碳纖維筋噴漿法在橋梁加固中的理論研究及工程應用

1 前言

隨著近幾年重載超載現象的迅速增加，使得公路交通運輸系統需具備一定的安全性、快速性和便捷性。橋梁是公路運輸的重要組成部分，為促進經濟的發展起到了非常重要的作用，因此，對橋梁的安全養護管理一直是建設管養單位首要解決的問題。從上世紀80年代末開始，一方面新建橋梁建設蓬勃發展，另一方面針對舊有的橋梁加固改造維修工作迫在眉睫。在現有的大部分橋梁中，由于受到當時條件、經濟、養護及相關技術的限制，橋梁出現了諸如材料老化、結構損壞、部件缺失等病害，使得大部分橋梁為三、四類橋梁，存在一定的安全隱患。對于這種不能適應現代公路交通運輸要求的舊橋，如果完全拆除重建，不僅所需要的資金巨大，而且還需要中斷交通，影響居民的交通出行，因此當地部門大部分采用維修改造對橋梁進行加固。在針對眾多橋梁加固方法中，由于大部分加固方法存在耐久性較差、后期維修成本較高等問題。因此，如何能采取有效的加固措施，達到既加固改造又修舊翻新的效果，恢復或提高它們的承載能力，延長橋梁的耐久性能，使其繼續為當代交通運輸服務。

碳纖維筋噴漿補強加固法是一種新型的橋梁加固改造技術，關于碳纖維筋的研究，最早開始于1967年的南非學者Fleming和1971年的法國學者Bresson，從此以后很多國家的學者們就給予了碳纖維筋更多的關注，80年代的美、日等發達國家的很多學者研究將碳纖維筋材料用于混凝土橋梁結構加固。與之相比，我國對碳纖維筋材料加固混凝土結構技術的研究與應用起步較晚。2000年6月，我國土木工程學會的混凝土與預應力混凝土分學會成立了碳纖維增強復合材料及工程應用委員會，接著在2003年針對炭纖維筋加固的行業標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》孕育而生，在此基礎上，我國對碳纖維筋加固混凝土結構技術的研究越來越多，有些研究達到了國際領先水平。

本文首先從碳纖維筋加固作用機理及適用范圍出發，對碳纖維筋噴漿法加固梁橋的表面安裝及開槽植筋加固梁底以及橋面板板底等部位進行了研究，并給出了加固補強后原構件承載能力計算方法以及相應的施工工藝控制要點，最后結合北京市提供的實橋應用，對加固后的效果進行了驗證。

圖2.1 表面安裝碳纖維筋加固圖

2 碳纖維筋加固作用機理及適用范圍

碳纖維筋加固混凝土結構其實質是體外配筋，加固方法主要有兩種：一是碳纖維筋表面安裝法，二是碳纖維筋開槽植筋法(表層嵌貼)。

碳纖維筋表面安裝法是通過安裝碳纖維筋于被加固構件表面受拉側，使其新增抗力層，然后進行噴漿形成碳纖維筋高強聚合物砂漿補強層，在汽車荷載作用下，該抗力層與原構件共同抵抗作用效應，進而減小原構件所承擔的抗力水平。通過這種新增補強層后，不僅可提高結構構件的剛度和承載力，且具備抗腐蝕、耐高溫、與結構共同受力的特點，如圖2.1所示。該方法主要適用于對承載能力不足的抗彎構件進行加固補強，多用于公路橋梁結構、石拱橋、隧道、蓋梁及高墩墩底的抗彎加固。對于這種方法，噴漿層與原構件表面的粘結性能要求較高，確保新舊構件的共同受力。

碳纖維筋開槽植筋補強法是在原有表層粘貼法基礎上的發展和創新，把高強碳纖維筋作為受力配筋，主要用于橋梁受拉應力的部位。其原理是在原鋼筋混凝土構件表面淺層開槽，再向槽中注入部分粘結材料，然后將棒狀的碳纖維筋嵌入槽中，利用粘結劑使其與構件結合緊密形成整體，以此提高結構構件剛度和承載力，達到加固補強的目的，如圖2.2所示。在實際工程中，嵌貼式加固方法施工比較方便，不需要大量的勞動力和大型機械，也不需要占用較大的工作空間，甚至可以在不影響結構正常使用的情況下進行施工，因此該方法具有較大優勢。針對橋梁所在地域環境，可以適當選擇加固表面噴涂高強聚合物砂漿，實現表面美觀，防腐、防潮的目的。因此，碳纖維筋開槽植筋法特別適用于梁體底板抗彎加固、梁體腹板抗剪加固以及橫隔板抗剪加固等部位。

