橋梁工程加固中碳纖維片材的應用探討
1. 前言
隨著國家經濟、科技的不斷發展，人們對橋梁的要求也不再只停留在滿足使用的層次上，人們追求的橋要在結構上符合力學要求，外觀上符合美學需求。于是，新型橋、大型橋一座接著一座“面世”，其結構、外觀也與世界領先水平接軌。在這種情況下我們是拆除所有舊橋去建新橋，還是積極的應對橋梁“老齡化”的挑戰呢？答案明顯是后者！于是橋梁加固技術越來越受關注。橋梁結構加固技術主要有：（1）增大構件截面加固法；（2）增加輔助構件，如增加混凝土構件、增加體外預應力等；（3）粘貼補強材料，如粘貼鋼板、粘貼碳纖維片材等。本文只詳述粘貼碳纖維片材的加固方法。
2. 材料特點及適用條件
碳纖維（CFRP）片材具有輕質高強、易于粘貼、不銹蝕等優點，其中碳纖維布抗拉強度可達普通鋼材的十倍以上。CFRP片材可用于抗彎、抗剪、抗壓（偏心受壓）及抗震等多種形式的加固。該方法適用于混凝土梁式橋、板式橋的抗彎和抗剪加固。對于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴重的舊橋，加固效果尤為顯著；還適用于混凝土墩柱的抗剪、抗壓補強，抗震延性補強以及地震破壞后的修復等。相信在四川的災后修復加固會有廣泛的應用。
3. 加固類型
?。?）抗彎加固：抗彎加固通常是在構件受拉面粘貼CFRP片材，當條件不允許時也可以在構件的側面粘貼。粘貼時，纖維方向應與加固部位的受拉方向一致。通常在CFRP片材端部設置錨固措施，如U形CFRP壓條等。
?。?）抗剪加固：抗剪加固中CFRP片材的粘貼形式有多種，從纖維粘貼的方向來看，可垂直構件軸線或與構件成某一傾角，實際工程中通常取CFRP片材纖維方向與構件軸線垂直；從橫截面包裹方式上看，通常有封閉包裹粘貼、U形粘貼、雙L形粘貼和側面粘貼等；從縱向粘貼方式來看。CFRP片材可裁剪成條帶間隔地粘貼，也可以整片地連續粘貼。此外，對于U形、L形及側面粘貼，還可在端部加CFRP片材壓條進行錨固。
?。?）抗震加固：采用環向圍束粘貼對柱進行受剪加固，纖維方向應與柱軸向垂直。
4. 設計及計算
4.1設計原則。
4.1.1混凝土橋梁結構自重大，加固時不能完全卸載，必須考慮二次受力。
4.1.2承載力極限狀態的驗算中要考慮到可能發生的各種破壞形態。通常將破壞模式分為兩大類，即粘貼CFRP片材后能整體工作的構件與粘貼CFRP片材后不能整體工作的構件，如CFRP片材脫落等。
4.1.3正常使用極限狀態的驗算包括：（1）應力的限制（2）應變的限制（3）開裂的限制。
4.1.4由實驗室條件下得到的經驗公式必須有科學的修正安全系數對這些公式進行修正。
4.2抗彎加固設計及計算。
4.2.1基本假定。
5. 工程實例
5.1工程概況。
該橋全長176m，分新橋和舊橋。上游橋的舊橋建于上世紀80年代初，全寬7.6m，有11跨，每跨由5片16m的T梁組成。下游橋的舊橋建于上世紀90年代初，全寬9.03m，分跨同上游橋，每跨有6片16m的T梁。而新橋建于2007年，分布在舊橋兩邊。此次修復加固只在舊橋中進行。舊橋原設計荷載為汽-20級，主梁的承載能力只能維持城-B的荷載要求，而下部結構和基礎的承載能力能滿足城-A級荷載要求。
5.2存在的要主要問題。
由于蕉門橋位于交通主干道上，經過多年的使用，出現不同程度的破損。抽檢的上部結構混凝土強度推定值為31.8MPa～48.3MPa，碳化深度為2.3mm～5.3mm。多個測區的強度標準差大于5.0MPa，表明混凝土強度值離散性偏大；混凝土強度最小值為32.1MPa，測區內混凝土強度平均值的最小值為37.7MPa。該橋測試跨在基本試驗荷載下，部分指標不滿足《試驗方法》和《橋規》的要求，實測值與理論值相差較大，表明結構的工作狀態較差，主梁最大裂縫達0.40mm，超過規范容許值的100%。因此該橋部分橋跨在整體受力性能上不能滿足設計和使用要求。
5.3加固設計方案及相關計算。
5.3.1對舊橋病害進行修復，主要加固內容如下：
?。?）橋梁結構表面病害處理：裂縫修補，露筋除銹，破損修補，梁體麻面修復；
?。?）對T梁梁體進行結構加固：粘貼碳纖維布和碳纖維板，張拉體外預應力；
?。?）附屬部件修復；
5.3.2加固計算。
5.4粘貼碳纖維布加固。
5.4.1施工工藝。
A.混凝土表面清洗，破損部位修復。
B.首先清除被加固構件表面的剝落、疏松、碳化等劣化混凝土，露出混凝土結構層，并用修復材料（環氧膠泥）將表面修復平整。
C.對裂縫進行灌縫處理。此處采用壓灌改性環氧樹脂溶液來對裂縫進行修復。
D.被粘貼混凝土表面用打磨機打磨平整，除去表層浮漿、油漬等雜質，直至完全露出混凝土結構新面。轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。
