浅析碳纤维材料在桥梁加固的应用

周学辉

摘 要：我国高速公路经过20多年的建设，上世纪80、90年代建成的高速公路桥梁经10多年的运营，出现了板底裂缝加大等病害。碳纤维材料所具有的高强度、高模量特性让其在桥梁加固领域中有着广泛的应用。文章在对于现有的桥梁加固方法进行阐述后，对于碳纤维材料在桥梁加固的应用及施工工艺进行了浅析。

关键词：碳纤维材料；桥梁加固；应用效果；粘贴

1 项目背景

云南某六车道高速公路，于1999年建成通车。随着交通量的逐年增加，全线174座桥梁不同程度的出现结构性病害，分别有板底纵向裂缝、腹板斜裂缝、板底空洞、钢筋外露、支座剪切变形、伸缩缝破坏等。文章重点浅析粘贴碳纤维材料加固方案的应用。碳纤维材料作为新时期的增强材料有着良好的强度和韧性，因此在许多军工、民用领域的应用都得到了良好的效果。因此其在桥梁加固中的合理应用也可以对于我国现有桥梁的工程强度和使用寿命都有着良好的促进作用。

2 桥梁加固方法简析

桥梁加固方法有很多，目前广为采用的加固方法有补强法、钢筋混凝土法、变更受力结构、增设加固法等。

2.1 补强法

补强法主要是为了应对现有桥梁中存在的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足等问题。在桥梁加固中的补强层加固法主要是在梁顶上加铺一层钢筋混凝土层。在这一过程中施工人员会首先凿除旧桥面，从而能够使其与原有主梁形成整体，并且达到增大主梁有效高度和抗压截面强度的效果。其次，桥面补强法的应用还能够有效的改善桥梁横向分布能力，并且能够达到提高桥梁的承载能力的目的。与此同时，桥面补强法的应用还能够在梁底面或侧面加大尺寸，然后增配主筋，从而能够起到提高梁的有效高度和抗弯强度并且提高桥梁承载力的效果。

2.2 钢筋混凝土法

钢筋混凝土法是锚喷混凝土加固法和粘贴钢板筋加固法的统称。钢筋混凝土法的应用需要高速喷射机械的支持，在这一过程中施工人员可以通过将新混凝土混合料连续地喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上来使得凝结硬化形成钢筋混凝土，并且增大桥梁的受力断面和补强钢筋，最终有效的加强结构的整体性。其次，钢筋混凝土法的应用还能够使桥梁可以承受更大的外荷载作用，并且使其与结构形成整体，以钢板代替增设的补强钢筋，达到提高梁的承载能力的目的。

2.3 变更受力结构

变更受力结构是可以卓有成效的对于旧桥进行加固的方法。变更受力结构实际上能够有效的对旧桥进行加固，并且在此基础上恢复和提高旧桥的承载能力及通行能力，从而能够起到延长桥梁使用寿命的效果。其次，合理的变更受力结构还能够节省大量不必要的投资，并且可以收到良好的社会经济效益。与此同时，通过改变桥梁结构受力体系，还能够达到提高桥梁承载能力的目的。例如通过把简支梁与简支梁纵向加以连接，由简支变成连续，或在梁下增设钢桁架等加劲或叠合梁等就能够给起到卸载的作用。

2.4 增设加固法

增设加固法的应用关键在于对于桥梁进行适当的拓宽与改建，来达到提升地基安全性能的效果。增设加固法的应用首先需要现有桥梁具有足够承载能力的情况下才可以采用增设承载力高和刚度大的新纵梁。在这一过程中新梁与旧梁相连接，并且能够共同受力。其次，增设加固法的应用还可以确保下部构造无病害，在这一前提下施工人员可以在原主拱圈腹面下增设一层新拱圈。

3 碳纤维材料在桥梁加固中应用

碳纤维材料在桥梁加固中的应用可以期待良好的工程效果，以下从材料特性、现有桥梁加固、加固计算方法、加固工艺应用等方面出发，对于碳纤维材料在桥梁加固中的应用进行了分析。

3.1 材料特性

碳纤维材料在桥梁加固中应用的第一步是对于材料的特性有着足够的了解。碳纤维材料的应用以及有接近50年。西方先进国家如美国、德国首先开始将这一材料应用于桥梁结构的主要构件中。而我国在将碳纤维应用于工程和基础设施领域始于20世纪80年代初期。在这一过程中碳纤维材料所具有的强大的力学特点开始逐渐的被认知和推广。碳纤维材料具有应力应变曲线完全线弹性，实际上是不存在屈服点或塑性区的。其次，由于碳纤维材料具有优异的物理力学性能。高弹性模量碳纤维的抗拉强度比钢材大68倍并且弹性模量比钢材大2.5倍。本项目采用的碳纤维材料的技术指标如下：

