無粘結、半粘結碳纖維板材加固混凝土梁橋對其結構受力影響的分析研究

孫鐵鋼 ，賀鐵飛

（1.廣州市海珠區建設和園林綠化局，廣東 廣州 510000；2.廣州市海珠區市政工程項目建設中心，廣東 廣州 510000；3.廣州市海珠區市政設施維護管理中心，廣東 廣州 510000）

1 概述

隨著時間的推移，早期建造橋梁結構越來越多地需要加固改造，橋梁加固作為結構工程的一個分支學科，正方興未艾，結構的加固改造技術近些年來取得了長足的進展，新材料、新技術不斷應用到這一新興領域。傳統的加固方法有加大截面法、外包鋼法、噴射混凝土加固法、粘鋼加固等方法，這些方法的應用較成熟，已經有相應的行業標準，應用到不少工程的加固改造中，取得了一定的經濟效益和社會效益。

隨著材料工業的迅猛發展，越來越多的新材料被應用到土木工程結構領域，高強碳纖維加固技術就是其中一例。高強碳纖維加固技術的特點是加固效率高、效果好、施工機具少、操作簡單、施工周期短，有著十分廣闊的應用前景。但也有些不足，例如粘貼加固材料和混凝土之間存在著無粘結、半粘結現象。本文對其進行了分析研究，究其產生的無粘結、半粘結現象，一般有以下三個方面原因：

（1）結構膠的耐久性

鋼筋混凝土構件加固補強所使用的環氧樹脂類結構膠，所用的基料多是耐老化性能比較好的環氧樹脂類高分子化合物，在室內常溫環境條件下粘結強度具有較長期的穩定性，粘結強度很高，效果很好，能夠滿足設計及施工的各方面要求。但有機高分子化合物本身在不同環境條件長期作用下，老化或劣化是必然的現象，這可能導致結構強度，尤其是結構與加固材料界面粘結強度的下降，使粘貼加固補強衰減或失效，尤其在長期浸水或凍融條件下，粘結強度雖然仍能超過C40以下混凝土基材的強度，但結構膠強度，尤其是結構膠與粘貼加固材料的界面粘結強度發生了明顯的劣化，90 d就下降近70%。

（2）施工工藝、施工質量

預應力碳纖維加固鋼筋混凝土梁的原理就是把預應力技術應用到纖維加固中，有效改善加固梁的使用性能。常用的施工工藝有反拱技術、利用張拉設備直接張拉、利用碳纖維布與混凝上梁之間的相互作用施加預應力，通過上述施工工藝張拉預應力后，碳纖維板的張拉力能較為有效地通過粘接錨固將預應力加到混凝土結構上，張拉過程中存在著預應力損失。不同的施工過程必然會使混凝土和碳纖維之間產生無粘結現象。

（3）力學特性

從預應力碳纖維板材加固混凝土梁受彎構件的試驗研究中得出，梁底碳纖維板與混凝土之間由于粘結力不夠，放張后的預應力碳纖維板與混凝土之間存在著滑移，二者的收縮應變并不協調。

2 有粘結、無粘結承載力差異性對比分析

2.1 實驗概況

采用對比實驗的方法，對預應力碳纖維板加固后的混凝土簡支梁的抗彎承載力進行對比實驗研究，實驗混凝土梁詳細參數如下：

實驗梁為單筋矩形截面梁，截面為150 mm×350 mm；實驗梁凈跨 l0=3 000 mm；總長 l=3 200 mm；選擇配筋 2φ14，y=310 N/mm2，配筋率為0.586%，混凝土標號為C30；為確保抗彎破壞，箍筋配置為φ8＠50，實驗梁實際抗剪承載力為285 kN。為研究采用預應力碳纖維板加固的效果，本文采用對比試驗方法，準備了兩組不同情況，每組2根混凝土梁試件：梁底碳纖維板張拉40 kN力后與混凝土梁粘貼，試驗梁編號LN40-1、LN40-2；梁底碳纖維板張拉20kN力后與混凝土梁粘貼，試驗梁編號LN20-1、LN20-2。

2.2 試件加載方式及程序

試驗采用分配梁兩點加載，見圖1。試驗加載實景見圖2。試驗采用分級加載程序進行，在每級荷載作用下持荷10 min，持荷結束后，讀百分表測構件撓度、記錄該荷載情況下混凝土、鋼筋及碳纖維板的應變，觀察記錄混凝土梁的裂縫發展變化情況。為檢驗各梁的極限承載力情況，所有試驗均做到破壞為止，具體加載程序如下：一級：6 kN；二級：12 kN，增量 6 kN；三級：18 kN，增量 6 kN；四級：28 kN，增量10 kN，以下每級荷載P增量取10 kN，直到破壞為止。

