公路危旧桥梁碳纤维加固技术应用研究

张天荣

（甘肃省兰州公路管理局，甘肃　兰州　730030）

公路危旧桥梁碳纤维加固技术应用研究

张天荣

（甘肃省兰州公路管理局，甘肃兰州730030）

随着公路交通量的快速增长，公路路网中桥梁承受的荷载不断增加，早期设计建造的桥梁承载能力明显不足。为解决公路危旧桥梁承载力不足的问题，延长桥梁使用寿命，本论述通过分析碳纤维加固技术的原理及施工方法、技术特点，依据某危旧桥梁碳纤维加固实例，研究了公路桥梁结构碳纤维加固技术的应用效果及存在的问题，为后续公路危旧桥梁加固技术研究提供了科学参考依据。

桥梁加固；碳纤维；承载能力

0　引言

桥梁是公路网络中重要的结构，随着我国经济社会的快速发展，公路交通量大幅度增长，桥梁结构承受的荷载及冲击力远远超过设计初期的要求，长时间承受超限荷载且运营期间养护不到位，加之桥梁结构老化、设计初期考虑不足、水文地质变化导致早期修建的公路桥梁强度、稳定性等方面逐渐不能适应目前车流量大、重载车辆多的现状，承载力也不能满足要求。桥梁结构病害逐渐增多，必须及时进行处理，否则会影响行车舒适性，严重时会产生桥梁坍塌等安全事故，进而危及行车安全。

公路养护管理部门在用传统的方法进行维修加固时须进行交通管制、封闭交通，为改善公路危旧桥梁的结构性能，提高其承载能力，延长使用期限，防止安全事故的发生，必须对危旧桥梁结构进行必要的加固。然而对于正常使用中的普通国省干线及高速公路，采用普通的加固方法如体外预应力加固、改变结构体系加固、喷射混凝土加固等方法的施工周期、后期养护时间较长，施工流程繁琐，成本昂贵。因此，寻求施工方便、性能可靠的加固技术有助于延长桥梁寿命、提高桥梁承载能力，同时能极大地减少桥梁维修加固施工阶段对交通的影响。

1　研究背景

碳纤维是一种最初运用于航空航天工程的新型材料，在二十世纪八十年代末期开始运用于桥梁、隧道结构的加固中，是一种力学性能优异的加固材料。碳纤维具有强度高、施工方便、自重轻、耐腐蚀等特点，且其热膨胀系数与混凝土、钢材相比要小的多。相关研究发现，温度上升15℃时，尽管其产生的拉应力为32.25 MPa，但变形量较小［1］。在公路桥梁维修加固过程中，尤其是主梁高度受限制的普通梁式桥采用碳纤维加固技术进行加固，在提高桥梁承载能力的同时施工工艺、施工流程简单，化学稳定性好，耐腐蚀且不增加桥梁恒载及结构断面尺寸，是一种较为经济、合理、快速的加固方式。目前，国内已大规模采用碳纤维布加固各类桥梁结构，经后续观测证明加固效果良好，发展前景广阔。

2　工作原理

由于碳纤维的材料特性，在桥梁结构产生变形时，其不会立即参与工作，当加固部分出现临界裂缝及裂缝有继续增大的趋势时才会逐渐产生作用。在采用碳纤维加固桥梁结构的过程中，首先将碳纤维束以单向成束的方式进行排列，见图1所示，然后用环氧树脂胶浸渍，将其制成碳纤维布，然后清理需加固结构的受拉表面，用专用环氧树脂胶粘贴，待环氧树脂胶凝固后与原结构形成牢固的整体，与钢筋共同受力，在部分程度上减少了钢筋所受的拉应力，抑止裂缝发展，提高了桥梁结构的承载能力。

图1　碳纤维片的组成示意图

3　施工流程及注意事项

碳纤维布加固主梁时，首先要彻底清理混凝土表面的杂质，填补蜂窝麻面，涂刷底层环氧树脂胶，然后再用环氧树脂腻子找平，再刷一层环氧树脂粘接胶，粘贴碳纤维布，完成后进行养生和涂刷防腐涂料［2］。

在碳纤维布粘贴加固施工过程中，要处理好混凝土表面，对破损部位、漏筋部位及较大的裂缝采用环氧树脂砂浆封堵修补，完成后用钢丝刷清理混凝土表面的油污、灰尘等杂物，避免粘贴碳纤维布后形成空鼓、掉落等问题。配置环氧树脂粘结胶的过程中，通常底层环氧树脂胶使用固化剂∶环氧树脂=18∶100的比例配置，这样可保证其粘度较低且能渗透到混凝土内部，而粘接碳纤维布的环氧树脂胶配置比例为42∶100［3］。刷涂环氧树脂胶时应顺着同一方向均匀涂抹且要等至胶体表面干燥后再进行后续施工；粘贴碳纤维布的过程中要均匀粘贴并用香蕉滚筒沿同一方向均匀挤压以消除气泡，并充分浸透碳纤维布，保证粘贴效果。在后期养护过程中，须保证碳纤维布不能承受任何碰撞，等环氧树脂胶固化后喷涂水泥砂浆。施工完成后符合质量要求的碳纤维布无空鼓、掉落等情况产生［4］。

