碳纤维布在桥梁加固中的应用研究与实例

旧桥加固改造工程同其它任何事情一样，有其内在的规律，在做某座桥梁的具体加固设计时都有一定的技巧，都要遵循一定的步骤，同时又极具创造性。所以，我们应通过创造性的工作去尽力解决旧、危桥的加固改造工作。尽管每座桥梁的修复工程具有各自的特点，但存在可进行比较、评价的一般性概念，以决定采用*实用的技术。由于这些特点，总是需要在桥梁修复工程中进行创造性的思考和技术革新。新的材料和技术的不断发展，又提供了更有效、更耐久的维修方法。为此，工程界需要新兴的、科技含量较高的加固技术。

　近年来，纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。随着材料技术的发展，现在已开发出来了多种高科技纤维材料，如玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）就是其中的一种。在所有的这些纤维材料中，碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域*早、技术*成熟，也是用量*大的一种高科技材料。随着碳纤维材料被应用于建筑业，碳纤维布（CFRP）加固混凝土结构新技术随之出现。

　近十几年来，国内外的碳纤维及其复合材料工业处于高速发展阶段，碳纤维及其复合材料的力学性能取得突破性进展，生产技术和生产效率明显提高，产品成本稳中有降。

　近几年来，碳纤维的抗拉强度和延伸率不断提高，抗拉强度达到7000Mpa以上，延伸率从1.0％左右提高到2.0％左右，*高者为2.4％，从而使碳纤维复合材料可以用于主承力结构。

　目前，CFRP在桥梁工程中大量用于加固桥梁，恢复和提高既有桥梁的承载能力。相对于粘贴钢板加固，粘贴CFRP复合材料加固桥梁具有施工方便、适应性好、耐腐蚀、几乎不增加结构自重、不必打孔，因而对原结构不会造成新的损伤等优点。

　一、碳纤维布用于加固补强的技术特点

　碳纤维布加固法是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类胶结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，并与结构形成整体受力体系，增强被加固结构的抗弯或抗剪能力，从而达到对结构补强加固及改善结构受力性能的目的。

　与传统的混凝土结构加固技术相比，碳纤维布加固法具有很明显的优越性：碳纤维材料具有优异的物理力学性能，其抗拉强度高于普通钢材的10倍，极适合于钢筋混凝土结构的加固补强；其轻质柔软，适用面广，施工便捷，尤其是可在不中断交通时进行加固施工；加固厚度小，可不增加原结构的恒载，特别适用于建筑高度受限制情况下加固补强；同时还具有良好的耐久性及耐腐蚀性等。

　碳纤维布加固补强法，始于二十世纪八十年代美、日等国家，目前是国际土木工程领域开发研究的一个热点。我国是在1997年才正式开始对碳纤维类加固技术进行研究的，并在1998年开始了实际的工程应用。

　二、碳纤维布加固混凝土构件应用范围

　目前，用于结构加固增强的碳纤维布（CFRP）材料其形式可分为片材（包括布状和板状）、棒材以及格状材等几种。此外，还有各种各样的CFRP型材。片材一般通过环氧树脂粘贴于混凝土受拉表面；棒材通常作为代替传统钢筋（主筋或箍筋）的材料。近年来，对棒状进行张拉后，在混凝土结构的体内或体外进行预应力增强式加固法的方法得到了很大的发展。而CFRP格状材则是通过1－2cm厚的聚合物灰浆将其粘结在既有结构上，或只通过适当的锚固方法将其固定在既有结构物上进行加固。

　CFRP布状片材的形状有单方向或双方向编织制品、单方向配列制品及预浸处理制品等。CFRP片材加固形式是多种多样的，主要可分为抗弯曲、抗剪切、抗压缩、抗震加固及劣化防止等。其加固效果可表现为控制裂缝宽度和提高裂缝分散能力，增强结构刚度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗疲劳强度、提高结构的延性、耐久性能力及防下落物等。如图3-25所示，通过在柱形桥墩表面环绕粘贴CFRP纤维布，可以提高混凝土桥墩的抗剪切能力和延性；混凝土柱受到环绕粘贴的CFRP箍束作用，其截面的抗压强度也有一定提高。在混凝土桥桥面板上下表面粘贴包裹CFRP纤维布，可以降低钢筋应力、增强结构抗疲劳能力以及对已经出现损伤和裂纹的部分进行加固。在一般建筑物结构中对混凝土框架结构、楼面板甚至砖墙、剪力墙的抗弯、抗剪切加固。另外，在道路和铁路隧道方面，由于地震载荷和非均匀山地土压而产生的集中载荷会造成隧道混凝土内壁的纵向裂纹、变形过大以及局部脱落，从而大大降低了隧道的安全性和使用寿命，通过在隧道混凝土内壁粘贴CFRP纤维布可以增强抗弯性，有效防止已有裂纹的进一步扩展，延长使用寿命。

