摘要：運用碳纖維織物對混凝土結構進(jìn)行補強,是近年來(lái)在發(fā)達國家運用非常普遍的一門(mén)新技術(shù)。碳纖維單向布與配套樹(shù)脂材料是加固維修鋼筋砼結構領(lǐng)域中的新材料、新工藝。在無(wú)錫市錫滬路錫山段團結、馮家、雙廟橋等七座橋梁拓寬改建中,為使原鋼筋砼梁板設計荷載由汽車(chē)-20級提高為汽車(chē)-超20級,采用了此技術(shù)進(jìn)行加固補強,取得了較大的經(jīng)濟效益。

　　關(guān)鍵詞:碳纖維加固技術(shù) 改建橋梁 補強工程

　　1 概述

　　碳纖維單向布具有高強度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應用專(zhuān)用的樹(shù)脂和碳纖維布,按設計要求粘貼于砼表面,從而達到結構物加固補強效果。通過(guò)對梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對比試驗,力學(xué)性能顯著(zhù)得到提高,據試驗研究統計粘貼一層碳纖維單向布的梁板,其抗彎性能可提高5～8%。此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比,具有自重小、施工簡(jiǎn)便、施工周期短和耐久性好等特點(diǎn)。

　　在美國、日本,上世紀80年代初就進(jìn)行了碳纖維加固技術(shù)的試驗研究,特別是日本,從規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,目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據有關(guān)資料統計,僅日本1997年用于加固修復的碳纖維布使用量就達70萬(wàn)m2。我國于上世紀90年代末開(kāi)始碳纖維加固技術(shù)的試驗研究,并在近2～3年內在房屋建筑中有了一定數量的工程實(shí)踐,但是在橋梁工程中應用極為有限,目前全國僅有區區數例。我國近兩年來(lái),科研單位和院校在這方面的研究和應用做了大量工作,生產(chǎn)出一系列的碳纖維復合材料,使工程降低了費用,同時(shí)也取得了較成熟的設計方法和施工經(jīng)驗,為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng )造了有利條件。

　　2 改建橋梁工程設計簡(jiǎn)介

　　團結、馮家、雙廟橋等橋梁均在S342虞宜線(xiàn)上,分別位于無(wú)錫錫山羊尖、安鎮、查橋等,于1988年建成。改建橋梁上部結構為1跨、L=10m預應力砼先張法空心板梁,未設中央隔離帶,內外側分別為機動(dòng)車(chē)道和人非混合車(chē)道,全寬25m,荷載標準為汽車(chē)-20級、掛車(chē)-100。隨著(zhù)S342虞宜線(xiàn)交通量的增長(cháng),以上三座橋現有的寬度已不能滿(mǎn)足交通量的需要,為確保虞宜線(xiàn)成為錫滬路上城市快速路,需將原況橋梁向南、北兩側拓寬至35m,將原雙向四車(chē)道橋梁拓寬改建為雙向六車(chē)道橋梁,并新建人非混合車(chē)道橋。原況橋上部結構主梁,對應機動(dòng)車(chē)道和非機動(dòng)車(chē)道部分的荷載均按汽車(chē)-20級、掛車(chē)-100設計,并且拓寬改建后的要求荷載均為汽車(chē)-超20級、掛車(chē)-100。

　　為節省工程投資,利用老橋且根據現虞宜路交通不允許中斷的情況,經(jīng)有關(guān)部門(mén)批準,確定將全線(xiàn)的預應力板梁(新建橋梁除外)進(jìn)行補強加固處理,全線(xiàn)橋梁加固面積284m2。

　　3 加固方案和材料的選定

　　3.1 加固方案的選定

　　由于老橋施工端面狀況較好,經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案的比選,最終選用新型的碳纖維復合材料進(jìn)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,對原結構的厚度增加很小,加固后的表面可進(jìn)行各種裝飾噴涂。施工時(shí)不需要特殊設備及大型機械設備,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。另外施工簡(jiǎn)便,適用于要求施工周期短的加固工程。

