碳纖維包覆設(shè)計(jì)與施工在橋梁抗震補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用

韋劍雙

摘要：在抗震補(bǔ)強(qiáng)工法中，纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料包覆工法憑借碳纖維材料重量輕、強(qiáng)度高、易施工等特性逐漸成為目前較常見(jiàn)的應(yīng)用手段。文章以廣西某橋梁為例，介紹碳纖維包覆補(bǔ)強(qiáng)工法的設(shè)計(jì)思路與理念，并闡述其施工工藝流程及施工質(zhì)量控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：橋梁;抗震補(bǔ)強(qiáng);碳纖維;包覆補(bǔ)強(qiáng)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U442.5+5文章標(biāo)識(shí)碼：A361403

0 引言

我國(guó)已發(fā)生多次重大的地震災(zāi)害，地震后橋梁結(jié)構(gòu)物的抗震安全成為國(guó)家防災(zāi)計(jì)劃非常重要的課題。我國(guó)交通部為防患于未然，開(kāi)始分階段持續(xù)推動(dòng)高速公路橋梁抗震評(píng)估補(bǔ)強(qiáng)工作。在抗震補(bǔ)強(qiáng)工法中，纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料包覆工法，憑借碳纖維材料重量輕、強(qiáng)度高、易施工等特性，逐漸成為目前較常見(jiàn)的應(yīng)用手段。本文以廣西某橋梁為例，介紹碳纖維包覆補(bǔ)強(qiáng)工法的設(shè)計(jì)思路與理念，并闡述其施工工藝流程及施工質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 工程概況

該橋梁位于廣西某高速公路路塹開(kāi)挖區(qū)（里程K96+445），跨越某高速公路主線，為長(zhǎng)（27.5+42+27.5=97）m、寬13.1 m的[WTBZ]π形橋，上部結(jié)構(gòu)采用三跨連續(xù)的變斷面預(yù)制預(yù)應(yīng)力雙T梁，斜撐式墩柱與上構(gòu)以45°的仰角剛接，并與基礎(chǔ)鉸接連結(jié)。依據(jù)評(píng)估結(jié)果，下部結(jié)構(gòu)直接基礎(chǔ)尚符合規(guī)范的抗震性能要求，但橋臺(tái)支承抗水平能力及橋墩剪力容量小于抗震性能需求。采用混凝土包覆補(bǔ)強(qiáng)、鋼板包覆補(bǔ)強(qiáng)及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆補(bǔ)強(qiáng)，可解決橋墩剪力容量小于抗震性能需求的問(wèn)題。由于本橋位于敏感性邊坡，若采用混凝土包覆補(bǔ)強(qiáng)將增加邊坡額外荷載，不利于本橋的邊坡穩(wěn)定，故不采用混凝土包覆補(bǔ)強(qiáng)。此外，本橋?yàn)閇WTBZ]π型橋，橋柱傾斜，鋼板包覆施工較復(fù)雜且荷載亦較纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為重，施工較困難，故本橋的橋柱剪力補(bǔ)強(qiáng)采用6～12層（纖維含量>300 g/m2/層）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆補(bǔ)強(qiáng)，可同時(shí)降低補(bǔ)強(qiáng)施工對(duì)高速公路交通的影響。

2 碳纖維包覆設(shè)計(jì)

2.1 碳纖維包覆設(shè)計(jì)工法介紹

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有三個(gè)基本成分，分別為纖維、基材及纖維與基材間的界面等。其中纖維為強(qiáng)化材料，使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很高的強(qiáng)度和彈性系數(shù)，同時(shí)也是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械性能的主要因素。其主要功能為承受主要負(fù)載，限制微裂紋延伸，提高材料強(qiáng)度與剛性，改善材料抗疲勞、抗?jié)撟冃阅埽岣卟牧鲜褂脡勖c可靠性等。目前最常應(yīng)用的纖維材料為碳纖維、玻璃纖維及克維拉纖維等[1]。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基本成分中的基材是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用溫度、電氣特性及化學(xué)性質(zhì)的主要因素，其主要功能為傳送或分散應(yīng)力至纖維中，固定纖維排列方向，保護(hù)纖維避免受摩擦或侵蝕，結(jié)合纖維使復(fù)合材料受應(yīng)力時(shí)不致于變形或破壞。目前最常應(yīng)用的基材材料為聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及熱塑性塑料。纖維與基材間的界面是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用壽命的主要因素，其主要功能為使負(fù)荷能順利由基材傳送至纖維，抵抗纖維與基材間熱膨脹造成的支應(yīng)力，避免復(fù)合材料受液體滲透，幫助基材保護(hù)纖維，抵抗樹(shù)脂硬化收縮現(xiàn)象[2]。

