碳纤维布在中小跨径桥梁上部结构加固中应用

2010-06-11席路虎

山西建筑 2010年26期

席路虎

碳纤维布加固技术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。

近年来,我局所辖路段中小跨径混凝土板桥在大交通流、重载车辆的作用下,板底混凝土裂缝、保护层剥落现象增多。针对这类病害,我们以桥北1号桥为对象,进行了碳纤维布加固桥梁上部结构方面的应用技术研究。桥北1号桥位于省道坪曲线(S331)K77+265处,建成于1993年10月,斜交角70°。现有桥梁为3-13 m板桥,桥梁全长60.0 m。下部结构为重力式墩台。该桥改造前存在板底混凝土裂缝、保护层剥落、钢筋外露等病害。

1 桥梁处治方案、加固机理

1.1 处治方案

首先对外露钢筋进行除锈,然后用环氧树脂砂浆修补板底坑洞露筋部分,并在修补范围及周边涂刷渗透型阻锈剂,最后在空心板底部粘贴碳纤维布进行加固。

1.2 碳纤维布加固机理

碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件时,是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区,代替或补充钢筋的受拉性能,从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后,在构件受拉区混凝土开裂前,碳纤维的应变很小;在混凝土开裂后,碳纤维布逐渐参与共同工作,应变增长加快;而在钢筋屈服后,碳纤维布充分发挥作用,应变增长迅速加快,其高强高效的性能得以充分体现。

2 计算方法及设计要点

2.1 计算方法

1)采用碳纤维布加固旧桥,目前一般的计算方法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,然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法,但理论分析结果与实验数据吻合得很好,因此在一般情况下是适用的。

2)碳纤维布加固用量,可按式(1)估算:

其中,Acf为碳纤维布用量(面积);As为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积;Ry为钢筋的抗拉设计强度;Rcf为碳纤维布抗拉设计强度。

3)除按式(1)估算的碳纤维布加固用量(面积)外,还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积,以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。

2.2 设计要点

1)考虑到碳纤维材料与被加固构件中受拉钢筋的变形协调,取受拉钢筋极限变形状态时的碳纤维受拉应力作为碳纤维材料的设计强度。2)浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面,并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键,因此,树脂同混凝土的粘贴强度要大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。3)采用碳纤维材料加固时,考虑到碳纤维布与被加固构件表面的剥离破坏以及实际加固效果,同一截面受力碳纤维布粘贴层数采用两层。

3 碳纤维材料与要求

3.1 碳纤维复合材料

1)碳纤维复合材料通常由纤维和基体组成。加固混凝土结构用的纤维材料目前主要有三种:玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFPR)。普通碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)或中间相沥青(MPP)纤维为原料经高温碳化制成,碳化程度决定着诸如弹性模量、密度与导电性等性能。碳纤维长丝直径通常在5 μm～8 μm 之间,并合成含3000根～18000根的长丝束。为改善碳纤维与基体的亲和性,纤维本身要经表面处理,形成能与基体反应的活性基团。2)加固混凝土构件所用的碳纤维布,是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。3)碳纤维布的抗拉强度一般为3550MPa,约为普通钢材的10倍,弹性模量为 235×105MPa。

3.2 粘结材料

粘结材料是将连续纤维状的碳纤维结合在一起,同时又与混凝土表面粘合的系列粘结材料。粘结材料主要包括三类材料:底层涂料、整平材料和浸渍树脂。粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键,也是两者之间传力途径中的薄弱环节。

4 施工工艺

4.1 施工前的准备作业

对所有外露钢筋进行除锈,用环氧树脂砂浆修补板底坑洞露筋部位,并在修补范围及周边涂刷阻锈剂。

4.2 基面处理

1)混凝土表面的劣化层(如浮浆、风化层等)要用砂轮机进行清除和打磨。2)基面的错位与凸出部分要磨平,转角部位要进行倒角处理。3)裂缝部分要注入环氧树脂浆进行修补。

4.3 基面的清洗

1)先用钢丝刷将表面松散浮渣刷去,然后用压缩空气除去粉尘;2)用丙酮或无水酒精擦试表面,也可用清水冲洗,但必须保证其充分干燥后才能进行下一道工序的施工。

4.4 涂刷底胶

1)按比例准确配制好底胶并搅拌均匀,注意一次调和量在可使用时间(7 d)内用完,超过时间的绝对不能使用,以确保粘结质量;2)用滚筒或刷子均匀地涂抹在基面上,注意涂抹均匀,自然风干。如在冬季施工,胶的粘度较高,不能涂得太厚;3)底胶硬化后,在表面有凸起部分时,要用磨光机或砂纸打光;4)待底胶用手触摸感觉干燥后,进入下道工序。

4.5 粘贴面的修补

1)若发现粘贴面上有凹入部位,应用找平胶进行修补,保证粘贴面的平整,以确保加固效果。2)待找平胶用手触摸感觉干燥后进入下一道工序。

4.6 粘贴碳纤维布

1)在待粘贴面上划出拟粘贴位置;2)依设计尺寸裁剪碳纤维布,应根据现场施工经验和作业空间确定下料长度,若需要进行接长时,接头的长度应根据实际情况而定,一般不得小于20cm;3)下料数量应以当天能用完为准;4)粘贴碳纤维布时,应按照设计位置由上而下,由左至右有秩序地粘贴,并以滚筒压挤贴片,使碳纤维布与浸渍树脂充分结合,同时以压板去除气泡;5)即时观察贴片是否粘贴密实,若发现有间隙或气泡,应及时处理。