碳纤维布在钢筋混凝土桥梁加固中的应用

2010-08-15秦娟

黑龙江交通科技 2010年11期

秦娟

(河北省交通厅公路管理局)

随着我国经济实力逐步增强,公路交通在国民经济中的地位愈来愈重要,但是,我国交通设施基础薄弱,大部分桥梁为 20世纪 60、70年代后建造,桥龄长,荷载等级低,许多桥梁出现了老化、破损、裂缝、基础沉降等病害现象,随着公路客货运输量的不断增长,以及运输车辆轴载的不断加大,许多旧有的公路桥梁已不适应交通大发展的需求,需加固或重建,以保证桥梁的正常运营。经验表明,桥梁加固费用一般约为新建桥梁费用的10%～20%,具有显著的经济效益。

1 传统旧桥加固方法概述

桥梁主要承重结构的加固补强的根本目的是为了恢复和提高其承载能力,改善其使用性能,防止桥梁结构的安全隐患,提高其通行能力。就结构加固和改造技术而言,传统的桥梁上部结构维修加固方法主要有以下六类：增大惯性矩法、粘贴(锚固)钢板(筋)、纤维法、体外预应力法、改变结构体系法、回顶法、综合法等。下面就几种典型加固方法做一下简要比较。

1.1 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固方法采用双组环氧树脂粘结剂把钢板或其他钢制件粘结在混凝土表面,并构成一个混凝土、粘结剂及钢板三相复合物系统。让钢板部分替代钢筋的作用从而提高结构的承载力。该法具有施工简便和快速、对结构整体尺寸的改变极小,对原结构破坏小等优点。但是由于抗剪加固需要牢固的锚固措施,易对混凝土结构产生破坏作用。另外,由于钢板本身的刚度较大,混凝土表面平整度对加固效果影响较大,混凝土表面严重的不平整会导致钢板与混凝土有效粘结面积减少,从而影响加固效果。

1.2 增大断面加固法

该方法是在已有梁上补浇混凝土,增加构件的断面面积,以提高梁的承载能力。其缺点是由于新浇混凝土系二次受力构件,结合面应力状态复杂,加固周期长,影响桥面交通,而且梁底部和侧面浇筑比较困难。

1.3 体外预应力加固法

借助所施加的预应力以减少构件产生的拉应力。一般采用无粘结预应力混凝土技术做加固。其优点是能提高结构承载力,明显改善构件的抗裂性能。缺点是预应力加固构件是二次受力构件,存在应力超前和应变滞后现象,原构件预应力作用产生的压缩变形对控制张拉量的计算影响较大。

2 碳纤维材料加固原理

2.1 碳纤维材料的力学性能

碳纤维具有高强度和高弹性特点,其弹性模量可达 2.3×105MPa以上,抗拉强度达到 3 400～5000MPa,由环氧树脂与构造物结合在一起后在纤维方向上具有高抗拉强度,其特性除强度高、抗腐蚀性能好外,没有疲劳老化现象,碳纤维在钢筋混凝土构件加固中的主要作用为抵抗拉力,一般适用于梁与柱(桥墩)的抗剪力部位、柱或墩的围束加固以及钢筋锚定(握裹)长度不足部位等。

2.2 碳纤维材料加固原理

碳纤维材料是土木工程中出现的一种新材料,在用于桥梁加固工程中,其应用机理与钢筋混凝土结构的工作机理相似。

(1)钢筋与混凝土具有良好的握裹性。两种材料在受力后共同变形,取两者有变形协调性的机理。碳纤维借助粘结材料与混凝土结合,使碳纤维和混凝土结合成一体,达到补强效果。

(2)钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和搞拉强度,是钢筋混凝土结构的基本机理。碳纤维的强度虽然高,但其弹性模量与钢筋差不多,根据钢筋混凝土的使用经验,碳纤维用于钢筋混凝土的加固上不会有搭配问题,可以用于弥补钢筋混凝土内钢筋的抗拉不足部分。

