杭州碳纖維布在橋梁加固中的應(yīng)用研究與實(shí)例
舊橋加固改造工程同其它任何事情一樣，有其內(nèi)在的規(guī)律，在做某座橋梁的具體加固設(shè)計(jì)時(shí)都有一定的技巧，都要遵循一定的步驟，同時(shí)又極具創(chuàng)造性。所以，我們應(yīng)通過(guò)創(chuàng)造性的工作去盡力解決舊、危橋的加固改造工作。盡管每座橋梁的修復(fù)工程具有各自的特點(diǎn)，但存在可進(jìn)行比較、評(píng)價(jià)的一般性概念，以決定采用實(shí)用的技術(shù)。由于這些特點(diǎn)，總是需要在橋梁修復(fù)工程中進(jìn)行創(chuàng)造性的思考和技術(shù)革新。新的材料和技術(shù)的不斷發(fā)展，又提供了更有效、更耐久的維修方法。為此，工程界需要新興的、科技含量較高的加固技術(shù)。
近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的碳纖維及其復(fù)合材料工業(yè)處 于高速發(fā)展階段，碳纖維及其復(fù)合材料的力學(xué)性能取得突破性進(jìn)展，生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品成本穩(wěn)中有降。

近年來(lái)，纖維類材料在土木工程中的應(yīng)用一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出來(lái)了多種高科技纖維材料，如玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）就是其中的一種。在所有的這些纖維材料中，碳纖維材料是迄今為止應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域早、技術(shù)成熟，也是用量大的一種高科技材料。隨著碳纖維材料被應(yīng)用于建筑業(yè)，碳纖維布（CFRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)隨之出現(xiàn)。碳纖維的抗拉強(qiáng)度和延伸率不斷提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到7000Mpa以上，延伸率從1.0%左右提高到2.0%左右，高者為2.4%，從而使碳纖維復(fù)合材料可以用于主承力結(jié)構(gòu)。

目前，CFRP在橋梁工程中大量用于加固橋梁，恢復(fù)和提高既有橋梁的承載能力。相對(duì)于粘貼鋼板加固，粘貼CFRP復(fù)合材料加固橋梁具有施工方便、適應(yīng)性好、耐腐蝕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、不必打孔，因而對(duì)原結(jié)構(gòu)不會(huì)造成新的損傷等優(yōu)點(diǎn)。

一、碳纖維布用于加固補(bǔ)強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)

碳纖維布加固法是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹(shù)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(qiáng)被加固結(jié)構(gòu)的抗彎或抗剪能力，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。

與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比，碳纖維布加固法具有很明顯的優(yōu)越性：碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度高于普通鋼材的10倍，極適合于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)；其輕質(zhì)柔軟，適用面廣，施工便捷，尤其是可在不中斷交通時(shí)進(jìn)行加固施工；加固厚度小，可不增加原結(jié)構(gòu)的恒載，特別適用于建筑高度受限制情況下加固補(bǔ)強(qiáng)；同時(shí)還具有良好的耐久性及耐腐蝕性等。

碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)法，始于二十世紀(jì)八十年代美、日等國(guó)家，目前是國(guó)際土木工程領(lǐng)域開(kāi)發(fā)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。我國(guó)是在1997年才正式開(kāi)始對(duì)碳纖維類加固技術(shù)進(jìn)行研究的，并在1998年開(kāi)始了實(shí)際的工程應(yīng)用。

二、碳纖維布加固混凝土構(gòu)件應(yīng)用范圍

目前，用于結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)的碳纖維布（CFRP）材料其形式可分為片材（包括布狀和板狀）、棒材以及格狀材等幾種。此外，還有各種各樣的CFRP型材。片材一般通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘貼于混凝土受拉表面；棒材通常作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋（主筋或箍筋）的材料。近年來(lái)，對(duì)棒狀進(jìn)行張拉后，在混凝土結(jié)構(gòu)的體內(nèi)或體外進(jìn)行預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)式加固法的方法得到了很大的發(fā)展。而CFRP格狀材則是通過(guò)1－2cm厚的聚合物灰漿將其粘結(jié)在既有結(jié)構(gòu)上，或只通過(guò)適當(dāng)?shù)腻^固方法將其固定在既有結(jié)構(gòu)物上進(jìn)行加固。