3 碳纖維筋加固設計理論計算

3.1 基本假定

對原結構進行碳纖維筋加固補強時，有以下幾項假定：

（1）在達到受彎承載力極限狀態前，碳纖維筋和聚合物砂漿變形一致，共同受力，不發生粘結剝離破壞。

（2）采用碳纖維棒材加固受彎構件時，其破壞形式應為正截面破壞先于斜截面破壞。

（3）在受彎承載能力極限狀態下，截面受壓邊緣混凝土應變達到界限壓應變。截面受壓區混凝土應力按等效矩形應力圖形；原結構受拉區鋼筋認為理想彈塑性材料，鋼筋取抗拉強度設計值。

（4）在構件達到受彎承載能力極限狀態時，新增的碳纖維筋拉應變采用平截面假定。

圖2.2 開槽內嵌碳纖維筋加固圖

其中碳纖維筋加固受彎構件設計步驟為：

(1) 第一階段：新澆筑功能性聚合物砂漿層達到強度標準值之前，構件按原構件截面計算，荷載應考慮加固時包括原構件自重在內的恒載、現澆聚合物砂漿層自重及施工荷載。

(2) 第二階段：新澆筑功能性聚合物砂漿層達到強度標準值后，構件按加固后整體截面計算，作用(或荷載)應考慮包括加固后構件自重在內的恒載及使用階段的可變作用。

3.2 承載力計算

采用碳纖維筋進行加固時，如圖3.1所示，在受拉區矩形截面受彎構件的受拉邊其正截面承載力計算公式如下：

x—等效矩形應力圖的混凝土受壓高度；

針對開槽植筋的表層內嵌加固設計，其抗彎加固計算采取如下步驟：

（1）碳纖維筋設計材料的計算

（2）計算在恒載作用下碳纖維筋安裝位置的初始混凝土彈性應變

（4）估計中性軸高度c（為梁頂距離中性軸的高度），在試算開始時，取

（5）確定碳纖維筋的有效應變：

如果破壞模式是碳纖維筋剝離破壞控制，則混凝土的應變將小于0.0033，混凝土的應變可由下式計算：

（6）計算現有受拉鋼筋的應變：

（7）計算鋼筋和碳纖維筋的應力：

（8）計算是否滿足平衡條件：

（9）計算抗彎強度：

4 加固施工工藝及質量控制

碳纖維噴漿加固法的關鍵技術一是高強輕質的碳筋材料，二是與原構件的粘結工藝。采用碳纖維筋加固主梁、板底、橫隔板，先在側面或板底混凝土保護層中開槽，再將碳筋嵌入槽內，用環氧樹脂填封固定。其中采用軌道式液壓升降雙鋸片切縫設備，進行仰面切割開槽。這種加固方法開拓了高強輕質材料和粘貼牢固兩個方面的優勢，使嵌入的碳纖維筋與原構件共同受力，承載能力明顯提高。其施工工藝流程為：原構件表面處理→局部破損修補→安裝開槽機→碳纖維筋植筋→射水鑿毛、清洗表面雜物→涂表面強化劑→噴涂高強聚合物砂漿→表面提漿收尾、養生→涂刷表面防腐劑。

施工質量控制要點如下：

（1）原構件混凝土表面處理

清除混凝土表面出現的剝落、空洞、腐蝕等劣化部位，并采用射水鑿毛機進行清理，對面積較大的損傷部位，采用功能性聚合物砂漿進行修復，對斷裂的鋼筋采用幫條焊進行恢復，如發現鋼筋銹蝕，還應進行除銹，另外在斷裂鋼筋上部，植入兩層與主筋同等規格的鋼筋與主筋共同受力。

