碳纤维在桥梁加固中的应用

2013-08-14薛晓杰

河南科技 2013年14期

谢姣薛晓杰

(长安大学，陕西西安 710064)

1 碳纤维加固技术

碳纤维材料在桥梁加固中的主要应用是粘贴碳纤维片加固，这是近年来新兴的技术，其使用方法主要是利用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构件表面，形成复合材料体(CFRP)，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

在进行旧桥加固时，应用碳纤维片加固时，可以直接用环氧粘和剂将碳纤维片固定于加固部位，不必像粘贴钢板法那样再用螺栓固定，这样不仅施工较为方便，而且不会对桥梁结构带来新的损伤，减小了由于加固带来的安全隐患。并且相比较钢板，碳纤维片的重量轻，其密度只有钢板的1/4，大大减轻了结构的自重，并且由于碳纤维材料的拉伸强度较高，能够大大提高结构的承载力。另外，由于碳纤维片是一种柔性材料，因此其与混凝土的粘贴效果要比钢板好的多，并且因为其抗剪能力较弱，因此其裁剪比较方便，相对于钢板材料的切割施工而言，利用碳纤维片进行加固，能够大大降低施工难度。碳纤维材料本身具有较强的耐腐蚀性，因此可以在环境恶劣的地方进行广泛应用，并且其维护起来比较方便，降低了维护费用。同时，因为碳纤维片厚度较薄，在粘贴之后对结构的原有尺寸进本没什么改变，这样对于美观要求较高的城市桥梁是很有利的。

2 工程实例

河北省某桥始建于1960年，全长166.5m，是一座钢筋混凝土简支T梁桥，经过40余年的运营，其旧桥主梁混凝土剥落，露筋、锈蚀比较严重，尤其是随着经济的发展，车流量日益增加、车荷载较大，旧桥的承载能力已经很难满足此时荷载的要求。依据计算的承载力结果和荷载检测结果显示，交通主管部门决定对旧桥进行加固，条件是按照汽一20、挂一100的严格要求，对旧桥进行加固维修，用以确保桥的正常使用。在进行设计加固时，主要考虑到旧引桥的抗弯强度不满足要求，另外，考虑到施工的便利性以及旧桥能够尽快投入使用，因此决定对旧引桥部分采用碳纤维粘贴技术的方式对其进行加固防护。根据旧桥正截面的承载力试验检测结果说明，旧桥主梁在跨中至两侧各7.8m(跨中区域16.7m范围)存在着抗弯不足的问题，最大不足在1/4处，差230kN·m，跨中不足亦在220kN·m左右，因此必须应考虑在跨中部位加固来提高抗弯强度。经过加固计算，最后确定在跨中15.2m的范围内沿梁肋粘贴四层TXD-300碳纤维布(单层计算厚度0.167mm，抗拉强度3400N/mmz，弹性模量2.3×105N/mm2，极限应变0.015，宽度15cm，计算面积1.002cm2。根据构造要求，底部两层延伸至支座处，并在各截断点加U形箍予以锚固。同时，为检验加固效果，进行加固前后的对比性荷载试验，同时为新型加固材料的推广应用提供可靠的工程依据。

在进行荷载试验时，选用三轴载重汽车进行横向布载，纵向双车并进。因为是进行对比试验，所以在实验过程中严格控制各个参数的变化。本次试验各测点具体设置如下：(1)竖向挠度测点布置在各梁的跨中。(2)在4、5号梁裂缝观测，集中在跨中区域，共选取了3条裂缝。

加固前后各梁跨中挠度实测值如表1，由表可见，对于初始几级的荷载增加过程中，应为车辆的荷载与桥梁的跨中距离想差较远，另外，由于主梁所受承载能力较小，在受拉区域的变形不大，最终导致粘贴的碳纤维布不能充分发挥相应的效果，因此在初始阶段加固前后的挠度值差别不大，加固后仅是略有减小。然而随着加载等级的不断提高，加载车辆逐渐靠近跨中，主梁受力逐渐增大，跨中截面受拉应变不断增大，并且粘贴的碳纤维布逐渐参与受力，抑制了原有裂缝的开裂和新裂缝的产生，与加固前相比，主梁刚度明显增大，跨中平均最大挠度由加固前的9.98mm变为加固后8.59mm，降低了近13.9%，这充分说明粘贴碳纤维布可显著提高主梁刚度，减少正常使用情况下的跨中变形。

表1 各级荷载作用下跨中挠度值

从观测结果看，加固前，在整个加载过程中，主梁表面未出现新的可视裂缝，原有的裂缝长度无明显扩展，在最大荷载作用下裂缝最大宽度分别为0.02mm，0.06mm，0.14mm。而加固后，在试验荷载作用下原裂缝未见明显变化，弓式应变计检测结果也证实了裂缝区应变水平的降低，由此可以看出，粘贴碳纤维布对原结构的弯曲裂缝有较好的抑制作用。