碳纖維布在橋梁加固維修中的應(yīng)用

◎ 王富偉 中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司

碳纖維布在橋梁加固維修中的應(yīng)用

◎ 王富偉 中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司

在橋梁加固維修中，碳纖維布是一種新型的加固材料，具有施工簡(jiǎn)單、加固效果好、施工對(duì)橋梁的正常通行影響較小等優(yōu)點(diǎn)，可以使公路使用壽命延長(zhǎng)。基于此，本文對(duì)碳纖維布在橋梁加固維修中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

碳纖維布 橋梁加固 維修

當(dāng)前，橋梁老化、橋梁裂縫、橋梁破損等病害問題普遍存在。雖然這些橋梁都出現(xiàn)了病害，但是還具有使用價(jià)值，如果重新建設(shè)，需要花費(fèi)大量的資金，造成資金浪費(fèi)。為了保證橋梁的荷載等級(jí)和承載力，需要對(duì)橋梁進(jìn)行加固。碳纖維布作為一種新型的加固方法在控制裂縫發(fā)展、提升橋梁的抗剪能力方面具有良好效果。

1.案例介紹

某橋梁于90年代建立，設(shè)計(jì)一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)。公路橋梁由雙向車道構(gòu)成，最后形成兩個(gè)半幅橋，在橋的中間設(shè)有分車道，橋的寬度和長(zhǎng)度分別23.8m，91m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用空心板梁，下部結(jié)構(gòu)使用雙柱式鉆孔灌注樁墩臺(tái)，樁徑除了兩個(gè)橋臺(tái)為φ1.3m，其他墩的直徑為φ1.2m。

2.造成的危害

比較容易導(dǎo)致主梁出現(xiàn)裂紋，受彎距作用的影響，腹板跨中范圍內(nèi)易于出現(xiàn)豎向的裂紋；受剪力作用的影響，腹板支座范圍內(nèi)易于出現(xiàn)斜向的裂紋；梁端支座處的混凝土強(qiáng)度較低、受支座處沖擊力等影響，有的梁支點(diǎn)到端頭的范圍內(nèi)腹板出現(xiàn)斜向裂紋，還有幾個(gè)橋墩的梁腹板出現(xiàn)裂紋。對(duì)梁結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行了充分的論證、認(rèn)真核查橋梁技術(shù)以及荷載試驗(yàn)，維修梁腹板出現(xiàn)的裂紋可以采取以下幾種辦法：①采取維修加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)來提升橋梁的承載能力，使其符合橋梁的使用標(biāo)準(zhǔn)；②將橋梁的現(xiàn)有危害處理好，使橋梁的耐久性得到提高；③對(duì)橋梁進(jìn)行改造，使其改造后可以達(dá)到一、二類梁的標(biāo)準(zhǔn)。

3.碳纖維布加固的特征及原理

3.1加固的特征

（1）碳纖維布是一種布狀材料，它具有較高的彈性和強(qiáng)度，是碳纖維按照單一的方向連續(xù)編制而成的。在使用的時(shí)候需要用專用結(jié)構(gòu)膠或者是環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)，將其粘在需要加固的混凝土構(gòu)件上，當(dāng)樹脂固態(tài)化以后就會(huì)構(gòu)成新的受力體，原構(gòu)件和高性能的碳纖維一起來承擔(dān)荷載，從而實(shí)現(xiàn)加固的要求。

（2）碳纖維的自身重量比較輕，它的重量是鋼筋的五分之一，使用碳纖維不會(huì)加重結(jié)構(gòu)的重量。碳纖維的抗拉強(qiáng)度較高，可以達(dá)到普通鋼板的十倍以上。碳纖維具有較強(qiáng)的彈性，它可以使鋼筋混凝土中鋼筋應(yīng)力得到較好的降低。

（3）碳纖維具有較好的化學(xué)性能，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，遇到酸堿等化學(xué)介質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)腐蝕的情況，具有較好的耐熱、耐寒性能，在鹽堿環(huán)境中和露天施工場(chǎng)地比較適合使用。

（4）碳纖維質(zhì)地柔軟，可以在任何情況下使用，施工和運(yùn)輸都比較便利，不需要使用專業(yè)的設(shè)備和大型機(jī)械來運(yùn)輸，這樣可以使施工費(fèi)用得到有效的控制，使工程的施工期得到有效縮短。

3.2加固的原理

碳纖維的排列方向不同其拉伸強(qiáng)度就會(huì)不一樣，當(dāng)碳纖維拉伸的方向與受力方向是一樣的時(shí)候，拉伸強(qiáng)度就會(huì)較高，相反，拉伸強(qiáng)度就會(huì)降低。通常情況下，構(gòu)件受到彎距影響，構(gòu)件的受壓區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生裂紋，將碳纖維布粘貼到受拉區(qū)表面，構(gòu)件受到荷載的壓力作用以后，裂紋無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的延伸。所以，跨中出現(xiàn)的細(xì)小裂紋被均勻地分布在構(gòu)件的受拉區(qū)域，導(dǎo)致構(gòu)件截面的受壓區(qū)域高度增加，受碳纖維的作用，受彎構(gòu)件的承載能力也會(huì)得到有效的提升。

4．施工流程以及施工技術(shù)

使用專業(yè)的碳纖維布和粘貼樹脂，依據(jù)設(shè)計(jì)的要求粘貼于混凝土的表面，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)效果的作用，材料及性能的詳細(xì)信息詳見下表1所示。

表1 材料和性能

4.1施工程序

施工準(zhǔn)備階段→處理混凝土表面→粉刷底層樹脂→找平處理→粘貼樹脂或者是浸泡樹脂→碳纖維布粘貼→處理表面。

4.2施工技術(shù)

