控制应力为1000MPa,伸长量为6‰。
 
             (7)张拉持荷后将固定螺丝固定好,卡紧张拉单元和夹具单元间的位置。之后卸除液压油缸,并将锚固板固定紧。
 
            (8)待胶粘剂固化完毕后,即可进行张拉单元和夹具单元的拆除,拆除完毕后,将多余的碳纤维板和锚栓端部进行切除。张拉机具拆除完毕后,仅在结构上剩下碳纤维板、粘板胶、锚固板和锚栓,以确保加固后对结构自重增加最小;严禁将张拉机具永久固定在结构上。



                                           液压油缸安装



                                   碳纤维板张拉

              5.2.9 碳纤维板表面防护
 
              碳纤维板张拉完成以后,与梁体一道,在碳纤维板表面涂刷一层聚氨酯面漆,涂刷要均匀,美观。
 
               5.2.10 注意事项
 
              (1)为保证施工安全及连续性,在施工前必须对施工机具、临时设备进行详细检查、核对,确保万无一失后方可施工。
 
                 (2)碳纤维复合板粘贴表面应采用粗砂布进行交叉打磨糙化处理,并用无水乙醇擦拭干净。
 
               (3)张拉前应对油泵和压力表进行配套标定。
 
               (4)在胶粘剂凝固之前,严禁活载对胶粘剂的过大扰动,以保证黏结效果。
 
               (5)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。碳纤维板下料裁剪时应预留足够的尺寸满足工作长度要求。胶粘剂应密封储存,远离火源,避免阳光直接照射,胶粘剂的配制和使用场所,应保持通风良好。现场施工人员应根据使用材料采取相应的劳动保护措施。
 
                (6)胶粘剂应适用期内使用完成。
 
               (7)碳板张拉的纵向前后不得站人,量测伸长量应在两侧进行测量。
 
               (8)胶粘剂时,应佩戴口罩、手套等必要的安全保护措施。
 
               (9)施工现场使用胶粘剂时必须保持通风,注意防火;如不慎污染到皮肤,可用无水乙醇擦拭后清水冲洗;
 
               6.材料与设备
 
               6.1 材料
 
              施工中所需材料按照国家有关规定和业主的准入规定进行购买和运输,保证材料安全、及时的运至现场。施工所用化学锚栓、结构胶、碳板、锚具等进行充分的储备以满足施工需要。进场材料必须经监理工程师验收合格,且经自检和抽检合格后,才能投入使用。
 
               对不同规格、型号的材料要分类、分型号储备。到场的材料采取集中遮盖堆放,加强现场看守,防止被盗和损坏。



            碳纤维板胶黏剂
 
            碳纤维板胶黏剂的主要性能指标如下:
 
            采用优质改性环氧树脂类胶黏剂;胶黏剂、碳纤维浸渍、粘贴用胶黏剂的安全性检验指标符合《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008)A级胶的要求,各项设计指标要求如下:



             化学锚栓用胶
 
            为减小加固期间对交通的影响,本工程化学锚栓用胶采用改性乙烯基类,符合《混凝土结构加固设计规范》GB/50367-2013中锚固型快固结构胶安全性能鉴定标准的要求。化学锚栓锚固用胶主要设计指标要求如下:



                                                化学锚栓锚固用胶粘剂安全性能指标



                                                    化学锚栓锚固用胶粘剂安全性能指标

               6.2 设备
 
               按照施工部署,施工所需机械设备提前到达现场,做好开工准备。施工机械以自有为主,社会租赁为辅。



              7.效益分析
 
             7.1 经济效益分析
 
             采用预应力碳纤维板加固,由于碳纤维板处于张紧状态,且粘结层经过改良, 粘结层不易剥离,具有更好的耐久性,预应力加固的耐久性长。而且即使粘结层剥离,机械锚固的存在使得碳纤维板不会脱落,加固不会完全失效。大幅度降低了加固维修的费用。
 
              7.2 社会效益分析
 
              预应力碳纤维板加固属于主动加固技术,无需对结构进行卸载。预应力碳纤维加固,降低了材料的用量,十分符合节约资源,合理利用资源的国情。并且由碳纤维板加固提高了桥梁的使用寿命,也避免了因重复建设造成自然资源的浪费, 具有良好的社会效益。

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