碳纖維單向布加固砼技術在舊橋改建中的應用

【摘要】碳纖維單向布與配套樹脂材料是加固維修鋼筋砼結構領域中的新材料、新工藝。在平安縣城白沈河中橋中，為使主梁滿足抗彎要求，采用了此技術進行加固補強。用此新技術、新材料加固的工作在青海尚屬首例，同時也取得了較大的經濟效益。本文對該材料性能與施工工藝等有關技術問題做一介紹。

【關鍵詞】 碳纖維單向布；加固砼技術；應用

1. 碳纖維概述

（1）碳纖維單向布具有高強度、高彈性模量和耐久性好等優點。應用專用的樹脂和碳纖維布，按設計要求粘貼于砼表面，從而達到結構物加固補強效果。通過對梁、板、柱等進行加固前后大量對比試驗，力學性能顯著得到提高，據試驗研究統計粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5～8%。此技術與其他粘鋼、噴射砼等加固技術相比，具有自重小、施工簡便、施工周期短、基本不增加原結構自重及原構件尺寸和耐久性好等特點。

（2）美國、日本等國于二十世紀八十年代開始進行實驗研究，目前已經大量使用此技術。據有關資料統計，僅日本1997年用于加固修復的碳纖維布使用量就達70萬m2。我國近兩年來，科研單位和院校在這方面的研究和應用做了大量工作，生產出一系列的碳纖維復合材料，使工程降低了費用，同時也取得了較成熟的設計方法和施工經驗，為廣泛推廣該技術創造了有利條件。

2. 工程概況

（1）該工程為位于青海省海東地區平安縣城東白沈河橋，橫跨白沈河。近年，隨著經濟的發展，通行車輛及重型車輛逐漸增多，該線公路負擔著疏散青海省主要交通的重任。然而，在調研中發現：梁體破碎、表面出現大量裂縫、橋面鋪裝網裂現象嚴重、梁體大面積滲水以及橋臺后路面開裂沉降等病害現象。通過調研還發現，當重型車輛通過橋梁時，橋跨結構振動較大。橋梁已處于不安全使用狀態，急需進行檢測評定，以便合理采取技術改造措施，從而保證該橋安全運營。

（2）橋梁上部結構為3孔13米鋼筋混凝土簡支T梁橋，老橋每孔7片T梁由5道橫隔板橫向鉸結成孔；加寬部分每孔3片T梁由5道橫隔板橫向鉸結成孔。下部結構采用重力式U臺及重力式墩身，基礎類型為天然淺基礎。板式橡膠支座，錐形護坡。其主要技術指標如下：

橋梁跨徑：3×13=39米；

橋面寬度：2.8（人行道）+2.4（加寬）+11.2（老橋）+2.4（加寬）+2.8（人行道）=21.6米；

設計荷載：汽-20級，掛車-100。

（3）對于抗彎承載能力，設計抗力為 ，則基于檢測結果的結構抗力效應經以上各個折減系數修正后為 。荷載效應的設計計算值 ，則考慮活載影響修正系數后的荷載效應的計算值 。即結構的抗力效應小于荷載效應，該T梁不能滿足抗彎承載能力的要求。

（4）經驗算分析結果可知，該T梁需進行抗彎加固。

3. 主梁加固方案和材料的選定

3.1加固方案的選定。最早提出采用粘貼鋼板的加固方案，由于該橋梁位于平安縣城繁華地段且梁片數較多，改橋為新、老橋結合，老橋修建年代久遠，若采用粘貼鋼板方案美觀性較差，日后養護等較煩瑣，從安全性上由于上部主梁片數較多，粘貼鋼板加大了上部重量，增加了下部構造的負擔，經計算比較最后確定選用碳纖維復合材料進行補強加固。碳纖維布的極限抗拉強度高于普通鋼筋的10倍以上，而彈性模量也與鋼筋相近，較適合于鋼筋砼結構的補強加固工程。另外施工簡便，適用于要求施工周期短的加固工程。

3.2材料的選定。近二、三年來，我國引進了美國、日本生產的碳纖維復合材料，進行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費用高影響推廣應用。近期由于國產化系列的碳纖維復合材料的出現，為該工程材料的選用奠定了基礎。經比較采用蘭州德億建筑科技有限公司的碳纖維布和配套樹脂，其中碳纖維布采用的是國外進口優質絲，質量可靠穩定，費用較低。產品通過國家級質檢部門的嚴格檢驗，各項性能指標已達到國外同類產品的水平。