（1）被加固的混凝土表面需要進(jìn)行打磨處理，將表面的風(fēng)化層處理干凈，使其裸漏出新茬，將表面灰塵清理干凈，依據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)裂紋實(shí)施灌縫處理，表面使用修復(fù)材料將其修理平整，接著粉刷底層樹脂。表層粉刷的樹脂按照設(shè)計(jì)的要求配置并攪拌均勻，粉刷墻面的時(shí)候使用短毛滾刷施工，確保粉刷均勻。底層樹脂干燥以后，按照設(shè)計(jì)要求來配置找平樹脂，將基層找平，確保沒有凸凹之處。

（2）浸漬樹脂的粉刷。當(dāng)找平樹脂基本凝固以后，按照設(shè)計(jì)的要求來配置浸漬樹脂，浸漬樹脂攪拌均勻以后，在粘貼處均勻的粉刷，厚度保持在5mm左右，一定要確保厚度均勻，一定要完全粉刷不可以有遺漏的地方。

（3）碳纖維布的粘貼。碳纖維布按照一定的方向展開并拉緊，將其平鋪在浸漬樹脂的表面，輕輕地按壓，使用專業(yè)的工具按照一定的方向來反復(fù)滾壓碳纖維布，確保里面沒有空氣存在，使浸漬樹脂和碳纖維布緊密地粘貼在一起，碳纖維布一定要鋪平不可以有氣泡存在。

（4）如果需要多層粘貼可以重復(fù)以上操作流程，碳纖維布表層的浸漬樹脂凝固以后立即進(jìn)行下一層的施工。當(dāng)最后一層碳纖維布粘貼好以后，應(yīng)該進(jìn)行最后一次的壓實(shí)，再將浸漬樹脂均勻地涂抹在表面。加固層要想完全固化需要一周的時(shí)間，當(dāng)加固層完成固化以后可以按照設(shè)計(jì)的要求來進(jìn)行表層裝飾。施工的時(shí)候，外部環(huán)境要保持在5℃以上，配套樹脂的施工溫度一定要控制好，環(huán)境溫度和基材表面的溫度要相差不太，濕度要控制在85%以內(nèi)。

4.3工程總結(jié)

碳纖維布的施工特點(diǎn)為具有較強(qiáng)的耐久性、強(qiáng)度以及彈性。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度要比鋼材的抗拉強(qiáng)度高出十倍左右，使用環(huán)氧樹脂將其與鋼筋混凝土粘貼在一起，使構(gòu)件和碳纖維布形成一個(gè)有機(jī)體，使補(bǔ)強(qiáng)效果得到明顯的提升[3]。碳纖維布的重量比較輕，施工的時(shí)候不需要使用大型機(jī)械設(shè)備輔助施工，碳纖維布自身較薄，所占空間較小。由于該工程加固的空間比較緊，使用碳纖維布可以較好地體現(xiàn)出施工效果，同時(shí)還具有較強(qiáng)的耐久性。加固的時(shí)候，使用的是配套樹脂和碳纖維，因此不會(huì)發(fā)生生銹的情況，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，當(dāng)遇到酸、堿等物質(zhì)的時(shí)候也不會(huì)被腐蝕。碳纖維布具有較強(qiáng)的耐熱性和抗化學(xué)性，因此外觀比較美觀，能夠保持結(jié)構(gòu)的原來形狀。碳纖維布在施工的時(shí)候，可以隨著構(gòu)件的形狀進(jìn)行剪裁，修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)不會(huì)使構(gòu)件受到任何的影響，表面可以自由地粉刷、裝飾，且施工比較方便。碳纖維布施工不需要大型機(jī)械設(shè)備和大量人力，使用碳纖維布來加固橋梁的主梁可以節(jié)省大量的投入資金，可以有效縮短施工周期，施工中不斷交的要求也可以輕松實(shí)現(xiàn)，使工程的經(jīng)濟(jì)效益得到明顯的提升。為了確保新技術(shù)的普及，相關(guān)單位一定要及時(shí)地制定完善的設(shè)計(jì)、施工以及竣工驗(yàn)收方案，從而確保新技術(shù)可以迅速投入使用。

5.結(jié)論

舊橋加固使用碳纖維布粘貼技術(shù)已經(jīng)得到了國(guó)際的普遍認(rèn)可，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用，得到了有關(guān)部門的足夠重視。經(jīng)過大量的實(shí)踐表明，碳纖維布加固技術(shù)是我國(guó)未來舊橋加固使用的主要技術(shù)，該技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如自重較輕、施工周期短以及施工比較方便等。該項(xiàng)目施工受到很多因素的制約，維修后的質(zhì)量需要經(jīng)過一段時(shí)間的觀測(cè)才能知道效果如何，經(jīng)過認(rèn)真的分析整理相關(guān)的信息，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)舊橋碳纖維布加固的效果，認(rèn)真總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，為今后該項(xiàng)技術(shù)的普及和推廣打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]葉列平,崔衛(wèi),邱清瑞等.碳纖維布加固混凝土構(gòu)件正截面受彎承載力分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2001(03):3-5+12.

[2]李忠獻(xiàn),張媛,景萌.碳纖維布加固復(fù)合受力鋼筋混凝土箱梁抗扭性能的非線性有限元分析[J].工程力學(xué),2006(A01):122-127.

[3]李素蘭.預(yù)應(yīng)力CFRP加固橋梁抗彎性能的理論分析與數(shù)值模擬[D].武漢：武漢理工大學(xué),2008.

[4]王榮霞,邢妍,白彥剛.混凝土加大橋梁截面法和碳纖維加固橋梁的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(03):59-63.