碳纤维单向布加固砼技术在旧桥改建中的应用

【摘要】碳纤维单向布与配套树脂材料是加固维修钢筋砼结构领域中的新材料、新工艺。在平安县城白沈河中桥中，为使主梁满足抗弯要求，采用了此技术进行加固补强。用此新技术、新材料加固的工作在青海尚属首例，同时也取得了较大的经济效益。本文对该材料性能与施工工艺等有关技术问题做一介绍。

【关键词】 碳纤维单向布；加固砼技术；应用

1. 碳纤维概述

（1）碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%。此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短、基本不增加原结构自重及原构件尺寸和耐久性好等特点。

（2）美国、日本等国于二十世纪八十年代开始进行实验研究，目前已经大量使用此技术。据有关资料统计，仅日本1997年用于加固修复的碳纤维布使用量就达70万m2。我国近两年来，科研单位和院校在这方面的研究和应用做了大量工作，生产出一系列的碳纤维复合材料，使工程降低了费用，同时也取得了较成熟的设计方法和施工经验，为广泛推广该技术创造了有利条件。

2. 工程概况

（1）该工程为位于青海省海东地区平安县城东白沈河桥，横跨白沈河。近年，随着经济的发展，通行车辆及重型车辆逐渐增多，该线公路负担着疏散青海省主要交通的重任。然而，在调研中发现：梁体破碎、表面出现大量裂缝、桥面铺装网裂现象严重、梁体大面积渗水以及桥台后路面开裂沉降等病害现象。通过调研还发现，当重型车辆通过桥梁时，桥跨结构振动较大。桥梁已处于不安全使用状态，急需进行检测评定，以便合理采取技术改造措施，从而保证该桥安全运营。

（2）桥梁上部结构为3孔13米钢筋混凝土简支T梁桥，老桥每孔7片T梁由5道横隔板横向铰结成孔；加宽部分每孔3片T梁由5道横隔板横向铰结成孔。下部结构采用重力式U台及重力式墩身，基础类型为天然浅基础。板式橡胶支座，锥形护坡。其主要技术指标如下：

桥梁跨径：3×13=39米；

桥面宽度：2.8（人行道）+2.4（加宽）+11.2（老桥）+2.4（加宽）+2.8（人行道）=21.6米；

设计荷载：汽-20级，挂车-100。

（3）对于抗弯承载能力，设计抗力为 ，则基于检测结果的结构抗力效应经以上各个折减系数修正后为 。荷载效应的设计计算值 ，则考虑活载影响修正系数后的荷载效应的计算值 。即结构的抗力效应小于荷载效应，该T梁不能满足抗弯承载能力的要求。

（4）经验算分析结果可知，该T梁需进行抗弯加固。

3. 主梁加固方案和材料的选定

3.1加固方案的选定。最早提出采用粘贴钢板的加固方案，由于该桥梁位于平安县城繁华地段且梁片数较多，改桥为新、老桥结合，老桥修建年代久远，若采用粘贴钢板方案美观性较差，日后养护等较烦琐，从安全性上由于上部主梁片数较多，粘贴钢板加大了上部重量，增加了下部构造的负担，经计算比较最后确定选用碳纤维复合材料进行补强加固。碳纤维布的极限抗拉强度高于普通钢筋的10倍以上，而弹性模量也与钢筋相近，较适合于钢筋砼结构的补强加固工程。另外施工简便，适用于要求施工周期短的加固工程。

3.2材料的选定。近二、三年来，我国引进了美国、日本生产的碳纤维复合材料，进行了一些工程的加固，并取得了较好效益，但费用高影响推广应用。近期由于国产化系列的碳纤维复合材料的出现，为该工程材料的选用奠定了基础。经比较采用兰州德亿建筑科技有限公司的碳纤维布和配套树脂，其中碳纤维布采用的是国外进口优质丝，质量可靠稳定，费用较低。产品通过国家级质检部门的严格检验，各项性能指标已达到国外同类产品的水平。

4. 施工工艺

为确保主梁抗弯钢筋与加固碳纤维能够同步工作，应该尽量缩短原主梁钢筋与碳纤维的应力应变的差值，主梁加固时需考虑卸载措施，这样可推迟将原主梁结构的钢筋受力转给碳纤维的时间，积极地改善主梁结构，并使得破坏时原钢筋和碳纤维各自进入极限状态，主梁的总体强度显著得到提高。主梁加固时卸载措施：拆除上部桥面铺装→碳纤维布粘贴加固→新铺筑桥面铺装。