抗拉强度标准值应根据置信水平C=0.99、保证率为95%的要求确定

碳纤维布与胶粘剂粘贴结合后形成的复核材料技术性能指标如下表：

3.2 现有桥梁加固

碳纤维材料在桥梁加固中加固和维修主要有两种方式。一是对混凝土梁的加固或维修，二是对桥墩柱或桥面进行加固或维修。外贴钢板法加固维修混凝土梁常有钢板脱离、生锈、腐蚀等问题，且对于大跨度桥梁会增加桥的自重，而碳纤维材料粘贴方法不但适用范围大，操作简单，而且加固维修效果良好。碳纤维材料可以粘在混凝土的顶或底板上以提高曲强度和刚度，也可贴在梁的腹板上以提高其抗剪切强度。使用CFRP板加固混凝土梁可使其强度提24%～80%。对于桥梁墩柱的加固或维修主要可以通过碳纤维缠绕技术进行。粘贴碳纤维材料技术操作简单，所需施工空间小，节约成本。根据碳纤维布的品质不同，其厚度、幅宽和卷材长度也有所不同。

3.3 加固计算方法

碳纤维材料在桥梁加固中应用的关键在于做好加固计算方法。采用碳纤维布加固旧桥，首先需要采用的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准来近似的换算成为相应比例的钢筋，接下来才能根据传统的钢筋混凝土受力分析模型来进行加固数据分析。在碳纤维布加固用量计算过程中，根据Acf=As（Ry/Rcf）这一公式，需要对于As钢筋面积、Ry抗拉设计强度、Rcf碳纤维抗拉设计强度进行套用与计算。其次，在加固计算过程中计算人员还需要考虑到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。

3.4 加固施工工艺

本项目桥梁加固采用的碳纤维材料为美国进口芳玻韧布（TYFO SEH51 FRP）与高强环氧树脂现场粘合形成复合纤维加固系统进行加固。它是由芳纶凯芙拉（Kevlar-防弹衣材料）与特种玻纤（E-glass）编合的碳纤维布与配套专用树脂现场粘合而成的强韧复合碳纤维材料，粘贴在混凝土结构的外表面，并形成新的复合结构。施工工艺步骤如下：

3.4.1 桥下搭设临时操作支架。支架高度根据河底高程、原板梁底高程确定，板梁底下应留有足够的人员操作净空。

3.4.2 原桥梁板底加固处理。铲除待粘贴砼构件表面砼松散体（或找平层），用环氧砂浆修补破损的砼表面，使之平整，没有尖角和突起物；粘贴前清除结构表面的结露和凝水。

3.4.3 若粘贴碳纤维布部位存在空洞情况，需先采用环氧树脂砂浆修补空洞。施工步骤如下：（1）用人工凿除的方法将将缺陷周围的松散、破损混凝土予以清除，露出新鲜混凝土粗骨料，并用工业酒精进行清洗，再用空压机将修补范围吹净，确保修补面洁净干燥，要求做到无水湿、无污渍及灰尘，修补深度应保证清除所有已破损的混凝土。（2）配制环氧砂浆时准备好案秤、配胶用的干净容器（一般用塑料盆）、丙酮（或酒精）、干棉纱、抹刀、胶料搅拌器等。将水按比例倒入合适的容器，边搅拌边按比例加入粉剂，用低速电动搅拌器搅拌3分钟，避免引入空气。（3）为了使修补砂浆能与老混凝土良好地结合，在刮涂修补砂浆时，若厚度超过30mm，要采用分层施工。在施工时，表面处理要尽量平整，颜色尽量与原构件表面颜色基本一致。（4）修补完后，夏季采用遮阳防晒法，冬季采用加热保温法，养护温度控制在20℃左右，养护期5天。

3.4.4 配制特种环氧树脂和浸渍纤维布。（1）在环境温度下按比例混合环氧树脂组份A和组份B，并按规定转速搅拌5分钟，施工期间温度控制在5℃～38℃之间。（2）根据设计图纸所规定的纤维布尺寸裁剪SEH51纤维布，并将裁剪好的纤维布用配制好的TYFO环氧树脂均匀涂湿。

3.4.5 复合补强层的施工。（1）将待加固的板梁底表面涂刷一层混合好的树脂做底层。（2）在规定的时间内，将浸透的纤维布象贴墙纸一样平整地贴在砼表面，并注意主纤维的走向。纤维布之间横向（非主纤维方向），拼接不得小于10mm，纵向（主纤维方向）搭接长度不得小于150mm，搭接须交错布置。（3）对复合补强层进行检查，树脂中的气泡必须在树脂硬化前排出，每一层纤维布必须与基层紧密附着。

3.4.6 复合补强层的养护。在环境湿度和温度下，粘贴后的复合纤维布24小时可达设计强度80%，48小时后方可进行桥面系的加载施工。

4 结语

随着我国高速公路纷纷进入大修期，碳纤维材料在桥梁加固中的应用越来越广泛，其施工工艺和高强碳纤维材料的开发还处于一个不断摸索与优化的过程中。因此公路桥梁的工程技术人员需要根据现有桥梁加固应用的实例来进行材料特性与加固工艺的分析，最终能够在此基础上促进我国桥梁加固整体水平的有效提升。

参考文献

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