4. 施工工藝

為確保主梁抗彎鋼筋與加固碳纖維能夠同步工作，應該盡量縮短原主梁鋼筋與碳纖維的應力應變的差值，主梁加固時需考慮卸載措施，這樣可推遲將原主梁結構的鋼筋受力轉給碳纖維的時間，積極地改善主梁結構，并使得破壞時原鋼筋和碳纖維各自進入極限狀態，主梁的總體強度顯著得到提高。主梁加固時卸載措施：拆除上部橋面鋪裝→碳纖維布粘貼加固→新鋪筑橋面鋪裝。

加固施工工藝步驟如下：

4.1定位放線：首先熟悉施工圖紙，明確加固部位及范圍，然后在構件上彈線（其輪廓線要大于實貼尺寸20mm以便打磨）。

4.2混凝土基層處理。

4.2.1為了保證粘貼密實，在不影響原結構的基礎上，采用先人工后機械打磨的方法。剔除表面灰層與混凝土的接觸面，混凝土面平整度每米不大于4mm。同時要剔除粘貼面上的木屑、油氈等雜物?；炷链蚰?，用角向角磨機配合金剛石角磨機片，對混凝土面進行打磨。磨去混凝土表面附著物，如混凝土老化層、油污、灰漿等等；需要露出混凝土新面（一般應磨去1～3mm）。當混凝土表面凹凸不平時，應用找平材料將缺陷部位填補平整。纖維布通過的轉角處，用找平材料修復為光滑的圓弧，半徑不應小于20mm。

4.2.2混凝土面清洗。清洗過程中應多次成活。首先用脫脂棉絲擦拭混凝土粘貼面，去除表面浮灰；然后用脫脂棉絲沾丙酮（純度80%以上），擦拭2～3遍。最后，在粘貼前再清洗一遍混凝土面。處理結果以表面無灰塵油污為準。并確保表面處理后不被浮塵、油污等雜質二次污染。

4.3裁剪下料：按照設計尺寸并結合實際情況將纖維布準確下料，要求不亂絲、不斷絲。

4.4涂刷底層樹脂：按照產品工藝規定配制底層樹脂，均勻涂抹于構件表面所要粘貼的部位，膠層厚度應滿足設計要求，不宜過薄。表面指觸干燥后立即進行下道工序。

4.5粘貼。

4.5.1按照產品工藝規定配制粘貼樹脂。

4.5.2將纖維布表面擦拭干凈無粉塵。

4.5.3纖維布表面擦拭干凈后立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈突起狀，平均厚度不小于2mm。

4.5.4將涂有粘結樹脂的纖維布固定在需要粘貼位置，用特制的滾筒沿碳纖維布受力方向多次滾壓擠出氣泡，以使碳纖維布與混凝土表面緊密粘結；同時，使粘接劑充分滲入纖維之間的縫隙內。最后，在碳纖維布表面再涂抹一層粘接劑。當平行粘貼多層纖維布時，其間距須大于5mm。

4.5.5粘貼兩層纖維布時，應連續粘貼，如不能立即粘貼，需要在粘貼前應該對底層纖維布作好清潔工作。

4.5.6粘貼碳纖維后需要對粘貼層進行防火處理。

4.6檢驗、驗收。碳纖維布與混凝土之間的粘貼質量必須保證其有效粘貼面積大于95%，施工質量滿足《碳纖維片材 加固混凝土結構技術規程》。粘貼質量不符合要求需割除修補時，應沿空鼓邊沿，將空鼓部分的碳纖維割除，以每邊向外緣擴展100mm，大小之同樣碳纖維材料，用同樣粘結劑，補貼在原處。搭接長度應不小100mm。

5. 加固優點及探討意見

5.1碳纖維布重量輕，施工時不用任何重型設備，其又很薄不需要較大的空間，尤其是在該工程加固空間緊張的情況下，更能顯示這一優越性。

5.2加固鋼筋砼結構，采用粘貼強度高和高彈性模量的碳纖維的辦法，可能取得類似于鋼板的同樣加固效果，但其結構重量未增加，外表也輕巧美觀。

5.3有極好的耐久性，由于加固只使用碳纖維和配套樹脂，因而不會出現生銹，并具有耐酸、堿、鹽和大氣環境腐蝕等性能，碳纖維布有極好的抗化學作用。

5.4為促進該項新技術、新材料的快速發展，建議有關單位應盡快組織力量，制定完整的設計、施工、質量檢驗和驗收標準等技術規范。

本文結合白沈河橋加固工程實例及其它碳纖維加固工程，本人認為粘貼碳纖維復合材料新技術是加固鋼筋砼結構行之有效的方法，值得推廣應用。

[文章編號]1619-2737（2013）03-30-026

[作者簡介]李桂琴（1964.1-）女，職稱：工程師，研究方向：公路工程，畢業于福州大學土木建筑工程系路橋專業。