據統計，截至2001年底，我國20年前修建橋梁13萬(wàn)座，30年以前修建的橋梁11.4萬(wàn)座，當時(shí)建設的標準都很低，而都又服役二、三十年，特別是大噸位車(chē)輛的發(fā)展，有很多橋梁已經(jīng)不適應要求，只能限載通過(guò)。雖然已經(jīng)有一部分舊橋得到了加固補強，但仍有很大一部分仍在使用。由于我國的經(jīng)濟狀況和發(fā)達國家相比還比較落后，不可能投入更多的資金對舊橋梁進(jìn)行重建，因此必須通過(guò)結構補強的辦法對舊橋梁進(jìn)行改造，使其達到使用要求。 


目前我國已經(jīng)積累了豐富的舊橋加固經(jīng)驗，總的說(shuō)來(lái)大致有以下幾種方法：加大截面加固法、外包型鋼加固法、預應力加固法、粘貼鋼板加固法、玻璃鋼加固法、噴射混凝土加固法等。各種加固方法都有其優(yōu)點(diǎn)，都得到了較好的實(shí)踐運用。 

近年來(lái)，纖維類(lèi)材料在土木工程中的運用一直是國內外研究的熱點(diǎn)。隨著(zhù)材料科技的發(fā)展，現在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了許多高科技纖維材料。在所有的纖維材料中，碳纖維是迄今為止用于土木工程領(lǐng)域最早、技術(shù)最成熟，也是運用數量最大的一種高科技材料。隨著(zhù)碳纖維材料被應用于建筑業(yè)，碳纖維加固技術(shù)也應運而生。 

本文簡(jiǎn)單地介紹了碳纖維的特點(diǎn)以及用其加固橋梁的技術(shù)特點(diǎn)，在此基礎上介紹了用碳纖維補強加固橋梁的應用范圍，最后簡(jiǎn)要介紹了用碳纖維加固橋梁的施工要點(diǎn)，對于橋梁加固的發(fā)展和實(shí)際運用具有一定的意義。 

1　碳纖維的特點(diǎn) 

碳纖維是以聚丙烯腈或者中間相瀝青纖維為原料經(jīng)過(guò)高溫碳化制成。用于混凝土結構補強的碳纖維種類(lèi)較多，可以按不同的分類(lèi)方法進(jìn)行劃分。按形狀分類(lèi)，可分為：片材(包括布狀和板狀)；棒材；型材；短纖維。按力學(xué)性能可以分為：高模量纖維；高強度纖維和中等彈性模量纖維。 

在結構補強過(guò)程中，碳纖維中的布狀材料和棒材都運用較多。碳纖維布的基本力學(xué)性能可以通過(guò)實(shí)驗確定，目前有許多檢測方法，尚未形成統一的測試標準。但總的講來(lái)，碳纖維布和碳纖維棒材有較高的拉伸強度，一般大于1800MPa；彈性模量較大，一般略大于鋼材的彈性模量，大于220GPa，一般在300GPa～640GPa之間。延伸率較小，不大于2%。其中碳纖維棒材的強度稍小于碳纖維布，而彈性模量則稍大。 

在結構補強中，需要把碳纖維布和碳纖維棒材用有一定強度的粘結膠粘貼到混凝土上，使其和混凝土共同工作，以達到補強的目的。 

2　碳纖維加固橋梁的技術(shù)特點(diǎn) 

由于碳纖維材料的強度和彈性模量都很高，在橋梁加固中，和其它的加固技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)勢： 

ａ)高強高效　由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在對混凝土橋梁進(jìn)行加固補強過(guò)程中，可以充分利用其高強度、高模量的特點(diǎn)來(lái)提高橋梁或其構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固的目的。 

ｂ)耐腐蝕性及耐久性好　碳纖維材料的化學(xué)性質(zhì)穩定，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應，因而用碳纖維材料加固的鋼筋混凝土構件具有良好的耐腐蝕和耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學(xué)腐蝕問(wèn)題，特別是在腐蝕環(huán)境下進(jìn)行加固更有優(yōu)勢。 

ｃ)不增加構件的自重及體積　碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，經(jīng)加固修補的構件，基本上不增加結構的自重和尺寸，也不會(huì )減少建筑物的使用空間。這對于橋下要求通航或者有通行要求的舊橋進(jìn)行加固特別重要。 