2.3 結果對比分析

圖1 試驗加載示意圖（單位：mm）

圖2 試驗加載實景

有粘結、無粘結預應力碳纖維板加固RC梁極限承載能力對比見表1。

根據上述試驗結果，試驗值介于有粘結、無粘結理論計算值之間，證明試驗構件處于半粘結狀態。從有粘結、無粘結承載力差異性對比分析中得出預應力碳纖維板材加固混凝土梁在有錨固的作用下無粘結對其承載能力的影響不大；無粘結梁的抗彎極限強度比相應的粘結梁要低10%左右。

表1 有粘結、無粘結預應力碳纖維板加固RC梁極限承載能力對比

3 半粘結碳纖維板材加固混凝土梁橋工程實例

某大橋全橋共24孔，跨徑組成為：19.3 m+10×20 m+19.66 m+2×50 m+9×20 m+19.3 m，全長538.26m，上部結構為簡支、橋面連續結構。橋面總寬32 m，具體布置形式為4 m（人行道）+0.5 m（護欄）+11.25 m（行車道）+0.375 m（防撞護欄）+0.375 m（防撞護欄）+11.25m（行車道）+0.5m（護欄）+4 m（人行道）；上部構造為50 m預應力混凝土T梁及20 m預應力混凝土空心板；下部結構為柱式墩、薄壁臺，樁基礎。該橋原設計荷載為汽車-20級，掛-100，于1995年竣工，2003年6月由某公司進行加固設計。

該橋通車運營后，考慮到該橋交通流量大、原有設計荷載等級偏低，有關單位在根據結構極限承載能力驗算結果的基礎上，對該橋進行了加固維修，將其設計荷載等級由汽車-20級、掛車-100提高到汽車-超20、掛車-120，加固主要圍繞以下幾個方面進行：

提高引橋空心板的極限承載能力。對靠近中央分隔帶的2、3、4號板跨中板底0.65倍跨徑范圍內粘貼碳纖維板提高板的承載能力及抗裂性；在部分引橋墩柱外側沿柱周粘貼一層碳纖維布。

加固改造施工于2004年初完成，一定程度提高了該橋部分橋跨的極限承載能力，解決了諸如安全儲備不足等問題，但該橋為貨運的要道，超重貨車很多，使該橋一些病害有所發展，影響到正常運營，安全隱患并未消除。2006年4月，對其承載能力進行了評價，該橋承載能力滿足設計荷載等級的要求（如表2，圖3～圖7所示），可以繼續使用。

經現場查看，梁底粘貼的碳纖維局部起鼓，用硬物劃過，局部剝落，說明梁底某些位置處于半粘結狀態。原因主要有：（1）結構膠的老化或劣化，導致結構與加固材料界面粘結強度的下降，使粘貼加固補強衰減；（2）施工工藝、施工質量，經現場查看，局部梁底混凝土碳化，加固處理時沒有完全清除梁底碳化混凝土，即進行了粘貼，導致出現半粘結狀態。梁底碳纖維并未出現斷絲現象。

表2 正常使用極限狀態下引橋20m空心板梁試驗荷載、理論計算內力匯總及彎矩加載效率表

圖3 12～13孔加固實景照片

圖4 變形測點布置示意圖(單位：m)

圖5 縱向測點在各試驗工況作用下的實測撓度曲線

圖6 跨中截面應變測點布置圖

圖7 試驗荷載下的各應變測點的實測值分布曲線（單位：με）

根據本工程實例及上述試驗結果，在加固梁體碳纖維未出現斷絲現象的情況下，碳纖維板材加固混凝土梁橋，由于結構膠的耐久性、施工工藝及施工質量等原因造成的半粘結狀態，對其正常使用極限狀態下承載力影響不大；對于橫向聯系較強的梁橋，建議沿著順橋方向在端部設置碳纖維錨固可取得更好的效果；對于橫向聯系較弱的梁橋，建議沿著順橋方向在橫隔梁（四分點和跨中）處設置碳纖維錨固段，這樣即可以增加梁橋的橫向聯系又可以減小半粘結現象對承載力的影響，見圖8。

圖8 橫向聯系較弱的梁橋加固平面圖（N2起錨固作用）

4 結論

（1）從本文有粘結、無粘結承載力差異性對比分析中得出預應力碳纖維板材加固混凝土梁在有錨固的作用下無粘結對其承載能力的影響不大。

（2）無粘結梁的抗彎極限強度比相應的粘結梁要低10%左右。

（3）碳纖維板材加固混凝土梁橋，在加固梁體碳纖維未出現斷絲現象的情況下，由于結構膠的耐久性、施工工藝及施工質量等原因造成的半粘結狀態，對其正常使用極限狀態下的承載力影響不大。

（4）對于橫向聯系較弱的梁橋，建議沿著順橋方向在橫隔梁處（四分點和跨中）設置碳纖維錨固段，這樣即可以增加梁橋的橫向聯系又可以減小半粘結現象對承載力的影響。

（5）對于橫向聯系較強梁橋，建議沿著順橋方向在端部設置碳纖維錨固段，可以取得更好的效果。

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