　三、碳纤维布加固桥梁实例

　1、工程概况

　双凤桥位于白（沙关）景（德镇）公路102公里桩处，该桥原为一半**性桥梁（修建年代不详）：上部构造为木板桥面；下部结构为浆砌块石扩大基础配实体墩台（据调查基础放置在岩层上）。1970年将该桥改造成全长为34.10米的**性桥梁：将桥墩加设局部斜撑（挑臂）拓宽；上部结构改为4孔普通钢筋混凝土工字梁与微弯板组合结构。设计荷载为汽车—13级，验算荷载为拖车—60，桥面设计净空为净-7.25m+2×0.25m安全带如图2。




　2、桥梁存在的主要病害及产生原因分析

　经工程技术人员对该桥进行的较为全面的结构检查，发现该桥主要存在以下病害（如表1）。




　表1双凤桥存在的主要原因

　3、工字梁加固提载计算要点

　由于双凤桥未查询到有关详细设计图纸及竣工图纸等资料，对工字梁内部配筋不清楚，因而加固设计中从安全角度出发，仅考虑从汽车—13级（拖车—60）；提载到汽车—20级（挂车—100）跨中截面增加的弯矩值来验算补强钢筋量。

　经计算由汽车—13级（拖车—60）提载到汽车—20级（挂车—100）跨中截面增加弯矩值△M=485.08KN，跨中截面惯矩I=0.1201m4，中性轴到下缘距离h1=0.60m，截面高h=0.83M，根据正截面强度公式：

　上式中：△M——提载前后的弯矩增加量；

　rs——钢筋安全系数；

　Rg——钢筋抗拉设计强度；

　Ag——补强钢筋面积；

　h——截面高度；

　x——混凝土受压区高度。

　综合有关情况，本次对工字梁提载加固决定采用碳纤维布（规格见表6-3），因而计算碳纤维布截面面积：

　Acf=Ag(Rg/Rcf)=242.3Mm2

　上式中：Acf——碳纤维布截面积；

　Rcf——碳纤维布抗拉设计强度。




　为了方便碳纤维布的裁剪操作及考虑储备，考虑每层碳纤维布宽为250mm，粘贴两层，五片工字梁实际粘贴碳纤维布截面面积为Acf=250×0.167×2×5=417.5mm2。




　4、双凤桥静载试验

　（1）静载试验概述

　为能对碳纤维布在旧桥加固中的使用性能进行量化分析，分别对双凤桥加固前、后进行了等效静载试验，且两次静载试验采用的加载车辆、荷载等级及加载位置均相同。由于该桥未查询到原设计图纸及竣工图，对各片主梁的配筋无法考证，根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》和《公旧桥承载能力鉴定方法》中的有关规定确定，加固前后两次荷载试验的性质为轻型荷载试验。

　根据工字梁桥的受力特点，加固前后两次静载试验分别测试了工字梁跨中截面下缘钢筋应力（应变）、跨中挠度及裂缝。并按两种工况进行试验：*一工况为两辆加载车偏载（*外侧车轮中心离人行道边缘50cm）；第二工况为两辆加载车对称中心布载。

　（2）静载试验数据整理

　加固前后两次静载试验数据整理见表3和表4。

　（3）静载试验数据分析及结论



　从表3和表4可看出：

　１）在工字梁梁底粘贴碳纤维布后，在相同的受力状况下跨中梁底钢筋应力明显减小，减幅*大达8.12％，相应跨中部位挠度（变形）亦减小，*大减小幅度达9.52％。说明粘贴碳纤维布后，工字梁抗弯强度增大。并通过分析说明：双凤桥加固后符合汽车－20；挂车－100的荷载使用要求。

　２）粘贴碳纤维布后，在试验荷载作用下，原跨中梁底裂缝得到抑制，在相同荷载、相同加载位置作用下，加固后裂缝宽及高度明显小于加固前，加固后主梁*大裂缝宽仅为0.15mm，完全符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的有关规定。