ｄ)適用面廣　由于碳纖維布是一種柔性材料，可以任意地裁剪，所以這種加固技術(shù)可以廣泛地運用于各種結構類(lèi)型、各種結構形狀和結構的各個(gè)部位，且不改變結構形狀、不影響結構外觀(guān)。對于橋梁的墩臺、梁板等結構構件都能夠順利的進(jìn)行加固。 

ｅ)便于施工　將碳纖維材料用于加固混凝土橋梁，在施工時(shí)不需要大型的機械設備，占用施工場(chǎng)地少，沒(méi)有濕作業(yè)，工效極高。 

用碳纖維加固橋梁結構有十分顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，然而用碳纖維加固橋梁結構的造價(jià)較高，建議在補強加固橋梁時(shí)和其它的加固方法進(jìn)行綜合對比、選擇。 

3　碳纖維布加固橋梁時(shí)的運用范圍 

上面談到用碳纖維布可以對各種構件進(jìn)行加固，具體到橋梁加固中，它主要的可以對承受彎矩和剪力的構件的正截面承載力進(jìn)行補強，對斜截面承載力進(jìn)行加強，對截面的承剪進(jìn)行加強；另外，用碳纖維布還可以對受壓構件進(jìn)行加強。簡(jiǎn)單介紹一下。 

3.1　正截面承載力加強 

用碳纖維布加強受彎構件的正截面承載力時(shí)，一般采用如圖1所示的粘貼方法。 



圖1　碳纖維布補強正截面   1—鋼筋；2—粘貼碳纖維布 

具體的，在梁的底部粘貼一層或者數層碳纖維布，其截面形式可做成圖1ｂ的形式。如有可能，碳纖維布應該粘貼成如圖的Ｕ型截面，這種截面正截面的承載力提高更大。粘貼層數可以參照《混凝土結構設計原理》的正截面承載力的計算方法進(jìn)行計算定量。進(jìn)行計算時(shí)，仍然采用平截面假設，適當考慮碳纖維布強度的折減(一般碳纖維的強度不能夠完全發(fā)揮[2])，建議一般取其強度的60%為宜。 

3.2　斜截面抗彎和截面承剪加強 

用碳纖維布對斜截面抗彎加固、或者用以提高截面的抗剪能力時(shí)，一般可采用圖2所示的粘貼方式。 

一般，把碳纖維布剪成條狀，粘貼在梁的側面，粘貼方向最好和梁體內的主拉應力跡線(xiàn)相一致，這樣碳纖維布能夠充分發(fā)揮其抗拉效能，阻止混凝土的開(kāi)裂，進(jìn)而也可以提高梁的抗剪能力。 

計算時(shí)，仍可以參照《混凝土結構設計原理》中對于彎起鋼筋的抗彎和抗剪的考慮方式來(lái)考慮碳纖維布的作用，進(jìn)而確定碳纖維布的用量。 



圖2　碳纖維布補強斜截面抗彎以及截面抗剪能力    1—碳纖維布 

3.3　受壓構件的加固 

用碳纖維對受壓的混凝土柱進(jìn)行加強時(shí)，一般可以用如圖3所示的粘貼方法。 

在加固后的受壓混凝土桿件中，碳纖維的作用類(lèi)似于混凝土柱中箍筋的作用，因此計算時(shí)仍可以參照《混凝土結構設計原理》中對于箍筋的處理方法，對碳纖維布的作用進(jìn)行量化，以確定粘貼的層數。另外，柱體可以全部用碳纖維包裹，也可以部分包裹，初期的研究證明部分包裹可能更具優(yōu)勢，如圖3的立面圖所示。 


圖3　混凝土受壓構件的加固   1—粘貼的碳纖維布；2—混凝土柱體 

用碳纖維布加固的混凝土柱不僅能夠提高承載力，而且能夠提高混凝土柱的延性[2]。因此，對處于地震活動(dòng)較為頻繁地區的橋梁墩臺進(jìn)行加固時(shí)，用它更具優(yōu)勢。 

4　碳纖維布加固的施工要點(diǎn) 