CFRP布狀片材的形狀有單方向或雙方向編織制品、單方向配列制品及預(yù)浸處理制品等。CFRP片材加固形式是多種多樣的，主要可分為抗彎曲、抗剪切、抗壓縮、抗震加固及劣化防止等。其加固效果可表現(xiàn)為控制裂縫寬度和提高裂縫分散能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、提高結(jié)構(gòu)的延性、耐久性能力及防下落物等。如圖3-25所示，通過(guò)在柱形橋墩表面環(huán)繞粘貼CFRP纖維布，可以提高混凝土橋墩的抗剪切能力和延性；混凝土柱受到環(huán)繞粘貼的CFRP箍束作用，其截面的抗壓強(qiáng)度也有一定提高。在混凝土橋橋面板上下表面粘貼包裹CFRP纖維布，可以降低鋼筋應(yīng)力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗疲勞能力以及對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)損傷和裂紋的部分進(jìn)行加固。在一般建筑物結(jié)構(gòu)中對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)、樓面板甚至磚墻、剪力墻的抗彎、抗剪切加固。另外，在道路和鐵路隧道方面，由于地震載荷和非均勻山地土壓而產(chǎn)生的集中載荷會(huì)造成隧道混凝土內(nèi)壁的縱向裂紋、變形過(guò)大以及局部脫落，從而大大降低了隧道的安全性和使用壽命，通過(guò)在隧道混凝土內(nèi)壁粘貼CFRP纖維布可以增強(qiáng)抗彎性，有效防止已有裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，延長(zhǎng)使用壽命。

三、碳纖維布加固橋梁實(shí)例

1、工程概況

雙鳳橋位于白（沙關(guān)）景（德鎮(zhèn)）公路102公里樁處，該橋原為一半永久性橋梁（修建年代不詳）：上部構(gòu)造為木板橋面；下部結(jié)構(gòu)為漿砌塊石擴(kuò)大基礎(chǔ)配實(shí)體墩臺(tái)（據(jù)調(diào)查基礎(chǔ)放置在巖層上）。1970年將該橋改造成全長(zhǎng)為34.10米的永久性橋梁：將橋墩加設(shè)局部斜撐（挑臂）拓寬；上部結(jié)構(gòu)改為4孔普通鋼筋混凝土工字梁與微彎板組合結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)荷載為汽車—13級(jí)，驗(yàn)算荷載為拖車—60，橋面設(shè)計(jì)凈空為凈-7.25m+2×0.25m安全帶如圖2。

2、橋梁存在的主要病害及產(chǎn)生原因分析

經(jīng)工程技術(shù)人員對(duì)該橋進(jìn)行的較為全面的結(jié)構(gòu)檢查，發(fā)現(xiàn)該橋主要存在以下病害（如表1）。

表1雙鳳橋存在的主要原因

3、工字梁加固提載計(jì)算要點(diǎn)

由于雙鳳橋未查詢到有關(guān)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙及竣工圖紙等資料，對(duì)工字梁內(nèi)部配筋不清楚，因而加固設(shè)計(jì)中從安全角度出發(fā)，僅考慮從汽車—13級(jí)（拖車—60）；提載到汽車—20級(jí)（掛車—100）跨中截面增加的彎矩值來(lái)驗(yàn)算補(bǔ)強(qiáng)鋼筋量。

經(jīng)計(jì)算由汽車—13級(jí)（拖車—60）提載到汽車—20級(jí)（掛車—100）跨中截面增加彎矩值△M=485.08KN，跨中截面慣矩I=0.1201m4，中性軸到下緣距離h1=0.60m，截面高h(yuǎn)=0.83m，根據(jù)正截面強(qiáng)度公式：

