淺析碳纖維材料在橋梁加固的應用

周學輝

摘 要：我國高速公路經過20多年的建設，上世紀80、90年代建成的高速公路橋梁經10多年的運營，出現了板底裂縫加大等病害。碳纖維材料所具有的高強度、高模量特性讓其在橋梁加固領域中有著廣泛的應用。文章在對于現有的橋梁加固方法進行闡述后，對于碳纖維材料在橋梁加固的應用及施工工藝進行了淺析。

關鍵詞：碳纖維材料；橋梁加固；應用效果；粘貼

1 項目背景

云南某六車道高速公路，于1999年建成通車。隨著交通量的逐年增加，全線174座橋梁不同程度的出現結構性病害，分別有板底縱向裂縫、腹板斜裂縫、板底空洞、鋼筋外露、支座剪切變形、伸縮縫破壞等。文章重點淺析粘貼碳纖維材料加固方案的應用。碳纖維材料作為新時期的增強材料有著良好的強度和韌性，因此在許多軍工、民用領域的應用都得到了良好的效果。因此其在橋梁加固中的合理應用也可以對于我國現有橋梁的工程強度和使用壽命都有著良好的促進作用。

2 橋梁加固方法簡析

橋梁加固方法有很多，目前廣為采用的加固方法有補強法、鋼筋混凝土法、變更受力結構、增設加固法等。

2.1 補強法

補強法主要是為了應對現有橋梁中存在的強度、剛度、穩定性和抗裂性能不足等問題。在橋梁加固中的補強層加固法主要是在梁頂上加鋪一層鋼筋混凝土層。在這一過程中施工人員會首先鑿除舊橋面，從而能夠使其與原有主梁形成整體，并且達到增大主梁有效高度和抗壓截面強度的效果。其次，橋面補強法的應用還能夠有效的改善橋梁橫向分布能力，并且能夠達到提高橋梁的承載能力的目的。與此同時，橋面補強法的應用還能夠在梁底面或側面加大尺寸，然后增配主筋，從而能夠起到提高梁的有效高度和抗彎強度并且提高橋梁承載力的效果。

2.2 鋼筋混凝土法

鋼筋混凝土法是錨噴混凝土加固法和粘貼鋼板筋加固法的統稱。鋼筋混凝土法的應用需要高速噴射機械的支持，在這一過程中施工人員可以通過將新混凝土混合料連續地噴射到已錨固好鋼筋網的受噴面上來使得凝結硬化形成鋼筋混凝土，并且增大橋梁的受力斷面和補強鋼筋，最終有效的加強結構的整體性。其次，鋼筋混凝土法的應用還能夠使橋梁可以承受更大的外荷載作用，并且使其與結構形成整體，以鋼板代替增設的補強鋼筋，達到提高梁的承載能力的目的。

2.3 變更受力結構

變更受力結構是可以卓有成效的對于舊橋進行加固的方法。變更受力結構實際上能夠有效的對舊橋進行加固，并且在此基礎上恢復和提高舊橋的承載能力及通行能力，從而能夠起到延長橋梁使用壽命的效果。其次，合理的變更受力結構還能夠節省大量不必要的投資，并且可以收到良好的社會經濟效益。與此同時，通過改變橋梁結構受力體系，還能夠達到提高橋梁承載能力的目的。例如通過把簡支梁與簡支梁縱向加以連接，由簡支變成連續，或在梁下增設鋼桁架等加勁或疊合梁等就能夠給起到卸載的作用。

2.4 增設加固法

增設加固法的應用關鍵在于對于橋梁進行適當的拓寬與改建，來達到提升地基安全性能的效果。增設加固法的應用首先需要現有橋梁具有足夠承載能力的情況下才可以采用增設承載力高和剛度大的新縱梁。在這一過程中新梁與舊梁相連接，并且能夠共同受力。其次，增設加固法的應用還可以確保下部構造無病害，在這一前提下施工人員可以在原主拱圈腹面下增設一層新拱圈。

3 碳纖維材料在橋梁加固中應用

碳纖維材料在橋梁加固中的應用可以期待良好的工程效果，以下從材料特性、現有橋梁加固、加固計算方法、加固工藝應用等方面出發，對于碳纖維材料在橋梁加固中的應用進行了分析。

3.1 材料特性

碳纖維材料在橋梁加固中應用的第一步是對于材料的特性有著足夠的了解。碳纖維材料的應用以及有接近50年。西方先進國家如美國、德國首先開始將這一材料應用于橋梁結構的主要構件中。而我國在將碳纖維應用于工程和基礎設施領域始于20世紀80年代初期。在這一過程中碳纖維材料所具有的強大的力學特點開始逐漸的被認知和推廣。碳纖維材料具有應力應變曲線完全線彈性，實際上是不存在屈服點或塑性區的。其次，由于碳纖維材料具有優異的物理力學性能。高彈性模量碳纖維的抗拉強度比鋼材大68倍并且彈性模量比鋼材大2.5倍。本項目采用的碳纖維材料的技術指標如下：