用碳纖維布加固橋梁時(shí)，應該按照以下步驟進(jìn)行，并注意每一步的關(guān)鍵。 

ａ)施工準備　充分分析、研究加固的橋梁或其構件的特點(diǎn)，并對使用的材料、配套樹(shù)脂、機具做好準備工作。 

ｂ)原結構混凝土基面處理　對粘貼的混凝土基面進(jìn)行打磨處理。如果在潮濕環(huán)境，應該對表面進(jìn)行干燥處理；應該清除表面的浮灰；應該把轉角打磨成圓弧狀；混凝土表面如有裂紋，應該首先封閉裂紋。表面處理關(guān)系到粘貼的效果，是碳纖維布能否和原結構共同工作的關(guān)鍵，應該予以足夠重視。 

ｃ)刷底層樹(shù)脂　底層樹(shù)脂的作用是保證碳纖維布和混凝土構件有足夠的粘結，以使它們共同工作；底層樹(shù)脂應該均勻、全面，避免厚度不一和局部漏刷。 

ｄ)粘貼碳纖維布　用浸潤樹(shù)脂把碳纖維布粘貼平順，擠出其中的氣泡。如果為多層，重復前面步驟——再貼纖維布、再擠出氣泡，最后覆上聚酯薄膜。 

ｅ)粘貼的碳纖維布的表面處理　待樹(shù)脂固化后，根據需要可以在碳纖維布的外面刷一層防曬漆或者防火漆，以減緩樹(shù)脂的老化、或者增強結構的防火性。 

5　碳纖維棒材加固橋梁結構的一般方法 

碳纖維棒材對構件進(jìn)行加固時(shí)，由于受到自身幾何形狀的影響，它主要的用于對受彎構件的正截面承載力進(jìn)行補強，對斜截面承載力進(jìn)行加強，對截面的承剪進(jìn)行加強。下面將碳纖維棒材加固橋梁結構的一般方法簡(jiǎn)單介紹如下： 

5.1　正截面承載力加強 

用碳纖維棒材加強受彎構件的正截面承載力時(shí)，一般采用植筋的方法。 


當受彎構件的正截面抗彎能力不能滿(mǎn)足需要而采用碳纖維棒材加固時(shí)，首先鑿除梁底的混凝土或者在梁底混凝土中鑿出縱向的溝槽，將碳纖維棒材綁扎在結構原有的縱向主拉鋼筋上，或者錨固在鑿出的溝槽中，然后澆注環(huán)氧混凝土，封閉碳纖維棒材并使其和原有的混凝土結構粘結成整體。待環(huán)氧樹(shù)脂固化后，結構加固工作就完成了。 

碳纖維棒材的用量可以參照《混凝土結構設計原理》的正截面承載力的計算方法進(jìn)行計算定量。進(jìn)行計算時(shí)，仍然采用平截面假設，適當考慮碳纖維棒材強度的折減，另外注意選用和混凝土彈性模量和溫變系數相當的環(huán)氧混凝土，以避免環(huán)氧混凝土在工作中由于受力或者溫變因素和原結構脫離而達不到預期效果。 

5.2　斜截面抗彎和截面承剪加強 

用碳纖維棒材對斜截面抗彎加固、或者用以提高截面的抗剪能力時(shí)，一般也采用植筋方式。 

加固時(shí)，可參照圖2，在梁的側表面、和梁體內的主拉應力跡線(xiàn)一致的地方，鑿出溝槽(直接對抗剪加固時(shí)，溝槽也可和箍筋反向一致)，放入碳纖維棒材，然后運用環(huán)氧樹(shù)脂混凝土封閉。加固后，碳纖維布棒材可發(fā)揮其抗拉效能，阻止混凝土的開(kāi)裂，進(jìn)而也可以提高梁的斜截面抗彎能力和截面抗剪能力。 

計算時(shí)，仍可以參照《混凝土結構設計原理》中對于彎起鋼筋的抗彎利抗剪的考慮方式來(lái)考慮碳纖維的作用，進(jìn)而確定碳纖維棒材的用量，同時(shí)也應該注意環(huán)氧混凝土的選擇。 

6　結論 

用碳纖維加固橋梁，無(wú)論采用片材或者棒材，均有受力明確、施工簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，對于橋梁中不同部位的受力構件均可以方便地加固，是值得推廣運用的一種新技術(shù)。建議有條件的地方結合實(shí)際情況對其進(jìn)行更加深入的研究，以促進(jìn)舊橋加固技術(shù)的發(fā)展。