橋梁加固工程中碳纖維片材的應用

【摘要】本文討論碳纖維片材在工程中應用的問題，介紹橋梁加固中運用碳纖維片材的幾種方法，并以工程實例來介紹碳纖維片材的應用。

【關鍵詞】橋梁加固；碳纖維片材；設計計算；施工工藝

1. 前言

隨著國家經濟、科技的不斷發展，人們對橋梁的要求也不再只停留在滿足使用的層次上，人們追求的橋要在結構上符合力學要求，外觀上符合美學需求。于是，新型橋、大型橋一座接著一座“面世”，其結構、外觀也與世界領先水平接軌。在這種情況下我們是拆除所有舊橋去建新橋，還是積極的應對橋梁“老齡化”的挑戰呢？答案明顯是后者！于是橋梁加固技術越來越受關注。橋梁結構加固技術主要有：

（1）增大構件截面加固法；

（2）增加輔助構件，如增加混凝土構件、增加體外預應力等；

（3）粘貼補強材料，如粘貼鋼板、粘貼碳纖維片材等。本文只詳述粘貼碳纖維片材的加固方法。

2. 材料特點及適用條件

碳纖維（CFRP）片材具有輕質高強、易于粘貼、不銹蝕等優點，其中碳纖維布抗拉強度可達普通鋼材的十倍以上。CFRP片材可用于抗彎、抗剪、抗壓（偏心受壓）及抗震等多種形式的加固。該方法適用于混凝土梁式橋、板式橋的抗彎和抗剪加固。對于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴重的舊橋，加固效果尤為顯著；還適用于混凝土墩柱的抗剪、抗壓補強，抗震延性補強以及地震破壞后的修復等。相信在四川的災后修復加固會有廣泛的應用。

3. 加固類型

（1）抗彎加固：抗彎加固通常是在構件受拉面粘貼CFRP片材，當條件不允許時也可以在構件的側面粘貼。粘貼時，纖維方向應與加固部位的受拉方向一致。通常在CFRP片材端部設置錨固措施，如U形CFRP壓條等。

（2）抗剪加固：抗剪加固中CFRP片材的粘貼形式有多種，從纖維粘貼的方向來看，可垂直構件軸線或與構件成某一傾角，實際工程中通常取CFRP片材纖維方向與構件軸線垂直；從橫截面包裹方式上看，通常有封閉包裹粘貼、U形粘貼、雙L形粘貼和側面粘貼等；從縱向粘貼方式來看。CFRP片材可裁剪成條帶間隔地粘貼，也可以整片地連續粘貼。此外，對于U形、L形及側面粘貼，還可在端部加CFRP片材壓條進行錨固。

（3）抗震加固：采用環向圍束粘貼對柱進行受剪加固，纖維方向應與柱軸向垂直。

4. 設計及計算

4.1設計原則。

4.1.1混凝土橋梁結構自重大，加固時不能完全卸載，必須考慮二次受力。

4.1.2承載力極限狀態的驗算中要考慮到可能發生的各種破壞形態。通常將破壞模式分為兩大類，即粘貼CFRP片材后能整體工作的構件與粘貼CFRP片材后不能整體工作的構件，如CFRP片材脫落等。

4.1.3正常使用極限狀態的驗算包括：（1）應力的限制。（2）應變的限制。（3）開裂的限制。

4.1.4由實驗室條件下得到的經驗公式必須有科學的修正安全系數對這些公式進行修正。

4.2抗彎加固設計及計算。

4.2.1基本假定。

4.2.1.1平截面假定：達到受彎承載力極限狀態時CFRP片材的應變εcf由平截面假定確定，但不應超過CFRP片材的允許拉應變[εcf]。

4.2.1.2鋼筋應力取鋼筋應變與其彈性模量的乘積Egεg，但不大于其強度設計值；CFRP片材的拉應力取其彈性模量的拉應力的乘積Ecfεcf。

4.2.1.3達到受彎承載力極限狀態前，CFRP片材與混凝土之間不發生黏結破壞。

圖1初始彎矩作用下的截面應變

4.2.1.4CFRP片材拉斷時的應力取其彈性模量與允許拉應變的乘積Ecf[εcf]。

4.2.1.5當不能卸載考慮二次受力時，加固前在初始彎矩Mi作用下，混凝土受拉區邊緣的初始應變εi按如下方法計算（圖1）。