碳纖維布在中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用

席路虎

碳纖維布加固技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù),它是利用樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面,并與結(jié)構(gòu)形成整體受力體系,增強被加固結(jié)構(gòu)的抗彎或抗剪能力,從而達到對結(jié)構(gòu)補強加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。

近年來,我局所轄路段中小跨徑混凝土板橋在大交通流、重載車輛的作用下,板底混凝土裂縫、保護層剝落現(xiàn)象增多。針對這類病害,我們以橋北1號橋為對象,進行了碳纖維布加固橋梁上部結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用技術(shù)研究。橋北1號橋位于省道坪曲線(S331)K77+265處,建成于1993年10月,斜交角70°。現(xiàn)有橋梁為3-13 m板橋,橋梁全長60.0 m。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺。該橋改造前存在板底混凝土裂縫、保護層剝落、鋼筋外露等病害。

1 橋梁處治方案、加固機理

1.1 處治方案

首先對外露鋼筋進行除銹,然后用環(huán)氧樹脂砂漿修補板底坑洞露筋部分,并在修補范圍及周邊涂刷滲透型阻銹劑,最后在空心板底部粘貼碳纖維布進行加固。

1.2 碳纖維布加固機理

碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件時,是通過將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū),代替或補充鋼筋的受拉性能,從而提高構(gòu)件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后,在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開裂前,碳纖維的應(yīng)變很小;在混凝土開裂后,碳纖維布逐漸參與共同工作,應(yīng)變增長加快;而在鋼筋屈服后,碳纖維布充分發(fā)揮作用,應(yīng)變增長迅速加快,其高強高效的性能得以充分體現(xiàn)。

2 計算方法及設(shè)計要點

2.1 計算方法

1)采用碳纖維布加固舊橋,目前一般的計算方法是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)(例如強度或允許應(yīng)力)近似換算成一定用量的鋼筋,然后按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進行理論分析。雖然是近似計算方法,但理論分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得很好,因此在一般情況下是適用的。

2)碳纖維布加固用量,可按式(1)估算:

其中,Acf為碳纖維布用量(面積);As為抵抗不足彎矩所需的鋼筋面積;Ry為鋼筋的抗拉設(shè)計強度;Rcf為碳纖維布抗拉設(shè)計強度。

3)除按式(1)估算的碳纖維布加固用量(面積)外,還必須考慮必要的錨固長度和搭接長度所需面積,以及必要的邊、角廢料等裁剪損耗等。

2.2 設(shè)計要點

1)考慮到碳纖維材料與被加固構(gòu)件中受拉鋼筋的變形協(xié)調(diào),取受拉鋼筋極限變形狀態(tài)時的碳纖維受拉應(yīng)力作為碳纖維材料的設(shè)計強度。2)浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面,并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵,因此,樹脂同混凝土的粘貼強度要大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。3)采用碳纖維材料加固時,考慮到碳纖維布與被加固構(gòu)件表面的剝離破壞以及實際加固效果,同一截面受力碳纖維布粘貼層數(shù)采用兩層。

3 碳纖維材料與要求

3.1 碳纖維復(fù)合材料

1)碳纖維復(fù)合材料通常由纖維和基體組成。加固混凝土結(jié)構(gòu)用的纖維材料目前主要有三種:玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)和芳綸纖維(AFPR)。普通碳纖維是以聚丙烯腈(PAN)或中間相瀝青(MPP)纖維為原料經(jīng)高溫碳化制成,碳化程度決定著諸如彈性模量、密度與導(dǎo)電性等性能。碳纖維長絲直徑通常在5 μm～8 μm 之間,并合成含3000根～18000根的長絲束。為改善碳纖維與基體的親和性,纖維本身要經(jīng)表面處理,形成能與基體反應(yīng)的活性基團。2)加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布,是由碳纖維長絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。3)碳纖維布的抗拉強度一般為3550MPa,約為普通鋼材的10倍,彈性模量為 235×105MPa。