在橋梁抗震補(bǔ)強(qiáng)方面，由于設(shè)計(jì)目的是在大地震時(shí)可產(chǎn)生良好韌性的塑性鉸，對(duì)鋼筋混凝土橋柱而言，如其韌性或剪力容量不足，可采用碳纖維包覆補(bǔ)強(qiáng)提高其韌性。纖維復(fù)合材料可采用碳纖維復(fù)合材料與高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料。

2.2 設(shè)計(jì)思路

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆工法雖具有材料輕、柔性、搬運(yùn)容易及施工迅速等優(yōu)點(diǎn)，但因此工法對(duì)鋼筋混凝土橋柱的圍束效果、韌性改善成效及本土化施工的便利性仍有待證實(shí)，故現(xiàn)階段高速公路橋梁抗震補(bǔ)強(qiáng)工程采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆工法進(jìn)行圍束補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，須滿足下列8點(diǎn)條件：

（1）對(duì)于圓形橋柱及矩形橋柱，其位移韌性需求不得超過(guò)6 mm及3 mm。

（2）對(duì)于矩形橋柱，其長(zhǎng)邊長(zhǎng)度不得超過(guò)100 cm，長(zhǎng)短邊的比值不得超過(guò)1.5。

（3）對(duì)于圓形橋柱，其直徑不得超過(guò)250 cm。

（4）不得采用用于橋柱的鋼筋搭接補(bǔ)強(qiáng)。

（5）單柱橋柱不得采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆抗震補(bǔ)強(qiáng)。

（6）橋柱的軸壓應(yīng)力不得超過(guò)0.15 fc，全斷面積Ag及主筋比不得超過(guò)2.5%。

（7）橋柱變斷面處不得采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆抗震補(bǔ)強(qiáng)。

（8）河川橋橋柱不得采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆抗震補(bǔ)強(qiáng)。

上述第（3）點(diǎn)的要求，是考慮到國(guó)內(nèi)外有關(guān)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)工法的柱尺寸試驗(yàn)報(bào)告不多，且部分較大比例的縮尺寸試驗(yàn)結(jié)果不足以讓此工法大量應(yīng)用于柱尺寸較大時(shí)的橋梁補(bǔ)強(qiáng);第（5）點(diǎn)則為結(jié)構(gòu)靜不定度風(fēng)險(xiǎn)性的考量。

另外，橋柱往往有固定水管等附掛支架需求，如有因鉆孔打設(shè)螺栓等破壞纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆貼片情形，亦須依實(shí)際情形于適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。本工程于落水管固定支架鉆孔底板處，加強(qiáng)4層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包覆，范圍為底板邊緣水平及垂直向兩側(cè)各15 cm。

基于經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)上的考量，對(duì)于鋼筋混凝土橋墩補(bǔ)強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的選擇，建議是以混凝土及鋼板包覆工法為原則，若因空間受限、美觀要求或施工條件不適用混凝土及鋼板包覆工法時(shí)，則可采用纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料包覆工法，但纖維材料耐火性差，建議使用的位置要避免火災(zāi)的發(fā)生[3]。

3 碳纖維包覆施工工藝及質(zhì)量控制

3.1 主要施工工藝流程

本工程采用的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)法的施工步驟如下：

（1）面層處理：混凝土表面劣化層使用高壓水刀進(jìn)行表面處理并以砂輪機(jī)磨平，直至露出粗骨材為止，面層施工前混凝土面層的裂縫須完成修補(bǔ)。

（2）隅角部的削角：防止內(nèi)角與外角的碳纖維貼片的剝落及強(qiáng)度下降。凸出部分以切割機(jī)或砂輪機(jī)將其削除并使其平滑，凸角R≥30 mm以上，凹角則以樹(shù)脂砂漿填補(bǔ)。

（3）涂布底面涂料：在使用時(shí)間內(nèi)以毛刷滾輪均勻涂布，底漆用量≥0.4 kg/m2。

（4）碳纖維貼片粘貼：?jiǎn)蜗蛱祭w維貼片粘貼于樹(shù)脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平2～3次，使樹(shù)脂浸透并去除氣泡。纖維（長(zhǎng)向）方向的搭接長(zhǎng)度要留200 mm。