　　3.2 材料的選定

　　日本、美國的一些碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在國內有很多代理,他們的產(chǎn)品質(zhì)量不錯,并且對施工進(jìn)行技術(shù)指導。從已完成加固的工程量來(lái)看,很多項目均采用直接引進(jìn)成品碳纖維,但費用較高。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復合材料的出現,為該工程材料的選用奠定了基礎。本次加固采用的碳纖維是從日本引進(jìn)的原料絲,質(zhì)量可靠穩定,在國內進(jìn)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(lèi)產(chǎn)品的水平,可以滿(mǎn)足工程的需要。根據對現況梁的受力計算,以及碳纖維布的力學(xué)性能及能夠有效粘結的最大層數,最終碳纖維布選用CFC-30型,該產(chǎn)品通過(guò)國家級質(zhì)檢部門(mén)的嚴格檢驗,各項性能指標已達到國外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。

　　3.3 材料性能

　　3.3.1 耐久性

　　橋梁結構長(cháng)期暴露在室外,平時(shí)有風(fēng)霜雪雨的作用,以及陽(yáng)光的直接曝曬。冬夏季溫差大。大氣中的二氧化硫含量高,冬季除冰鹽的使用會(huì )增加結構物中氯離子的含量,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(mǎn)足的耐久性要求,我們在選擇碳纖維布時(shí)嚴格要求其各項耐久性指標,主要有:①暴露于戶(hù)外的耐候性,②抗紫外線(xiàn)性能。

　　多年加速暴露實(shí)驗證實(shí),碳纖維的強度和粘著(zhù)性能在相當于50年時(shí)間內不發(fā)生劣化。通過(guò)紅外線(xiàn)分光實(shí)驗,確認內部環(huán)氧樹(shù)脂完好無(wú)損。

　　3.3.2 耐熱、耐寒性

　　復合材料在-54℃、23℃、82℃強度不降低�；炷�土補強試件從-20℃至50℃,3小時(shí)內10次循環(huán)浸漬,抗彎曲強度不降低。

　　3.3.3 耐水性

　　70℃浸漬30天,抗拉強度、搭接強度不降低。

　　3.3.4 耐化學(xué)腐蝕性

　�、倌望}水腐蝕性能。復合材料在35℃鹽水下,浸泡1年,強度不降低。

　�、谀退嵝�。在10%硫酸浸漬3個(gè)月后,纖維片、復合材料混凝土補強試件強度都不降低。

　�、勰蛪A性。復合材料在40℃氫氧化鈣飽和鹽水中浸泡300個(gè)小時(shí)后,強度不降低。

　　3.4 材料作用

　　3.4.1 碳纖維單向布,用于加固補強。

　　3.4.2 表面處理樹(shù)脂,用于被加固砼結構的表面處理。

　　3.4.3 修平樹(shù)脂,用于砼結構表面修平。

　　3.4.4 浸漬樹(shù)脂,用于碳纖維布的粘貼、浸漬,使其與砼結合成為一個(gè)牢固整體。

　　通過(guò)采用上述碳纖維復合材料對鋼筋梁、板等構件進(jìn)行補強加固前、后不同類(lèi)型的力學(xué)性能試驗研究,以及對施工環(huán)境條件、施工工藝的防護層的探討和研究,并經(jīng)過(guò)反復的實(shí)驗與檢驗證實(shí)產(chǎn)品質(zhì)量穩定、優(yōu)良。

　　4 施工工藝

　　由于碳纖維布彈模與鋼筋相近,故在施工時(shí)應盡量給梁卸載,來(lái)減少梁中的鋼筋及混凝土的變形,確保加固后的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)調工作,盡量縮短原梁鋼筋與碳纖維的應力應變的差值,推遲將原梁結構的鋼筋受力轉給碳纖維的時(shí)間,在最大荷載作用下,同時(shí)進(jìn)入承載能力極限狀況使梁的總體強度得到顯著(zhù)提高。

　　在恒載及活載的作用下,梁中的鋼筋及混凝土存在應力。由于現板梁的結構不作改變,也就是恒載始終作用。除恒載外,橋梁結構還承受車(chē)輛的活載作用,而車(chē)流量具有波動(dòng)性。在夜間,車(chē)流量很小,對交通的影響也小,故我們選擇在夜間禁止大噸位車(chē)輛通行及限制交通量的方式來(lái)降低活載對梁的作用力,同時(shí),在此季節白天溫度較高,夜間溫度一般在10℃～20℃,非常適合粘貼劑的施工。