（2）開槽

按照設計圖紙開槽尺寸，在即將開槽的橫隔板上標記開槽線，以保證開槽的平整、順直，然后固定開槽機軌道，安裝調試開槽機，準備開槽。開槽機開槽完畢后，未達到設計要求的部分，人工用角磨機進行局部修補，保證開槽深度、寬度和長度滿足設計圖紙要求。

（3）植碳纖維筋

圖3.1 矩形截面的正截面受彎承載力圖

圖3.2 內嵌碳纖維筋矩形截面構件正截面受彎承載力計算

植筋前，用吹風機及毛刷清除梁底混凝土槽內灰塵和雜物等，防止植筋膠與混凝土之間不能充分連接。按照設計圖紙要求裁剪碳纖維筋。把植筋膠固定在膠槍上，向槽內擠植筋膠，使植筋膠充分填滿槽2/3空間，把碳纖維筋嵌入槽內，然后人工修補碳纖維筋表面，使植筋膠充分包裹碳纖維筋，直到達到設計圖紙要求。

（4）射水鑿毛

調試高壓射水鑿毛機械，使高壓鑿毛機壓力達到500bar。一次噴射混凝土表面，達到混凝土鑿毛效果。射水鑿毛完成后人工進行檢查，未達到鑿毛要求的混凝土表面，采用人工鑿毛。然后再次調試射水鑿毛機，使高壓鑿毛機壓力達到150bar，洗滌已鑿毛混凝土表面后干燥。

（5）涂抹表面強化劑

混凝土表面干燥后，采用刷子或噴涂機在混凝土表面涂抹強化劑，一次涂抹量的標準以無流墜為依據，直至強化劑滲透到混凝土表面。

（6）噴涂高強聚合物砂漿

分層噴射高強聚合物砂漿，每層噴射厚度控制在1.5cm～2.0cm，待上一層初凝后方可進行下層施工。

5 工程實例加固效果

八達嶺大橋位于北京市延慶縣八達嶺長城旅游風景區，京藏高速公路出京方向K55+251.0處。大橋總長為995.0米，橋面寬13.0米，車行道寬11.5米，橋下平均凈高17.0米。上部結構為預制預應力鋼筋混凝土工字梁，下部結構為鋼筋混凝土板墩，鉆孔灌注樁基礎。八達嶺大橋在長期重載作用以及冬季大量使用以“氯鹽”為主的無機融雪劑，使得邊梁以及防撞護欄表面混凝土腐蝕開裂嚴重。根據技術設計要求，要對全橋邊梁進行碳纖維筋噴漿加固，對全橋中梁、墩臺進行局部修補，并做防腐處理。

本次加固工程在不斷交通的情況下正常施工，對破損的邊梁進行了植筋補強，施工前對該橋進行了加固改造受力驗算如圖5.1～圖5.2所示，加固后效果如圖5.3～圖5.4所示。

此外，參照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的相關規定，本文首先對八達嶺大橋進行了維修加固前的荷載試驗，在采用碳纖維筋加固橫隔板及梁底后，進行了維修加固后的荷載試驗。根據該橋的實驗數據，對比了加固前與加固后的撓度值和動應變值，其中撓度幅值減少了23.4%，動應變幅值減少了26.5%，說明該橋經過碳纖維筋噴漿加固后，結構的剛度和強度均大大提高。

6 結論

圖5.1 加固后橋梁撓度圖

圖5.2 加固后橋梁應力圖

圖5.3 安裝軌道及開槽植筋

圖5.4 收尾養生

（1）在不中斷交通條件下，碳纖維筋噴漿加固法由于施工組織方便、周期短、適用性強等特點，可以較快的完成橋梁的加固，經濟社會效益十分顯著，屬于一種經濟合理的改造方案。

（2）表層內嵌碳纖維筋噴漿加固應用于橋梁橫隔板及梁底維修，對鋼筋混凝土梁式橋抗彎能力進行補強，結果表明全橋的整體剛度和承載能力有較大提高，達到了加固效果。

（3）采用高粘性聚合物砂漿薄層噴漿施工工藝，與內植碳筋形成有效組合體，加固后的補強材料與原結構模量基本一致，達到提高加固結構的耐久性和修舊如新的表觀效果。