抗拉強度標準值應根據置信水平C=0.99、保證率為95%的要求確定

碳纖維布與膠粘劑粘貼結合后形成的復核材料技術性能指標如下表：

3.2 現有橋梁加固

碳纖維材料在橋梁加固中加固和維修主要有兩種方式。一是對混凝土梁的加固或維修，二是對橋墩柱或橋面進行加固或維修。外貼鋼板法加固維修混凝土梁常有鋼板脫離、生銹、腐蝕等問題，且對于大跨度橋梁會增加橋的自重，而碳纖維材料粘貼方法不但適用范圍大，操作簡單，而且加固維修效果良好。碳纖維材料可以粘在混凝土的頂或底板上以提高曲強度和剛度，也可貼在梁的腹板上以提高其抗剪切強度。使用CFRP板加固混凝土梁可使其強度提24%～80%。對于橋梁墩柱的加固或維修主要可以通過碳纖維纏繞技術進行。粘貼碳纖維材料技術操作簡單，所需施工空間小，節約成本。根據碳纖維布的品質不同，其厚度、幅寬和卷材長度也有所不同。

3.3 加固計算方法

碳纖維材料在橋梁加固中應用的關鍵在于做好加固計算方法。采用碳纖維布加固舊橋，首先需要采用的計算方法是將碳纖維布按照一定的標準來近似的換算成為相應比例的鋼筋，接下來才能根據傳統的鋼筋混凝土受力分析模型來進行加固數據分析。在碳纖維布加固用量計算過程中，根據Acf=As（Ry/Rcf）這一公式，需要對于As鋼筋面積、Ry抗拉設計強度、Rcf碳纖維抗拉設計強度進行套用與計算。其次，在加固計算過程中計算人員還需要考慮到必要的錨固長度和搭接長度所需面積，以及必要的邊、角廢料等裁剪損耗。

3.4 加固施工工藝

本項目橋梁加固采用的碳纖維材料為美國進口芳玻韌布（TYFO SEH51 FRP）與高強環氧樹脂現場粘合形成復合纖維加固系統進行加固。它是由芳綸凱芙拉（Kevlar-防彈衣材料）與特種玻纖（E-glass）編合的碳纖維布與配套專用樹脂現場粘合而成的強韌復合碳纖維材料，粘貼在混凝土結構的外表面，并形成新的復合結構。施工工藝步驟如下：

3.4.1 橋下搭設臨時操作支架。支架高度根據河底高程、原板梁底高程確定，板梁底下應留有足夠的人員操作凈空。

3.4.2 原橋梁板底加固處理。鏟除待粘貼砼構件表面砼松散體（或找平層），用環氧砂漿修補破損的砼表面，使之平整，沒有尖角和突起物；粘貼前清除結構表面的結露和凝水。

3.4.3 若粘貼碳纖維布部位存在空洞情況，需先采用環氧樹脂砂漿修補空洞。施工步驟如下：（1）用人工鑿除的方法將將缺陷周圍的松散、破損混凝土予以清除，露出新鮮混凝土粗骨料，并用工業酒精進行清洗，再用空壓機將修補范圍吹凈，確保修補面潔凈干燥，要求做到無水濕、無污漬及灰塵，修補深度應保證清除所有已破損的混凝土。（2）配制環氧砂漿時準備好案秤、配膠用的干凈容器（一般用塑料盆）、丙酮（或酒精）、干棉紗、抹刀、膠料攪拌器等。將水按比例倒入合適的容器，邊攪拌邊按比例加入粉劑，用低速電動攪拌器攪拌3分鐘，避免引入空氣。（3）為了使修補砂漿能與老混凝土良好地結合，在刮涂修補砂漿時，若厚度超過30mm，要采用分層施工。在施工時，表面處理要盡量平整，顏色盡量與原構件表面顏色基本一致。（4）修補完后，夏季采用遮陽防曬法，冬季采用加熱保溫法，養護溫度控制在20℃左右，養護期5天。

3.4.4 配制特種環氧樹脂和浸漬纖維布。（1）在環境溫度下按比例混合環氧樹脂組份A和組份B，并按規定轉速攪拌5分鐘，施工期間溫度控制在5℃～38℃之間。（2）根據設計圖紙所規定的纖維布尺寸裁剪SEH51纖維布，并將裁剪好的纖維布用配制好的TYFO環氧樹脂均勻涂濕。

3.4.5 復合補強層的施工。（1）將待加固的板梁底表面涂刷一層混合好的樹脂做底層。（2）在規定的時間內，將浸透的纖維布象貼墻紙一樣平整地貼在砼表面，并注意主纖維的走向。纖維布之間橫向（非主纖維方向），拼接不得小于10mm，縱向（主纖維方向）搭接長度不得小于150mm，搭接須交錯布置。（3）對復合補強層進行檢查，樹脂中的氣泡必須在樹脂硬化前排出，每一層纖維布必須與基層緊密附著。

3.4.6 復合補強層的養護。在環境濕度和溫度下，粘貼后的復合纖維布24小時可達設計強度80%，48小時后方可進行橋面系的加載施工。

4 結語

隨著我國高速公路紛紛進入大修期，碳纖維材料在橋梁加固中的應用越來越廣泛，其施工工藝和高強碳纖維材料的開發還處于一個不斷摸索與優化的過程中。因此公路橋梁的工程技術人員需要根據現有橋梁加固應用的實例來進行材料特性與加固工藝的分析，最終能夠在此基礎上促進我國橋梁加固整體水平的有效提升。

參考文獻

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