E.最后將混凝土表面清理干凈并保持干燥。
5.4.2表面處理及磨平：
在混凝土表面清洗完后，如有不平處就進行找平處理。找平材料（環氧膠泥，也可用M20水泥砂漿）干燥后還要再次進行打磨工作。因此，這個步驟并不是上步的重復。梁體表面平整工作是相當關鍵的，因為碳纖維布只在纖維方向抗拉能力強，而受折時就很脆弱。因而，若梁體表面不平整，就會使碳布的個別部位應力集中。輕則導致受力不均，重則致使碳纖維布破損，從而大大降底承載能力。 5.4.3涂刷底膠：
底膠并不是用來使碳布和梁體粘結的膠，是為了使碳布和梁體能更好的粘結而刷的。等底膠指觸干燥后還要刷結構膠，或稱浸漬膠粘劑。所以說在這里要涂兩層膠，且理論上兩層膠是要按廠家提供的工藝分開配制。涂刷底膠時要均勻涂抹，不得漏刷、流淌或有氣泡產生。
5.4.4粘貼碳纖維布：
這一步是關鍵，粘貼質量直接影響加固質量。所以要嚴格按照規范操作。
?。?）按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。
?。?）按生產廠家提供的工藝條件配制結構膠粘劑，并均勻涂抹于待粘貼部位。
?。?）將碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使膠液充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。
?。?）多層粘貼時重復上述步驟，并應在纖維表面的結構膠粘劑指觸干燥時立即進行下一層粘貼。
?。?）在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹結構膠粘劑。
5.4.5粘貼碳纖維板：
?。?）按設計要求的尺寸裁剪碳纖維板，并按生產廠家提供的工藝條件配制結構膠粘劑。
?。?）將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵。粘貼兩層時，底層碳纖維板的兩面均須擦拭干凈。
?。?）擦拭干凈后立即涂刷結構膠粘劑，膠層中央應呈拱起狀，平均厚度不小于2mm。
?。?）將涂有膠液的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩壓實，使膠液從兩邊擠出，保證密實無空洞。當平行粘貼多條碳纖維板時，兩條板帶之間的空隙不應小于5mm
?。?）粘貼兩層碳纖維板時，理論上要連續粘貼。當不能立即粘貼時，再開始粘貼前要對底層碳纖維板重新進行清理。
5.4.6施工注意事項。
?。?）CFRP片材為導電材料，施工CFRP片材時應遠離電氣設備及電源，或采取可靠的防護措施。
?。?）施工過程中應避免CFRP片材的彎折。
?。?）CFRP片材配套膠粘劑的原料應密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射。
?。?）膠粘劑的配制和使用場所應保持通風良好。
?。?）由于碳纖維布對光比較敏感，所以要采取相應的避光措施。具體的作法是：CFRP片材儲存時應避光；在粘貼完成后還要涂刷一層避光材料以起保護作用。
5.4.7檢驗與驗收。
?。?）在開始施工之前，確認CFRP片材及配套膠粘劑類粘貼的產品合格證、產品質量出廠檢驗報告，各項性能指標應符合要求。
?。?）采用CFRP片材及配套膠粘劑類粘結材料對混凝土結構進行加固修復時，要嚴格按施工工藝及流程的有關條款進行各工序隱蔽工程檢驗與驗收。如施工質量不能滿足施工工藝及流程的有關條款要求時，立即采取補救措施或返工。
?。?）CFRP片材與混凝土之間的粘結質量，是用小錘輕輕敲擊或手壓CFRP片材表面的方法檢查，總有效面積不應低于95%。當碳纖維布的空鼓面積不大于10000mm2時，可采用針管注膠的方法進行修補。當空鼓面積大于10000mm2時，宜將空鼓部位的CFRP片材切除，重新搭接并粘貼等量的CFRP片材，搭接長度不應小于100mm。
?。?）CFRP片材的實際粘貼面積不應少于設計面積，位置偏差不應大于10mm。
6. 結語
總的來說，粘貼CFRP片材以加固混凝土結構的技術還是相對較新的。粘貼CFRP片材加固混凝土橋梁，對于配筋較低或鋼筋銹蝕嚴重的梁、板進行抗彎和抗剪加固，可以取得很好的效果，對于配筋率較高的梁、板，僅采用粘貼CFRP片材加固往往達不到要求的加固效果，此時可以考慮采用混合加固法。而對于混凝土墩柱，粘貼CFRP片材進行抗壓或抗震加固效果顯著，對震后墩柱的修復也有較好的效果。
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