CFRP在桥梁加固中的应用综述

(重庆交通大学 重庆 400047)

经过多年的发展，我国的桥梁工程发展已经具有相当大的规模，但是伴随我国的交通量的快速增长和标准车辆的逐步重型化不少的桥梁出现了问题。一方面是当时设计时不能预见社会的高速发展，按照原设计桥梁的承载了不能满足要求以及部分桥梁在远远没有达到设计寿命便出现了耐久性能严重退化的现象；另一方面时由于早期局限于设计、施工水平，使得桥梁暴露出不少的缺陷。故桥梁的加固处理是必要的。目前关于混凝土桥梁的常用加固方法有桥面补强层加固法、增大截面与配筋加固法、锚喷混凝土加固法、增加横向联系加固法、增设主梁加固法、改变结构受力体系加固法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、粘贴碳纤维布加固法等[1]。本文主要介绍使用碳纤维布加固已有桥梁的方法。

一、CFRP的介绍

(一)CFRP类别

CFRP(碳纤维增强复合材料)首先运用于航天工程，在80年代初开始对应用于土建工程进行研究.由于其优秀的力学性能，被应用于PC桥梁的张拉、建筑物的外墙、既有桥梁的加固等方面。碳纤维复合材料的种类较多,其中用于混凝土结构补强加固的大致可分为三类。按力学性能分为高模量(I型)、高强度(Ⅱ型)和中等模量(Ⅲ型)3种；按形式分为长纤维和短纤维2种,其中长纤维由材料的形状分为片材、棒材、型材和特殊构造用材料4种;按原丝种类分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和沥青基碳纤维2种。

(二)CFRP的基本力学性能

使用CFRP进行加固作为当前桥梁加固的热门研究方向的原因在于它具有优良的力学性能。首先，碳纤维复合材料的抗拉强度高，一般为2000—7000 MPa，顺纤维方向的抗拉强度远大于桥梁工程中常用的HRB400钢筋(1860Mpa)，但是CFRP各项异性，均匀性比较钢板要差，抗剪强度低；其次，CFRP的弹性模量、热膨胀系数、密度均低于普通钢筋和高绞线，其中密度只有钢筋的1/5左右，十分便于施工安装；同时，根据抗疲劳性能好,瑞士联邦材料试验研究所曾对l9丝CFRP缆索做过测试,其平均应力达到550MPa时,200万次循环荷载应力幅度可达900MPa,是钢材的4倍[2]；此外，碳纤维复合材料还具有耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、耐疲劳、良好的导电导热性能电磁屏蔽性好等优良特性。

目前，在桥梁加固中，CFRP的主要是通过与构件协同作用承受拉应力，并对结构出现的裂缝进行约束，避免裂缝二次发展。

二、CFRP加固桥梁

(一)CFRP加固桥梁的原理

碳纤维复合材料加固桥梁技术是利用树脂类材料把CFRP粘结于桥梁结构或构件表面，与桥梁结构形成复合体协同工作，从而达到加固的作用。当桥梁结构受到弯矩作用时，会使构件的受拉区出现裂缝，若是将碳纤维复合材料粘贴于受拉区表面，构件受到弯矩作用时，若该弯矩过大，使钢筋出现伸长，混凝土将出现裂缝，则贴于构件表面的碳纤维复合材料会受力，阻止裂纹发生，或者阻止已有裂纹的进一步延伸。另一方面，在构件的受拉区粘贴CFRP将会导致构件截面的受压区域高度增加，进而提高受弯构件的承载能力。

(二)CFRP加固桥梁的方法

1.CFRP加固桥梁传统加固方法。直接粘贴是CFRP加固桥梁的一种常用方法，也就是用树脂类材料把CFRP粘结于桥梁结构或构件表面，是一种被动加固法。具体方式主要有；1.沿构件的主轴方向粘贴CFRP，使构件的抗弯性能得到提高；2.沿构件主轴垂直方向粘贴CFRP，使构件抗剪承载力得到提高；同时，在主轴垂直方向粘贴CFRP可以改善加固位的延性，使抗震能力得到提高。该加固方法施工简便，经济，对桥梁结构施加的附加荷载较少，可适应各种桥梁构件。

CFRP加固的施工技术主要包括以下几步：(1)基底处理，是在加固之前的施工预处理；(2)涂底层涂料，一是为了方便CFRP的粘贴，二是涂料渗透入加固结构内可以在一定程度上达到加固强化结构的作用；(3)粘贴CFRP；(4)养护；(5)表面涂装。

2.预应力CFRP加固方法。相较于传统的直接粘贴CFRP的桥梁加固技术，还有一种较新的桥梁加固技术——预应力CFRP加固技术。这种技术能使固体的承载能力更大幅度提高，也能将碳纤维复合材料的优良性能更多的发挥出来。但是这种方法更多的是在实验室研究室使用，应用于实际工程中的很少。目前，预应力CFRP在加固桥梁中有三种方法，即为反拱法(起拱法)、类似先张法和类似后张法[3]。

(三)CFRP加固桥梁的优势

同传统加固方法相比较，CFRP加固方法有以下优势：(1)使用CFRP不会增加桥梁的自重，对桥梁截面尺寸的影响也很小；(2)随型性很强，可以适用不同的构件形状；(3)施工十分方便，所需的工作面小，可在受到限制的空间进行施工；(4)不会对原结构造成二次损伤；(5)在混凝土表面粘贴CFRP可以有效的封闭裂缝，阻止裂缝的增大；(6)CFRP具备耐腐蚀的特性，故在一些易受到外界环境侵蚀的地方也可以使用。

(四)CFRP加固桥梁的不足

CFRP加固桥梁比较传统加固方法有很多优势，但由于CFRP加固技术出现的时间较传统加固技术短很多，缺少专业的施工队伍，也缺少更多的实际工程来发现和解决问题，这导致进行了加固之后的桥梁质量的不到保证。常见的问题有材料本身的问题、施工工序的问题、施工条件控制的问题和施工后结构养护的问题[4]。另一方面，实际结构加固后原结构受力主筋与CFRP补强材料之间却存在分阶段受力的特点，但是在现行的JTGTJ22—2008《公路桥梁加固设计规范》[5]中确实按照两者共同变形受力计算的，虽然在施工时会对桥梁结构进行处理，但仍然存在影响。同时，由于发展时间较短，缺少大量的实际工程做支撑，在理论和实验方面需要进一步的研究，故CFRP材料应用于桥梁加固还有一些需要进一步解决的地方：首先，CFRP材料存在疲劳问题，这对加固的年限有影响；CFRP材料受爆晒、化学物质的影响会出现老化的问题；在进行了CFRP材料加固之后，由于CFRP的抗拉强度，可能出现结构中的混凝土被压碎而钢筋未发生屈服，桥梁发生脆性破坏，这不仅是影响加固效果，这还是一个可能存在的安全隐患。要想CFRP材料加固桥梁能更进一步的发展，这些问题有必要在深入的研究。

三、结论与建议

碳纤维复合材料(CFRP)加固桥梁技术在施工时占用空间小、施工容易，并且它对施工场地周边环境的影响很小，符合当今要求的环保施工的要求，这是未来桥梁加固的一种趋势。