3.2 粘結(jié)材料

粘結(jié)材料是將連續(xù)纖維狀的碳纖維結(jié)合在一起,同時又與混凝土表面粘合的系列粘結(jié)材料。粘結(jié)材料主要包括三類材料:底層涂料、整平材料和浸漬樹脂。粘結(jié)材料的性能是保證碳纖維布與混凝土共同工作的關(guān)鍵,也是兩者之間傳力途徑中的薄弱環(huán)節(jié)。

4 施工工藝

4.1 施工前的準(zhǔn)備作業(yè)

對所有外露鋼筋進行除銹,用環(huán)氧樹脂砂漿修補板底坑洞露筋部位,并在修補范圍及周邊涂刷阻銹劑。

4.2 基面處理

1)混凝土表面的劣化層(如浮漿、風(fēng)化層等)要用砂輪機進行清除和打磨。2)基面的錯位與凸出部分要磨平,轉(zhuǎn)角部位要進行倒角處理。3)裂縫部分要注入環(huán)氧樹脂漿進行修補。

4.3 基面的清洗

1)先用鋼絲刷將表面松散浮渣刷去,然后用壓縮空氣除去粉塵;2)用丙酮或無水酒精擦試表面,也可用清水沖洗,但必須保證其充分干燥后才能進行下一道工序的施工。

4.4 涂刷底膠

1)按比例準(zhǔn)確配制好底膠并攪拌均勻,注意一次調(diào)和量在可使用時間(7 d)內(nèi)用完,超過時間的絕對不能使用,以確保粘結(jié)質(zhì)量;2)用滾筒或刷子均勻地涂抹在基面上,注意涂抹均勻,自然風(fēng)干。如在冬季施工,膠的粘度較高,不能涂得太厚;3)底膠硬化后,在表面有凸起部分時,要用磨光機或砂紙打光;4)待底膠用手觸摸感覺干燥后,進入下道工序。

4.5 粘貼面的修補

1)若發(fā)現(xiàn)粘貼面上有凹入部位,應(yīng)用找平膠進行修補,保證粘貼面的平整,以確保加固效果。2)待找平膠用手觸摸感覺干燥后進入下一道工序。

4.6 粘貼碳纖維布

1)在待粘貼面上劃出擬粘貼位置;2)依設(shè)計尺寸裁剪碳纖維布,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗和作業(yè)空間確定下料長度,若需要進行接長時,接頭的長度應(yīng)根據(jù)實際情況而定,一般不得小于20cm;3)下料數(shù)量應(yīng)以當(dāng)天能用完為準(zhǔn);4)粘貼碳纖維布時,應(yīng)按照設(shè)計位置由上而下,由左至右有秩序地粘貼,并以滾筒壓擠貼片,使碳纖維布與浸漬樹脂充分結(jié)合,同時以壓板去除氣泡;5)即時觀察貼片是否粘貼密實,若發(fā)現(xiàn)有間隙或氣泡,應(yīng)及時處理。

4.7 罩面防護處理

1)粘貼完碳纖維布后,及時在其表面再均勻涂抹一層浸漬樹脂,自然風(fēng)干;2)確保貼片表面已充分風(fēng)干結(jié)合后,在其上涂抹罩面膠或采取其他措施處理,以保證各層膠的耐久性。

5 碳纖維布加固舊橋特點

1)質(zhì)量輕,不增加恒載及斷面尺寸。2)可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀,成型很方便。3)施工簡便。4)采用碳纖維布加固補強,對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷。5)能有效地封閉混凝土的裂縫。6)碳纖維布具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性。7)不影響結(jié)構(gòu)的外觀。

6 結(jié)語

目前橋北1號橋已改造完畢且正常運行一年多,使用效果良好。由于該技術(shù)能夠有效延長橋梁上部結(jié)構(gòu)的使用壽命,因此在中小跨徑橋梁加固工程中具有廣泛的推廣價值。

[1] JTG/T J22-2008,公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTG/T J23-2008,公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 趙雪萍.碳纖維布在舊橋加固中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù),2002(3):49-51.

[4] 張顯坤,張喜波,高海偉.碳纖維布在加固混凝土橋梁中的應(yīng)用與研究[J].山西建筑,2008,34(7):318-319.