　　施工工藝如下:

　　4.1 去除待加固部位的混凝土表面風(fēng)化層,表面作打磨處理,并鑿毛,露出新茬。施工面總體上要平整,并保持干凈。

　　4.2 將表面處理樹(shù)脂均勻涂刷在施工面上,不可有遺漏。待其不粘手時(shí),用修平樹(shù)脂找平施工面。要求施工基面平整無(wú)凹陷處。

　　4.3 待修平樹(shù)脂不粘手時(shí),在施工基面上均勻涂刷浸漬樹(shù)脂,其厚度為3mm～5mm,要求一定將樹(shù)脂全部蓋住施工基面,不得有過(guò)厚、過(guò)薄或有遺漏處。

　　4.4 將碳纖維布拉緊展平,并鋪在涂有浸漬樹(shù)脂的基面上,然后用輥子滾壓,排除單向布與浸漬樹(shù)脂間的空氣,并使浸漬樹(shù)脂完全浸透碳纖維布。若發(fā)現有空氣,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(shí)布與樹(shù)脂間無(wú)氣泡。

　　4.5 涂下一層浸漬樹(shù)脂在碳纖維布上,并均勻蓋住。其厚度一般為1mm～2mm。要求在確認碳纖維布與樹(shù)脂之間無(wú)空氣后,方可涂刷。在鋪設滾壓最后一層單向布后,應做一次最后的壓平、整理。

　　4.6 養護7天后,表面涂刷具有抗老化及耐腐蝕性能的防護層。根據設計要求,最后做表面裝飾層,使之與周?chē)�的混凝土一致�?/p>

　　選用的防護層具有優(yōu)異的抗老化和耐介質(zhì)腐蝕性能,可在-50℃～120℃溫度的環(huán)境下長(cháng)期使用,此材料已在中央電視塔、三峽工程西陵長(cháng)江大橋等多項重點(diǎn)工程中使用,效果良好。團結、馮家、雙廟等橋梁加固工程自2006年9月上旬開(kāi)工,2006年10月上旬竣工歷時(shí)約30天,碳纖維布與梁表面粘結良好,取得了預期設計的效果。為了了解加固后的運行狀況,我們一直對其進(jìn)行跟蹤監測,包括加固部位周邊混凝土表面裂縫的觀(guān)測。碳纖維表面防護層的顏色、密封性能、平整度的變化以及梁的撓度值等。通過(guò)近1年的觀(guān)測,數據分析結果表明所有的變化值均在設計許可的范圍之內。

　　5 加固優(yōu)點(diǎn)及探討意見(jiàn)

　　5.1 碳纖維布重量輕,施工時(shí)不用任何重型設備,其又很薄不需要較大的空間,尤其是在該工程加固空間緊張的情況下,更能顯示這一優(yōu)越性。

　　5.2 加固鋼筋砼結構,采用粘貼強度高和高彈性模量的碳纖維的辦法,也能取得類(lèi)似于鋼板的同樣加固效果,但其結構重量未增加,外表也輕巧美觀(guān)。

　　5.3 有極好的耐久性,由于加固只使用碳纖維和配套樹(shù)脂,因而不會(huì )出現生銹,并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能,碳纖維布有極好的抗化學(xué)作用。

　　5.4 在團結、馮家、雙廟等橋梁加固工程中使用碳纖維復合材料加固全橋板梁,為工程節省投資,減少了施工周期,還解決了施工中不中斷交通的難題,取得了較大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益,受到了有關(guān)單位的好評。通過(guò)本次近300m2的碳纖維布在橋梁補強中的成功應用,表明該項技術(shù)在橋梁工程中是切實(shí)可行的,并有極為廣闊的應用前景。

　　5.5 由于國家尚無(wú)碳纖維橋梁加固技術(shù)的規程或規范,限制了該項技術(shù)的進(jìn)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。

　　綜上所述,粘貼碳纖維復合材料新技術(shù)是加固鋼筋砼結構行之有效的方法,值得推廣應用。

　　參考文獻

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