加固施工工艺步骤如下：

4.1定位放线：首先熟悉施工图纸，明确加固部位及范围，然后在构件上弹线（其轮廓线要大于实贴尺寸20mm以便打磨）。

4.2混凝土基层处理。

4.2.1为了保证粘贴密实，在不影响原结构的基础上，采用先人工后机械打磨的方法。剔除表面灰层与混凝土的接触面，混凝土面平整度每米不大于4mm。同时要剔除粘贴面上的木屑、油毡等杂物。混凝土打磨，用角向角磨机配合金刚石角磨机片，对混凝土面进行打磨。磨去混凝土表面附着物，如混凝土老化层、油污、灰浆等等；需要露出混凝土新面（一般应磨去1～3mm）。当混凝土表面凹凸不平时，应用找平材料将缺陷部位填补平整。纤维布通过的转角处，用找平材料修复为光滑的圆弧，半径不应小于20mm。

4.2.2混凝土面清洗。清洗过程中应多次成活。首先用脱脂棉丝擦拭混凝土粘贴面，去除表面浮灰；然后用脱脂棉丝沾丙酮（纯度80%以上），擦拭2～3遍。最后，在粘贴前再清洗一遍混凝土面。处理结果以表面无灰尘油污为准。并确保表面处理后不被浮尘、油污等杂质二次污染。

4.3裁剪下料：按照设计尺寸并结合实际情况将纤维布准确下料，要求不乱丝、不断丝。

4.4涂刷底层树脂：按照产品工艺规定配制底层树脂，均匀涂抹于构件表面所要粘贴的部位，胶层厚度应满足设计要求，不宜过薄。表面指触干燥后立即进行下道工序。

4.5粘贴。

4.5.1按照产品工艺规定配制粘贴树脂。

4.5.2将纤维布表面擦拭干净无粉尘。

4.5.3纤维布表面擦拭干净后立即涂刷粘结树脂，胶层应呈突起状，平均厚度不小于2mm。

4.5.4将涂有粘结树脂的纤维布固定在需要粘贴位置，用特制的滚筒沿碳纤维布受力方向多次滚压挤出气泡，以使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结；同时，使粘接剂充分渗入纤维之间的缝隙内。最后，在碳纤维布表面再涂抹一层粘接剂。当平行粘贴多层纤维布时，其间距须大于5mm。

4.5.5粘贴两层纤维布时，应连续粘贴，如不能立即粘贴，需要在粘贴前应该对底层纤维布作好清洁工作。

4.5.6粘贴碳纤维后需要对粘贴层进行防火处理。

4.6检验、验收。碳纤维布与混凝土之间的粘贴质量必须保证其有效粘贴面积大于95%，施工质量满足《碳纤维片材 加固混凝土结构技术规程》。粘贴质量不符合要求需割除修补时，应沿空鼓边沿，将空鼓部分的碳纤维割除，以每边向外缘扩展100mm，大小之同样碳纤维材料，用同样粘结剂，补贴在原处。搭接长度应不小100mm。

5. 加固优点及探讨意见

5.1碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备，其又很薄不需要较大的空间，尤其是在该工程加固空间紧张的情况下，更能显示这一优越性。

5.2加固钢筋砼结构，采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的办法，可能取得类似于钢板的同样加固效果，但其结构重量未增加，外表也轻巧美观。

5.3有极好的耐久性，由于加固只使用碳纤维和配套树脂，因而不会出现生锈，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能，碳纤维布有极好的抗化学作用。

5.4为促进该项新技术、新材料的快速发展，建议有关单位应尽快组织力量，制定完整的设计、施工、质量检验和验收标准等技术规范。

本文结合白沈河桥加固工程实例及其它碳纤维加固工程，本人认为粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋砼结构行之有效的方法，值得推广应用。

[文章编号]1619-2737（2013）03-30-026

[作者简介]李桂琴（1964.1-）女，职称：工程师，研究方向：公路工程，毕业于福州大学土木建筑工程系路桥专业。