碳纤维加固钢筋混凝土桥梁关键设计及施工浅谈

孙海军1    潘欣欣2

摘要：随着我国桥梁事业的不断发展，进一步加强对桥梁的养护维修、加固及技术改造的研究及其工程应用有其重要意义。论文重点探讨了碳纤维加固桥梁的关键设计，并对加固的施工质量控制进行了探讨，旨在碳纤维加固技术在桥梁工程中的推广应用积累了宝贵的经验。
关键词：桥梁加固   碳纤维  施工

桥梁加固是指对有缺陷的桥梁构件进行补强，改善结构性能，恢复和提高桥梁结构的安全度，提高其承载能力、通行能力，以延长桥梁的使用寿命， 对原有桥梁进行加固补强、改造翻新，最大程度利用现有资源，保证其使用安全，延长其使用寿命是当今国际工程界关注的重大课题之一。目前我国已有一定数量的桥梁发生老化，危桥逐年增多，旧桥加固己成为桥梁设计、研究、管理部门的当务之急。
1桥梁加固的新方法－碳纤维加固法
首先，现有主要加固技术有如下几种，详见表1
表1 常见的桥梁加固技术的对比
序号 加固方法 适用范围 施工特点 加固效果
1 体外预应力 抗弯、抗拉、抗剪，适用
于大跨度或重型结构的
加固 工序多、工艺复杂、
施工困难、施工周期
长、施工风险大。 效果直接、显著，
并大幅度提高结
构整体的承载.
2 加大截面加固 适用较小跨径的T型梁
桥或板桥的加固。 工艺简单，适应性强，
作业时间长，净空减
小，自重增大。 刚度及承载力效
果明显。
3 粘贴钢板 抗弯、抗剪、抗拉，适用
承受静力作用，且处于受
正常湿度受弯、受拉构件 工序多、施工简单、
施工周期较短 效果取决于胶粘
工艺及操作水平
4 粘贴碳纤维布 抗拉、抗弯、抗压 工序少、施工简单、
施工周期短 结构有变形后才
能发挥作用
碳纤维又称增强复合材料，是60年代以来随着航天工业等尖端技术对复合材料的苛刻要求而发展起来的新材料，具有耐腐蚀、高强、弹性模量与钢相近和抗疲劳性能好等优点，90年代在国际上对碳纤维材料怎样应用于土建工程中进行了广泛和系统的研究，尤其在桥梁、隧道和房建加固工程中首先得到了广泛采用。采用碳纤维布粘贴加固，一般是粘贴在梁底受拉区，以提高截面的抗弯承载力，这时碳纤维布的作用类似于梁底受拉钢筋。碳纤维布和混凝土梁通过粘结层传递剪应力(锚固剪应力)和粘结正应力(剥离正应力)，以达到共同工作的目的。
将碳纤维材料用于桥梁加固，其主要特点如下: (1)比强度和比刚度高:轻质高强，采用碳纤维材料材料可以减轻结构自重，碳纤维T300/环氧5208的比强度是铝材的6.3倍，比刚度是铝材的4.16倍;(2)耐腐蚀性良好:FRP材料可以在酸碱氯盐和潮湿环境中长期使用，这是传统金属材料难以比拟的;(3)弹性性能好:应力应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复，这一特点在加固领域非常重要;(4)减振性能好:复合材料自振频率高，可避免早期共振，同时其内摩擦很大，一旦激起振动，也很快衰减;(5)疲劳性能好:一般金属的疲劳强度为拉伸强度的40%～50%，而某些复合材料的疲劳强度可达到其拉伸强度的70%～80%。施工方便，加固费用低、不减少桥下净空，加固施工不影响交通; (6)其它优点，良好耐热性能、透电磁波等。
2碳纤维加固钢筋混凝土桥梁设计要点
1）采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应通过配套的改性环氧树脂胶粘剂将碳纤维片材粘贴于构件表面，使碳纤维片材承受拉力，并与混凝土变形协调，共同受力。2）碳纤维片材可采用下列方式对混凝土结构构件进行加固:在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固，纤维方向应与加固部位的受拉方向一致。采用环形箍或U形箍对梁、柱构件进行受剪加固，纤维方向宜与构件轴向垂直。采用环向围束粘贴对柱进行抗震加固，纤维方向应与柱轴向垂直。