4　桥梁碳纤维加固实例

某公路桥梁为3×15 m简支I行梁桥，桥梁总长52 m，建成于上世纪七十年代。经日常巡查发现，桥梁两侧边梁底部有网状微裂缝，主梁侧面局部位置有漏筋，梁底有渗水现象。因此采用碳纤维布进行维修加固，碳纤维材料及胶粘剂主要性能见表1所示。

表1　碳纤维材料主要性能

本次危桥加固选用的胶粘剂性能指标见表2所示。

表2　胶粘剂主要力学性能

首先对主梁表面处理，进行基底处理后涂刷底层涂料，不平整的地方刮腻子整平，然后刷涂一层浸渍树脂胶后粘贴碳纤维布，完成后再涂刷一层浸渍树脂胶，结束后进行养护，刷涂防护涂装。本次加固主要对主梁跨中梁底分别采用粘贴30 cm宽的碳纤维布进行加固，施工过程中在每片梁上各设三道15 cm宽的U型箍以固定碳纤维布。

加固完成后，为检验桥梁加固前后强度、刚度等力学性能的变化，进行了桥梁静载试验，进行加固前后的力学性能对比分析，结果见表3所示。

表3　主梁跨中挠度变化

对比分析加固前后的跨中挠度数据变化发现，各主梁桥梁加固后主梁跨中挠度与加固前相比均减小，说明在同样的荷载工况下，粘贴碳纤维布使其梁体整体刚度变大，因而主梁跨中挠度减小。

表4　加固前后力学性能变化

同样对比分析加固前后的梁底钢筋应力变化值发现，加固后梁底应力均比加固前小，见表4所示。

通过对比桥梁粘贴碳纤维布加固前后的静载试验结果发现，各主梁桥梁加固后主梁跨中挠度及梁底钢筋应力与加固前相比均减小，具体见图2、图3所示，说明在同样的荷载工况下，粘贴碳纤维布使其梁体整体刚度变大，因而主梁跨中挠度减小，桥梁的承载能力也得到显著提升。

图2　加固前后主梁跨中挠度变化图

图3　加固前后主梁跨中钢筋应力变化图

5　结束语

与其他桥梁加固方式比如增大截面法、体外预应力加固等方法相比，粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁的方法具有施工工艺简单、不影响行车、施工工期短、见效快、加固效果好、不增加桥梁结构恒载等优势，是一种新型桥梁加固技术。随着我国经济社会的快速发展，交通量急剧增加，公路桥梁承载能力面临着越来越大的考验，通过碳纤维加固公路钢筋混凝土桥梁的技术将提升桥梁结构的承载能力，延长桥梁使用寿命，提升公路路网通行质量。在桥梁产生轻微的病害时也能及时修复，经济社会效益明显［5］。同时采用粘贴碳纤维布加固桥梁可在不增大梁截面、不降低梁底标高的情况下提升桥梁承载能力，全桥梁体线形美观，基本保持不变。

碳纤维加固技术也有其相应的局限性，尤其是施工过程中碳纤维布的接头处理及后续碳纤维布的老化、疲劳等性能目前仍是需要研究的问题，但是随着桥梁加固技术的发展，碳纤维加固技术研究的深入及材料制造工艺的进步，危旧桥梁碳纤维加固的技术瓶颈都会解决，碳纤维加固技术的应用前景也会更加广泛。

［1］ 张祥国，师贞艳.超限桥梁碳纤维加固技术研究［J］.交通与建设管理，2014（Z2）.

［2］ 白海斌.碳纤维新技术在桥梁加固工程中的应用［J］.山西建筑，2012（18）.

［3］ 全晓东，胥明，韦永乐.碳纤维布加固技术在钢筋混凝土中的应用研究［J］.广西工学院学报，2004，15（03）.

［4］ 臧海翔.桥梁结构的碳纤维加固技术研究和实例［J］.科技创业家，2013（12）.

［5］ 牟玉玲.碳纤维加固技术在桥梁工程中的应用［J］.北方交通，2010（05）.

U445.72

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.025

2016-3-28

张天荣（1983-），男，汉族，甘肃兰州人，大学本科，主要研究方向：公路养护技术。