　３）所测应力（应变）、挠度数据基本与理论值相符，并呈弹性变化，塑性变形率*大为0.08％。

　四、结语

　碳纤维布加固法是一种新型的结构加固技术，有其优点与长处，但也存在一些不足。我国引进和实际应用该项技术的时间仅几年，在该项技术的设计原理、设计方法和施工技术与工艺等方面尚有许多问题需要继续深入研究，并通过大量的实际应用加以检验和论证，不断积累经验。本课题组在开展本项研究和实际应用过程中，归纳了以下几点经验，供同行们在实际应用碳纤维布加固法加固改造旧桥时参考。

　１、碳纤维布具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳、施工便捷等优异物理力学性能，是加固补强混凝土结构的理想材料。

　２、采用碳纤维布粘贴到混凝土结构表面，可对其进行受弯、受剪、刚度和抗震等加固，同时也可以提高混凝土结构的耐久性。

　３、相对传统加固方法而言，采用碳纤维布加固能*小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。

　４、粘贴碳纤维布加固补强后的结构计算时仍然适用平截面假设，大量实验业已证明平截面假设在粘贴碳纤维布结构中依然成立。目前关于碳纤维布加固混凝土结构的计算方法主要是将碳纤维布按照一定的标准（例如强度或允许应力）近似换算成一定用量的钢筋，按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析，虽然是近似方法，但理论分析结果与实验数据吻合得较好。这种方法在一般情况下是适用的。

　５、由于碳纤维材料一般为脆性拉断破坏，在受弯加固时应采用允许应力方法作为碳纤维布加固混凝土结构的设计方法，同时应考虑碳纤维布与混凝土之间的粘接失效可能引起的剥离脆性破坏的影响。

　６、与钢筋混凝土结构相似，影响碳纤维布加固混凝土结构承载力的因素有很多，包括：碳纤维材料本身的强度、弹性模量；混凝土的强度；碳纤维布与混凝土的粘结情况等等。

　７、加固设计时，必须对所要加固结构的各种参数有详细的了解，因为各种参数对梁的极限承载力和破坏特征均有很大的影响。

　８、粘贴碳纤维布后结构的抗弯强度确定是该加固补强方法*基本的要求，据试验研究统计：粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5％～8％。

　９、抗疲劳是衡量结构承载力的一个重要指标，实验研究结果表明，与普通钢筋混凝土相比，碳纤维布加固混凝土结构的抗疲劳性能将会提高。这主要是由于碳纤维材料本身抗疲性能优异。

　10、试验表明，用碳纤维布加固钢筋混凝土梁，对梁的刚度提高不大，故对实际工程中的构件进行加固设计时，除保证加固后梁的极限承载力满足规范外，对其刚度也要进行验算，以保证其刚度也满足规范。

　11、由于用碳纤维布加固混凝土梁抗弯承载力时梁中剪力作用也在变化，抗弯与抗剪加固二者之间确实存在着相关关系，实际工程加固设计中必须考虑这种关系。因为普通混凝土梁的设计一般都是“强剪弱弯”，用碳纤维布进行抗弯加固而不考虑抗剪的加固，就有可能形成“强弯弱剪”，导致加固失效。因此，在加固设计中一定要将抗弯加固与抗剪加固统一考虑，在抗弯加固时应验算抗剪承载力的问题。

　12、粘结剂性能的优劣直接关系到碳纤维布能否发挥其优越的力学性能、碳纤维布与混凝土之间能否协调变形、是否会出现滑移等协同工作性能。所以，粘结材料应有足够的刚度和强度，以及足够的韧性。

　13、碳纤维布的锚固性能对加固效果影响很大，为保证加固效果及充分发挥碳纤维布的强度，在加固设计时，应采取各种措施尽可能地保证碳纤维布的锚固性能。

　14、采用碳纤维布加固不能阻止混凝土的开裂，但可使裂缝宽度得到一定的控制，使裂缝的宽度和间距明显变小，裂缝变细、变密、变短。在正常使用条件下，裂缝宽度可控制在0.2mm以内，从而提高混凝土的耐腐蚀性。

　15、碳纤维布用于结构加固时，施工显得特别重要，尤其是直接影响到碳纤维布的破坏形态。若施工质量没有保证，则加固效果难以达到。施工时要保证碳纤维布的表面干净；粘贴碳纤维布的梁的表面一定要打磨平整，除去油渍和浮浆；胶要涂刷均匀；粘贴碳纤维布时要拉紧；碳纤维布要与梁粘贴密实等等。
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