CFRP在橋梁加固中的應用綜述

(重慶交通大學 重慶 400047)

經過多年的發展，我國的橋梁工程發展已經具有相當大的規模，但是伴隨我國的交通量的快速增長和標準車輛的逐步重型化不少的橋梁出現了問題。一方面是當時設計時不能預見社會的高速發展，按照原設計橋梁的承載了不能滿足要求以及部分橋梁在遠遠沒有達到設計壽命便出現了耐久性能嚴重退化的現象；另一方面時由于早期局限于設計、施工水平，使得橋梁暴露出不少的缺陷。故橋梁的加固處理是必要的。目前關于混凝土橋梁的常用加固方法有橋面補強層加固法、增大截面與配筋加固法、錨噴混凝土加固法、增加橫向聯系加固法、增設主梁加固法、改變結構受力體系加固法、粘貼鋼板加固法、體外預應力加固法、粘貼碳纖維布加固法等[1]。本文主要介紹使用碳纖維布加固已有橋梁的方法。

一、CFRP的介紹

(一)CFRP類別

CFRP(碳纖維增強復合材料)首先運用于航天工程，在80年代初開始對應用于土建工程進行研究.由于其優秀的力學性能，被應用于PC橋梁的張拉、建筑物的外墻、既有橋梁的加固等方面。碳纖維復合材料的種類較多,其中用于混凝土結構補強加固的大致可分為三類。按力學性能分為高模量(I型)、高強度(Ⅱ型)和中等模量(Ⅲ型)3種；按形式分為長纖維和短纖維2種,其中長纖維由材料的形狀分為片材、棒材、型材和特殊構造用材料4種;按原絲種類分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維和瀝青基碳纖維2種。

(二)CFRP的基本力學性能

使用CFRP進行加固作為當前橋梁加固的熱門研究方向的原因在于它具有優良的力學性能。首先，碳纖維復合材料的抗拉強度高，一般為2000—7000 MPa，順纖維方向的抗拉強度遠大于橋梁工程中常用的HRB400鋼筋(1860Mpa)，但是CFRP各項異性，均勻性比較鋼板要差，抗剪強度低；其次，CFRP的彈性模量、熱膨脹系數、密度均低于普通鋼筋和高絞線，其中密度只有鋼筋的1/5左右，十分便于施工安裝；同時，根據抗疲勞性能好,瑞士聯邦材料試驗研究所曾對l9絲CFRP纜索做過測試,其平均應力達到550MPa時,200萬次循環荷載應力幅度可達900MPa,是鋼材的4倍[2]；此外，碳纖維復合材料還具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、耐疲勞、良好的導電導熱性能電磁屏蔽性好等優良特性。

目前，在橋梁加固中，CFRP的主要是通過與構件協同作用承受拉應力，并對結構出現的裂縫進行約束，避免裂縫二次發展。

二、CFRP加固橋梁

(一)CFRP加固橋梁的原理

碳纖維復合材料加固橋梁技術是利用樹脂類材料把CFRP粘結于橋梁結構或構件表面，與橋梁結構形成復合體協同工作，從而達到加固的作用。當橋梁結構受到彎矩作用時，會使構件的受拉區出現裂縫，若是將碳纖維復合材料粘貼于受拉區表面，構件受到彎矩作用時，若該彎矩過大，使鋼筋出現伸長，混凝土將出現裂縫，則貼于構件表面的碳纖維復合材料會受力，阻止裂紋發生，或者阻止已有裂紋的進一步延伸。另一方面，在構件的受拉區粘貼CFRP將會導致構件截面的受壓區域高度增加，進而提高受彎構件的承載能力。

(二)CFRP加固橋梁的方法

1.CFRP加固橋梁傳統加固方法。直接粘貼是CFRP加固橋梁的一種常用方法，也就是用樹脂類材料把CFRP粘結于橋梁結構或構件表面，是一種被動加固法。具體方式主要有；1.沿構件的主軸方向粘貼CFRP，使構件的抗彎性能得到提高；2.沿構件主軸垂直方向粘貼CFRP，使構件抗剪承載力得到提高；同時，在主軸垂直方向粘貼CFRP可以改善加固位的延性，使抗震能力得到提高。該加固方法施工簡便，經濟，對橋梁結構施加的附加荷載較少，可適應各種橋梁構件。

CFRP加固的施工技術主要包括以下幾步：(1)基底處理，是在加固之前的施工預處理；(2)涂底層涂料，一是為了方便CFRP的粘貼，二是涂料滲透入加固結構內可以在一定程度上達到加固強化結構的作用；(3)粘貼CFRP；(4)養護；(5)表面涂裝。

2.預應力CFRP加固方法。相較于傳統的直接粘貼CFRP的橋梁加固技術，還有一種較新的橋梁加固技術——預應力CFRP加固技術。這種技術能使固體的承載能力更大幅度提高，也能將碳纖維復合材料的優良性能更多的發揮出來。但是這種方法更多的是在實驗室研究室使用，應用于實際工程中的很少。目前，預應力CFRP在加固橋梁中有三種方法，即為反拱法(起拱法)、類似先張法和類似后張法[3]。

(三)CFRP加固橋梁的優勢

同傳統加固方法相比較，CFRP加固方法有以下優勢：(1)使用CFRP不會增加橋梁的自重，對橋梁截面尺寸的影響也很小；(2)隨型性很強，可以適用不同的構件形狀；(3)施工十分方便，所需的工作面小，可在受到限制的空間進行施工；(4)不會對原結構造成二次損傷；(5)在混凝土表面粘貼CFRP可以有效的封閉裂縫，阻止裂縫的增大；(6)CFRP具備耐腐蝕的特性，故在一些易受到外界環境侵蝕的地方也可以使用。

(四)CFRP加固橋梁的不足

CFRP加固橋梁比較傳統加固方法有很多優勢，但由于CFRP加固技術出現的時間較傳統加固技術短很多，缺少專業的施工隊伍，也缺少更多的實際工程來發現和解決問題，這導致進行了加固之后的橋梁質量的不到保證。常見的問題有材料本身的問題、施工工序的問題、施工條件控制的問題和施工后結構養護的問題[4]。另一方面，實際結構加固后原結構受力主筋與CFRP補強材料之間卻存在分階段受力的特點，但是在現行的JTGTJ22—2008《公路橋梁加固設計規范》[5]中確實按照兩者共同變形受力計算的，雖然在施工時會對橋梁結構進行處理，但仍然存在影響。同時，由于發展時間較短，缺少大量的實際工程做支撐，在理論和實驗方面需要進一步的研究，故CFRP材料應用于橋梁加固還有一些需要進一步解決的地方：首先，CFRP材料存在疲勞問題，這對加固的年限有影響；CFRP材料受爆曬、化學物質的影響會出現老化的問題；在進行了CFRP材料加固之后，由于CFRP的抗拉強度，可能出現結構中的混凝土被壓碎而鋼筋未發生屈服，橋梁發生脆性破壞，這不僅是影響加固效果，這還是一個可能存在的安全隱患。要想CFRP材料加固橋梁能更進一步的發展，這些問題有必要在深入的研究。

三、結論與建議

碳纖維復合材料(CFRP)加固橋梁技術在施工時占用空間小、施工容易，并且它對施工場地周邊環境的影響很小，符合當今要求的環保施工的要求，這是未來橋梁加固的一種趨勢。