上式中：△M——提載前后的彎矩增加量；

rs——鋼筋安全系數(shù)；

Rg——鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

Ag——補(bǔ)強(qiáng)鋼筋面積；

h——截面高度；

x——混凝土受壓區(qū)高度。

綜合有關(guān)情況，本次對(duì)工字梁提載加固決定采用碳纖維布（規(guī)格見(jiàn)表6-3），因而計(jì)算碳纖維布截面面積：

Acf=Ag(Rg/Rcf)=242.3mm2

上式中：Acf——碳纖維布截面積；

Rcf——碳纖維布抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

為了方便碳纖維布的裁剪操作及考慮儲(chǔ)備，考慮每層碳纖維布寬為250mm，粘貼兩層，五片工字梁實(shí)際粘貼碳纖維布截面面積為Acf=250×0.167×2×5=417.5mm2。

4、雙鳳橋靜載試驗(yàn)

（1）靜載試驗(yàn)概述

為能對(duì)碳纖維布在舊橋加固中的使用性能進(jìn)行量化分析，分別對(duì)雙鳳橋加固前、后進(jìn)行了等效靜載試驗(yàn)，且兩次靜載試驗(yàn)采用的加載車輛、荷載等級(jí)及加載位置均相同。由于該橋未查詢到原設(shè)計(jì)圖紙及竣工圖，對(duì)各片主梁的配筋無(wú)法考證，根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》和《公舊橋承載能力鑒定方法》中的有關(guān)規(guī)定確定，加固前后兩次荷載試驗(yàn)的性質(zhì)為輕型荷載試驗(yàn)。

根據(jù)工字梁橋的受力特點(diǎn)，加固前后兩次靜載試驗(yàn)分別測(cè)試了工字梁跨中截面下緣鋼筋應(yīng)力（應(yīng)變）、跨中撓度及裂縫。并按兩種工況進(jìn)行試驗(yàn)：第一工況為兩輛加載車偏載（外側(cè)車輪中心離人行道邊緣50cm）；第二工況為兩輛加載車對(duì)稱中心布載。

（2）靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

加固前后兩次靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表3和表4。

（3）靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

從表3和表4可看出：

１）在工字梁梁底粘貼碳纖維布后，在相同的受力狀況下跨中梁底鋼筋應(yīng)力明顯減小，減幅大達(dá)8.12%，相應(yīng)跨中部位撓度（變形）亦減小，大減小幅度達(dá)9.52%。說(shuō)明粘貼碳纖維布后，工字梁抗彎強(qiáng)度增大。并通過(guò)分析說(shuō)明：雙鳳橋加固后符合汽車－20；掛車－100的荷載使用要求。

２）粘貼碳纖維布后，在試驗(yàn)荷載作用下，原跨中梁底裂縫得到抑制，在相同荷載、相同加載位置作用下，加固后裂縫寬及高度明顯小于加固前，加固后主梁大裂縫寬僅為0.15mm，完全符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定。

３）所測(cè)應(yīng)力（應(yīng)變）、撓度數(shù)據(jù)基本與理論值相符，并呈彈性變化，塑性變形率大為0.08%。

四、結(jié)語(yǔ)

碳纖維布加固法是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，有其優(yōu)點(diǎn)與長(zhǎng)處，但也存在一些不足。我國(guó)引進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的時(shí)間僅幾年，在該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)與工藝等方面尚有許多問(wèn)題需要繼續(xù)深入研究，并通過(guò)大量的實(shí)際應(yīng)用加以檢驗(yàn)和論證，不斷積累經(jīng)驗(yàn)。本課題組在開(kāi)展本項(xiàng)研究和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，歸納了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，供同行們?cè)趯?shí)際應(yīng)用碳纖維布加固法加固改造舊橋時(shí)參考。

１、碳纖維布具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐疲勞、施工便捷等優(yōu)異物理力學(xué)性能，是加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的理想材料。

２、采用碳纖維布粘貼到混凝土結(jié)構(gòu)表面，可對(duì)其進(jìn)行受彎、受剪、剛度和抗震等加固，同時(shí)也可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

３、相對(duì)傳統(tǒng)加固方法而言，采用碳纖維布加固能小程度的改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力。

