碳纖維加固技術(shù)在橋梁補強工程中的應用

1、碳纖維加固技術(shù)在橋梁補強工程中的應用1 引言運用碳纖維織物對混凝土結(jié)構(gòu)進行補強，是近年來在發(fā)達國家運用的非常普遍的一門新技術(shù)。在美國、日本，上世紀80 年代初就進行了這方面的試驗研究，特別是日本，從規(guī)范的制定到工程的廣泛應用，使碳纖維加固技術(shù)已經(jīng)變得相當成熟。我國于上世紀90年代末開始碳纖維加固技術(shù)的試驗研究，并在近23年內(nèi)在房屋建筑中有了一定數(shù)量的工程實踐，但是在橋梁工程中應用極為有限，目前全國僅有區(qū)區(qū)數(shù)例。本次對市二環(huán)路上立交橋梁的蓋梁運用碳纖維加固，在地區(qū)還是首次，加固的碳纖維面積近400 nf,目前國內(nèi)還未見類似橋梁加固工程的報道。2 加固工程概況及加固方案的比選2.1 加固工程概況本

2、立交位于市二環(huán)，為互通式立交。建成于1997 年。上部結(jié)構(gòu)為預應力混凝土 T 梁，中央隔離帶內(nèi)外側(cè)分別為機動車道及非機動車道，對應的荷載標準分別為汽車-超 20 級、掛車 -120 和汽車-15、掛車-80。二環(huán)路成為城市快速路以后，需將原非機動車道改建為機動車道，并增建新的非機動車道。2.2 加固方案的比選由于改建后的原非動車道需提高荷載標準，非機動車道T 梁必須直接更換。上部結(jié)構(gòu)改建后荷載增加了，原蓋梁已不能滿足使用要求，也需進行相應的改造。原各中墩蓋梁為兩跨外加懸臂的變截面普通鋼筋混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)。由于蓋梁在機動車道及非機動車道隔離帶處沒有斷開，如何改建成了一道難題。擬考慮了以下幾種方法：

3、拆除重建。但因蓋梁起承上啟下的作用，必須首先中斷半幅路的交通。先拆除橋面鋪裝，再拆除主梁間的現(xiàn)澆段，吊走主梁，最后拆除蓋梁。但原機 動車道的鋪裝層及主梁間的現(xiàn)澆段在拆除過程中全部報廢，蓋梁也全部報廢。 施工周期長，工程費用過大且造成一定程度上無法避免的浪費。對于車流量極 大的二環(huán)路而言，中斷一半的交通也有很大的困難。將蓋梁及墩柱之間用膨脹混凝土完全澆筑起來，形成一個連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。本方法雖然簡便易行，也很經(jīng)濟，但效果難于預料。主要是新舊混凝土界面的 粘結(jié)強度不高，混凝土的膨脹率不好控制，真實的受力狀況很難與實際情況相 符，形成連續(xù)墻后，各跨間視覺效果很差，也影響自然采光，并且增加了基礎(chǔ) 的恒載重量

4、。噴射鋼纖維混凝土和外包鋼板。但主梁梁端在跨間處距蓋梁外側(cè)面僅有 5 cm距離，施工空間難以保證。采用新型的碳纖維得復合材料進行補強加固。主要利用它極強的抗拉強度（是普通II級鋼筋抗拉強度的10倍以上），其彈模也與鋼材相當。其自重輕， 對原結(jié)構(gòu)的厚度增加很小，加固后的表面可進行各種裝飾噴涂。施工時不需要 特殊設(shè)備及大型機械設(shè)備，不需中斷交通。不需大的施工空間，施工周期短。費用比用鋼材加固稍高。經(jīng)過以上各方案的比選，最終選用碳纖維材料進行蓋梁加固。3碳纖維的各項力學指標及耐久性3.1 力學指標日本、美國的一些碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在國內(nèi)有很多代理，他們的產(chǎn)品質(zhì)量不 錯，并且對施工進行技術(shù)指導。從已完成加

5、固的工程量來看，很多項目均采用 直接引進成品碳纖維，但費用較高。本次加固采用的碳纖維是從日本引進的原料絲，在國內(nèi)進行編織生產(chǎn)，大大降低了費用。其各項性能指標已基本達到國外同類產(chǎn)品的水平，可以滿足工程的需要。其各項指標如下：碳纖維布性能CFC-20CFC-25CFC-30質(zhì)量（g/ Irf）200+ 10250+ 10300+ 10拉伸強度（MPa）373039304050拉伸模量（GPa）235235235拉剪強度（MPa）11.4011.4011.40粘結(jié)強度（MPa）2.562.562.56根據(jù)對現(xiàn)況蓋梁的受力計算，以及碳纖維布的力學性能及能夠有效粘結(jié)的最大層數(shù)，最終碳纖維布選用 CFC-

6、30型。配合用樹脂力學性能本橋梁加固施工必須在6月-7月上旬完成，橋梁結(jié)構(gòu)溫度具有受季節(jié)及天 氣影響大的特點，各種配合碳纖維用的樹脂粘貼劑必須滿足此時的施工環(huán)境溫 度。為此，特意選用了適用于春夏季配方的三種粘貼劑，其施工溫度為10c20C,固化溫度為常溫。主要力學性能見下表：表面樹脂SE修平小隊旨RE浸漬樹脂IE拉伸強度（MPa）/57.5彎曲強度（MPa）/93.1壓縮強度（MPa）/7685.1拉剪強度（MPa）/14.315.5粘結(jié)強度（MPa）2.22.1/3.2耐久性橋梁結(jié)構(gòu)長期暴露在室外，平時有風霜雪雨的作用，以及陽光的直接曝曬 冬夏季溫差大。大氣中的二氧化硫含量高，冬季除冰鹽的使