（5）完工后試驗(yàn)：碳纖維貼片完成后，分別依相關(guān)規(guī)定辦理目視檢測(cè)、金屬錘測(cè)試、Durometer Shore〔JIS〕D硬度測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)。其中，現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范測(cè)試，破壞面必須為混凝土破壞或拉拔強(qiáng)度>20 kgf/cm2視為合格;碳纖維貼片產(chǎn)生殘間剝離現(xiàn)象時(shí)，亦視為不合格。

（6）養(yǎng)護(hù)：碳纖維貼片補(bǔ)強(qiáng)施工后，為避免雨水、砂、灰塵等附著其上，必須使用塑料布保護(hù)，應(yīng)注意覆蓋布不要接觸施工面。為達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，平均氣溫為10 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d;平均氣溫為20 ℃，養(yǎng)護(hù)期間為7 d。

（7）完工后面層防護(hù)粉刷層（已試驗(yàn)合格）：于最外層碳纖維貼片的環(huán)氧樹(shù)脂面層施作完成后，立即于表面均勻?yàn)⒉剂綖?～2 mm的石英砂，并于樹(shù)脂初期硬化后，以防水彈性水泥與硅砂拌和的砂漿粉刷[4]。

3.2 施工質(zhì)量控制

（1）因碳纖維包覆補(bǔ)強(qiáng)施工時(shí)在氣溫在5 ℃以下、雨天、可能結(jié)露或相對(duì)濕度>85%時(shí)，不可施工，故施工地點(diǎn)的溫度、濕度需先行確認(rèn)，并選用適當(dāng)?shù)臐B透型底漆。本工程施工期間為夏季，氣候多雨，相對(duì)濕度常超過(guò)85%，以致通常只能施作半日，或全日不能施作，從而影響施工效率。

（2）橋面常有水沿排水管或伸縮縫滴下，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)面潮濕無(wú)法施工，需在梁底增設(shè)阻水設(shè)施阻絕雨水下滲，避免影響施工質(zhì)量。

（3）粘稠度應(yīng)以加熱方式控制，不可使用有機(jī)溶劑稀釋。

（4）應(yīng)提高施工人員的熟練度及采取適當(dāng)?shù)墓芸兀杂绣e(cuò)漏極可能造成試驗(yàn)及補(bǔ)強(qiáng)失敗。

（5）有關(guān)碳纖維施工檢驗(yàn)常見(jiàn)缺失如下：

①面層處理不到位，高壓水刀未將混凝土表面劣化層處理至粗骨材面出現(xiàn)，造成后續(xù)涂布底面涂料與混凝土面接合不佳，形成弱面，在拉拔試驗(yàn)時(shí)常產(chǎn)生破壞面。

②碳纖維貼片粘貼過(guò)程中，毛刷及橡皮刮刀未將氣泡去除或樹(shù)脂浸透不足，造成金屬錘測(cè)試時(shí)會(huì)有異常。

③碳纖維貼片層次間施工時(shí)間掌控不佳，未能在涂布樹(shù)脂保持在濕潤(rùn)狀態(tài)時(shí)將碳纖維貼片貼上，造成需第二次涂布樹(shù)脂以確保層次間的密合。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)上的考量，對(duì)于鋼筋混凝土橋墩補(bǔ)強(qiáng)方案設(shè)計(jì)的選擇，建議以混凝土及鋼板包覆工法為原則，若因空間受限、美觀要求或施工條件不適用混凝土及鋼板包覆工法時(shí)，則可采用纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料包覆工法。纖維包覆補(bǔ)強(qiáng)工法具有材料輕、柔性、搬運(yùn)容易及施工迅速等優(yōu)點(diǎn)，但纖維材料耐火性差，建議使用的位置要避免火災(zāi)的發(fā)生;且在其對(duì)混凝土橋柱補(bǔ)強(qiáng)的耐久性能，及國(guó)內(nèi)施工條件與品質(zhì)管理程序等方面，應(yīng)進(jìn)行持續(xù)研究與改進(jìn)。

（2）碳纖維具有方向性，施工須特別注意，包覆構(gòu)材形狀若有彎角，應(yīng)予圓弧化。

（3）更多地將纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁工程的新建與補(bǔ)強(qiáng)，將會(huì)是未來(lái)工程界的趨勢(shì)，現(xiàn)階段可根據(jù)設(shè)定的條件篩選部分橋梁采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)工法，以累積設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作為國(guó)內(nèi)碳纖維本土化應(yīng)用的重要資料庫(kù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]郝 軼，閆淑杰.橋梁工程碳纖維加固技術(shù)及維修[J].交通世界，2011（21）：252-253.

[4]趙 岳.橋梁工程中碳纖維加固的施工技術(shù)[J].建材與裝飾，2015（23）：288-289.

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