４、粘貼碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)仍然適用平截面假設(shè)，大量實(shí)驗(yàn)業(yè)已證明平截面假設(shè)在粘貼碳纖維布結(jié)構(gòu)中依然成立。目前關(guān)于碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法主要是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)（例如強(qiáng)度或允許應(yīng)力）近似換算成一定用量的鋼筋，按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進(jìn)行理論分析，雖然是近似方法，但理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好。這種方法在一般情況下是適用的。

５、由于碳纖維材料一般為脆性拉斷破壞，在受彎加固時(shí)應(yīng)采用允許應(yīng)力方法作為碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)應(yīng)考慮碳纖維布與混凝土之間的粘接失效可能引起的剝離脆性破壞的影響。

６、與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相似，影響碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)承載力的因素有很多，包括：碳纖維材料本身的強(qiáng)度、彈性模量；混凝土的強(qiáng)度；碳纖維布與混凝土的粘結(jié)情況等等。

７、加固設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)所要加固結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)有詳細(xì)的了解，因?yàn)楦鞣N參數(shù)對(duì)梁的極限承載力和破壞特征均有很大的影響。

８、粘貼碳纖維布后結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度確定是該加固補(bǔ)強(qiáng)方法基本的要求，據(jù)試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)：粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5%～8%。

９、抗疲勞是衡量結(jié)構(gòu)承載力的一個(gè)重要指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，與普通鋼筋混凝土相比，碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能將會(huì)提高。這主要是由于碳纖維材料本身抗疲性能優(yōu)異。

10、試驗(yàn)表明，用碳纖維布加固鋼筋混凝土梁，對(duì)梁的剛度提高不大，故對(duì)實(shí)際工程中的構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，除保證加固后梁的極限承載力滿足規(guī)范外，對(duì)其剛度也要進(jìn)行驗(yàn)算，以保證其剛度也滿足規(guī)范。

11、由于用碳纖維布加固混凝土梁抗彎承載力時(shí)梁中剪力作用也在變化，抗彎與抗剪加固二者之間確實(shí)存在著相關(guān)關(guān)系，實(shí)際工程加固設(shè)計(jì)中必須考慮這種關(guān)系。因?yàn)槠胀ɑ炷亮旱脑O(shè)計(jì)一般都是“強(qiáng)剪弱彎”，用碳纖維布進(jìn)行抗彎加固而不考慮抗剪的加固，就有可能形成“強(qiáng)彎弱剪”，導(dǎo)致加固失效。因此，在加固設(shè)計(jì)中一定要將抗彎加固與抗剪加固統(tǒng)一考慮，在抗彎加固時(shí)應(yīng)驗(yàn)算抗剪承載力的問(wèn)題。

12、粘結(jié)劑性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到碳纖維布能否發(fā)揮其優(yōu)越的力學(xué)性能、碳纖維布與混凝土之間能否協(xié)調(diào)變形、是否會(huì)出現(xiàn)滑移等協(xié)同工作性能。所以，粘結(jié)材料應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度，以及足夠的韌性。

13、碳纖維布的錨固性能對(duì)加固效果影響很大，為保證加固效果及充分發(fā)揮碳纖維布的強(qiáng)度，在加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取各種措施盡可能地保證碳纖維布的錨固性能。

14、采用碳纖維布加固不能阻止混凝土 汕頭萬(wàn)豐清通隊(duì) 杭州屋頂防水 18675439769的開(kāi)裂，但可使裂縫寬度得到一定的控制，使裂縫的寬度和間距明顯變小，裂縫變細(xì)、變密、變短。在正常使用條件下，裂縫寬度可控制在0.2mm以內(nèi)，從而提高混凝土的耐腐蝕性。

15、碳纖維布用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)，施工顯得特別重要，尤其是直接影響到碳纖維布的破壞形態(tài)。若施工質(zhì)量沒(méi)有保證，則加固效果難以達(dá)到。施工時(shí)要保證碳纖維布的表面干凈；粘貼碳纖維布的梁的表面一定要打磨平整，除去油漬和浮漿；膠要涂刷均勻；粘貼碳纖維布時(shí)要拉緊；碳纖維布要與梁粘貼密實(shí)等等。

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