3）采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应按极限状态设计法进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算。钢筋和混凝土材料宜根据检测得到的实际强度，按国家现行有关标准确定其相应的材料强度设计指标。碳纤维片材应根据构件达到极限状态时的应变，按线弹性应力应变关系确定其相应的应力。4）加固设计时，应采取措施使原结构、构件不致因碳纤维片材加固部位意外失效而导致坍塌。5）碳纤维片材不能设计为承受压力，但在反复荷载下碳纤维片材在经受一定的压力作用后，仍可承受拉力。6）碳纤维片材应采用配套树脂类粘结材料粘贴于构件表面，在构件受力过程中应与构件保持变形协调。应采取措施保证不发生因粘贴面过早剥离而导致加固效果显著降低。
3碳纤维加固钢筋混凝土桥梁施工技术要点
1）混凝土破损区域的清理。对混凝土出现的蜂窝麻面、松散、孔洞、破碎、剥落等缺陷的部位以及钢筋外露区域，可采用人工凿除法、气动工具凿除法或高速射水法将该处松散、破损、污损的混凝土清除干净，直至露出坚硬密实的基面，同时应注意保证该部位无油污、油脂、蜡状物、灰尘以及附着物等物质。2）钢筋锈蚀区域的清理。在混凝土表面破损清理完毕后进行;用钢刷清除钢筋表面的浮锈，使之露出光洁部分; 对经探查确定的钢筋锈蚀区域，应清除掉混凝土表面的油污、油脂、蜡状物等有机污物;3）钢筋防锈、阻锈的清理。对外露的钢筋涂刷钢筋保护剂，钢筋保护剂的选用应满足设计提出的材料特性要求，涂刷时满足施工规范要求;对钢筋锈蚀区域采用多功能阻锈剂(表面涂刷型)处理，可滚刷或喷涂于结构表面，选用材料应满足施工规范要求; 根据所选用材料的物理化学性能指标选择合适的施工条件进行施工。4）混凝土破损修补处理。在混凝土破损区域清理完成以及钢筋除锈、阻锈处理工作完毕后进行;按照桥梁维修养护相关规定及要求，采用与结构混凝土标号相当的环氧修补砂浆对破损区域进行修补，要求修补后结构平整密实;所用环氧砂浆应具有较低的膨胀系数、收缩率和放热温度，并且还应具有较高的粘结力、硬度及抗冲击性能，环氧砂浆的配合比根据试验确定;修补区域如处于潮湿状态，应采取相应措施使修补位置保持千燥，或选用能在潮湿状态下施工的材料，确保修补质量;应根据材料物理化学性质、修补厚度以及气候条件等因素作好养护工作。5）裂缝处理。对结构上、下部存在的所有裂缝进行处理，对于裂缝宽度fw<0.15mm且裂缝深度较浅的细小裂缝可采用树脂封闭胶进行涂刷封闭处理，对于裂缝宽度0.15mm≤fw≤0.5mm的裂缝采用裂缝灌注胶或专用环氧树脂浆液进行灌注处理;对于fw大于0.5mm的裂缝进行凿槽嵌补处理。裂缝灌注方法采用压力灌注法进行施工，采用其它材料及技术时，应得到设计人员及施工监理的批准。6）钻孔植筋。对照原施工图和竣工图，掌握该部分的受力主钢筋和结构钢筋的分布情况，精确量出需植筋的具体位置，并尽量与受力主钢筋、结构钢筋错开布置，必要时采用钢筋定位仪测量原有钢筋位置，确保钻孔不会损伤原桥主筋。植筋孔位与设计位置最大偏移不大于5cm; 将已制作好的植筋材料运至现场，逐根检查钢筋或螺栓有无油污、锈蚀以及植筋的一端是否有弯头等，同时保证钢筋的搭接长度大于35d，保证螺栓的预留长度。7）结构表面防护处理。施工应在混凝土破损修补以及裂缝处理完成后进行;可喷射或用滚筒装置施工，但产品粘稠度较小，因此建议用刷子刷或直接用布抹，且要节约使用;在正常的气候条件下，干燥时间大约为2小时，选择天气好且湿度小的条件施工，绝对不能在雨天施工，必须保证涂层获得充分的干燥;使用了石油溶剂油或洗涤液的工具要进行清洗。
4结语
总之，论文重点探讨了碳纤维加固结构的设计理论和有效的构造措施，并对施工过程中应该注意的问题提出个人意见，仅供参考。
参考文献：
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