7、用會增加結(jié)構(gòu)物中 氯離子的含量，因此，碳纖維材料在橋梁工程中的使用相對于民用建筑而言， 提出了更高的要求。針對本橋應該滿足的耐久性要求，我們在選擇碳纖維布時 嚴格要求其各項耐久性指標，主要有：暴露于戶外的耐候性 抗紫外線性能多年加速暴露實驗證實，碳纖維的強度和粘著性能在相當于50年時間內(nèi)不發(fā)生劣化。通過紅外線分光實驗，確認內(nèi)部環(huán)氧樹脂完好無損。 耐熱、耐寒性復合材料在-54 C、23 C、82c強度不降低?；炷裂a強試件從 -20 C至 50c , 3小時內(nèi)10次循環(huán)浸漬，抗彎曲強度不降低。耐水性70c浸漬30天，抗拉強度、搭接強度不降低。耐化學腐蝕性 耐鹽水腐蝕性能復合材料在35c鹽水下，浸

8、泡1年，強度不降低。 耐酸性在10%硫酸浸漬3個月后，纖維片、復合材料混凝土補強試件強度都不 降低。 耐堿性復合材料在40c氫氧化鈣飽和鹽水中浸泡300個小時后，強度不降低。4碳纖維的施工工序由于碳纖維布彈模與鋼筋相近，故在施工時應盡量給蓋梁卸載，來減少蓋梁 中的鋼筋及混凝土的變形，確保加固后的蓋梁鋼筋受到的拉應力能部分傳遞給 碳纖維，達到兩者能同步協(xié)調(diào)工作，在最大荷載作用下，同時進入承載能力極 限狀況。在恒載及活載的作用下，蓋梁中的鋼筋及混凝土存在應力。由于現(xiàn)蓋梁的 上部結(jié)構(gòu)只能部分拆除，也就是部分消除了恒載的作用。除恒載外，橋梁結(jié)構(gòu) 還承受車輛的活載作用，而車流量具有波動性。在夜間，車流量

9、很小，對交通 的影響也小，故我們選擇在夜間禁止大噸位車輛通行及限制交通量的方式來降 低活載對蓋梁的作用力，同時，在此季節(jié)白天溫度較高，夜間溫度一般在10> 20C,非常適合粘貼劑的施工。施工工序如下：去除待加固部位的混凝土表面風化層，并鑿毛，露出新茬。施工面總體 上要平整，并保持干凈。將界面樹脂均勻涂刷在施工面上，不可有遺漏。待其不粘手時，用修平 樹脂找平施工面。要求施工基面平整。待修平樹脂不粘手時，在施工基面上均勻涂刷浸漬樹脂，其厚度為3 mm- 5 mm,要求一定將樹脂全部蓋住施工基面。將碳纖維布拉緊展平，并鋪在涂有浸漬樹脂的基面上，然后用根子滾壓， 排除布與樹脂間的空氣，并使浸漬樹

10、脂完全浸透碳纖維布。若發(fā)現(xiàn)有空氣，應 采取措施排除空氣。要求滾壓之后的碳纖維布要平直，同時布與樹脂間無氣泡。再涂一層浸漬樹脂在碳纖維布上，并均勻蓋住。其厚度一般為1mm2加 要求在確認碳纖維布與樹脂之間無空氣后，方可涂刷。養(yǎng)護7天后，表面涂刷具有抗老化及耐腐蝕性能的防護層。最后做表面裝飾層，使之與周圍的混凝土相一致。加固位置見下頁圖1:5施工監(jiān)測工程加固于2000年7月完成，施工后碳纖維布與蓋梁表面粘結(jié)良好，取得 了預期設(shè)計的效果。為了了解加固后的運行狀況，我們一直對其進行跟蹤監(jiān)測，包括加固部位周邊混凝土表面裂縫的觀測。碳纖維表面防護層的顏色、密封性能、平整度的變化以及蓋梁的撓度值等。通過近 1年半的觀測，數(shù)據(jù)分析結(jié)果 表明所有的變化值均在設(shè)計許可的范圍之內(nèi)。6結(jié)語本補強方案直接為工程節(jié)約 2000多萬元，至于施工周期短、無施工機械設(shè)備、對交通影響小等優(yōu)點而創(chuàng)造的間接效益更是無法計算。通過本次近 400 m2 的碳纖維布在蓋梁補強中的成功應用，以及我們后來在盧溝新橋拱柱加固工程 中的再次成功應用，表明該項技術(shù)在橋梁工程中是切實可行的，并有極為廣闊 的應用前景。由于國家尚無碳纖維橋梁加固技術(shù)的規(guī)程或規(guī)范，限制了該項技 術(shù)的進一步發(fā)展，希望能盡快制定相應的技術(shù)標準，為橋梁的碳纖維加固技術(shù) 提供更多、更好的技術(shù)保障。圖1立即圖糠阡雄補演3600 八1 莉現(xiàn)況橋