(3)钢筋与混凝土具有相近的温度线性膨胀系数。钢筋混凝土结构不会由于强度变化产生相应的温度内应力。而碳纤维材料的热膨胀系数较混凝土和钢筋要小的多,约为0.5×10-6/℃,因而当温度15℃时,碳纤维材料中将发生拉应力1.76MPa,仅为极限强度 3400MPa的1‰左右,影响不大。

(4)钢筋与混凝土有良好的化学相容性。因为混凝土中具有一定的碱性性质,故不会使钢筋发生锈蚀。碳纤维具有耐酸、耐碱、耐盐、耐老化、耐高温、耐低温等优越的性能,故粘贴碳纤维材在表面后对原结构有良好的保护作用。

通过比较可见,粘贴钢板加固法、增大断面加固法和体外预应力加固法在施工时存在难度大、施工处理复杂、工期长等缺点。而碳纤维布是柔性材料,施工时可以依靠现场用剪刀裁剪成所需的形状和尺寸,对构件的不同外形都具有极高的适应能力。由于重量轻,现场施工基本是手工操作,不需要大型设备和施工工具。在较小的空间即可进行施工,且施工速度很快,施工工期短,粘贴质量容易得到保证;从经济上看,碳纤维布价格虽然相对较高,但在运输、存储、装卸、加工、维护过程中的费用相对较少;施工机具简单,从而减少了机械台班费;施工速度快,相应缩短了工期,也节省了人工费用;碳纤维耐久性好,也减少了后期维护费用。因此,加固工程综合造价相对较低。

3 碳纤维加固中的关键技术问题

3.1 耐久性问题

碳纤维加固后的混凝土构件加固效果及加固持久性问题是工程界比较关心的问题,由于碳纤维加固技术是新兴的加固技术,加之影响碳纤维耐久性的因素有环境因素、温度、紫外线照射、冻融循环等。通过室内盐水喷雾试验、抗碱性能试验以及试件的疲劳试验等加速老化试验和对已加固桥梁的调查,结论是：碳纤维具有足够的耐久能力,能够保证碳纤维应用于结构的修复和补强。

3.2 结构动力性能

碳纤维材料是一种线弹性脆性材料,在冲击荷载或动力荷载作用下碳纤维加固混凝土结构的脆性破坏更应引起重视。通过对加固桥梁的冲击荷载试验,证明在冲击荷载作用下的碳纤维加固梁抗冲击性能良好,如果在碳纤维端部采用合适的锚固措施能够更加改善碳纤维加固梁的抗冲击性能。

3.3 抗疲劳问题

碳纤维加固混凝土结构的抗疲劳能力评价一般要针对弯曲疲劳破坏和剪切疲劳破坏两种破坏形式进行。研究表明：碳纤维加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载,在进行静载试验、挠度试验,与未经历疲劳循环荷载的试件相比,其强度及延性指标并没有降低。这表现出碳纤维材料本身抗疲劳的优异性能。

3.4 粘接性能和延性

碳纤维加固混凝土结构的整体复合效果主要通过碳纤维和混凝土之间良好的粘结来实现。粘结区的破坏可能导致结构发生脆性破坏,粘结界面的剥离破坏可归纳为三种。(1)由于碳纤维端部的应力集中所引起的向梁跨中扩展的剥离破坏。(2)在弯矩最大处,由弯曲裂缝引起的向两端扩展的剥离破坏。(3)由剪切裂缝引起的上下错动的剥离破坏。

通过试验和非线性断裂力学方法分析了可能影响碳纤维和混凝土界面粘结的五种因素,即粘结长度、混凝土强度、粘贴层数、梁(板)宽度、表面处理状况等。粘结长度不影响界面极限承载力,且在发生剥离破坏之前,在有效粘结长度之外无应力传递;混凝土强度不影响界面极限剥离强度,但粘贴层数影响粘结破坏荷载,粘贴两层的试件平均界面极限剥离强度仅为一层的1.5倍;梁(板)宽基本不影响界面极限剥离强度;表面处理情况对界面极限剥离强度影响较大,加糙处理的界面极限剥离强度优于喷砂处理。