碳纤维包覆设计与施工在桥梁抗震补强中的应用

韦剑双

摘要：在抗震补强工法中，纤维强化高分子复合材料包覆工法凭借碳纤维材料重量轻、强度高、易施工等特性逐渐成为目前较常见的应用手段。文章以广西某桥梁为例，介绍碳纤维包覆补强工法的设计思路与理念，并阐述其施工工艺流程及施工质量控制要点。

关键词：桥梁;抗震补强;碳纤维;包覆补强

中国分类号：U442.5+5文章标识码：A361403

0 引言

我国已发生多次重大的地震灾害，地震后桥梁结构物的抗震安全成为国家防灾计划非常重要的课题。我国交通部为防患于未然，开始分阶段持续推动高速公路桥梁抗震评估补强工作。在抗震补强工法中，纤维强化高分子复合材料包覆工法，凭借碳纤维材料重量轻、强度高、易施工等特性，逐渐成为目前较常见的应用手段。本文以广西某桥梁为例，介绍碳纤维包覆补强工法的设计思路与理念，并阐述其施工工艺流程及施工质量控制要点。

1 工程概况

该桥梁位于广西某高速公路路堑开挖区（里程K96+445），跨越某高速公路主线，为长（27.5+42+27.5=97）m、宽13.1 m的[WTBZ]π形桥，上部结构采用三跨连续的变断面预制预应力双T梁，斜撑式墩柱与上构以45°的仰角刚接，并与基础铰接连结。依据评估结果，下部结构直接基础尚符合规范的抗震性能要求，但桥台支承抗水平能力及桥墩剪力容量小于抗震性能需求。采用混凝土包覆补强、钢板包覆补强及纤维增强复合材料包覆补强，可解决桥墩剪力容量小于抗震性能需求的问题。由于本桥位于敏感性边坡，若采用混凝土包覆补强将增加边坡额外荷载，不利于本桥的边坡稳定，故不采用混凝土包覆補强。此外，本桥为[WTBZ]π型桥，桥柱倾斜，钢板包覆施工较复杂且荷载亦较纤维增强复合材料为重，施工较困难，故本桥的桥柱剪力补强采用6～12层（纤维含量>300 g/m2/层）纤维增强复合材料包覆补强，可同时降低补强施工对高速公路交通的影响。

2 碳纤维包覆设计

2.1 碳纤维包覆设计工法介绍

纤维增强复合材料有三个基本成分，分别为纤维、基材及纤维与基材间的界面等。其中纤维为强化材料，使纤维增强复合材料具有很高的强度和弹性系数，同时也是决定纤维增强复合材料机械性能的主要因素。其主要功能为承受主要负载，限制微裂纹延伸，提高材料强度与刚性，改善材料抗疲劳、抗潜变性能，提高材料使用寿命与可靠性等。目前最常应用的纤维材料为碳纤维、玻璃纤维及克维拉纤维等[1]。

纤维增强复合材料基本成分中的基材是决定纤维增强复合材料使用温度、电气特性及化学性质的主要因素，其主要功能为传送或分散应力至纤维中，固定纤维排列方向，保护纤维避免受摩擦或侵蚀，结合纤维使复合材料受应力时不致于变形或破坏。目前最常应用的基材材料为聚酯树脂、环氧树脂及热塑性塑料。纤维与基材间的界面是决定纤维增强复合材料使用寿命的主要因素，其主要功能为使负荷能顺利由基材传送至纤维，抵抗纤维与基材间热膨胀造成的支应力，避免复合材料受液体渗透，帮助基材保护纤维，抵抗树脂硬化收缩现象[2]。

在桥梁抗震补强方面，由于设计目的是在大地震时可产生良好韧性的塑性铰，对钢筋混凝土桥柱而言，如其韧性或剪力容量不足，可采用碳纤维包覆补强提高其韧性。纤维复合材料可采用碳纤维复合材料与高强度玻璃纤维复合材料。

2.2 设计思路

纤维增强复合材料包覆工法虽具有材料轻、柔性、搬运容易及施工迅速等优点，但因此工法对钢筋混凝土桥柱的围束效果、韧性改善成效及本土化施工的便利性仍有待证实，故现阶段高速公路桥梁抗震补强工程采用纤维增强复合材料包覆工法进行围束补强时，须满足下列8点条件：

（1）对于圆形桥柱及矩形桥柱，其位移韧性需求不得超过6 mm及3 mm。

（2）对于矩形桥柱，其长边长度不得超过100 cm，长短边的比值不得超过1.5。

（3）对于圆形桥柱，其直径不得超过250 cm。

（4）不得采用用于桥柱的钢筋搭接补强。

（5）单柱桥柱不得采用纤维增强复合材料包覆抗震补强。

（6）桥柱的轴压应力不得超过0.15 fc，全断面积Ag及主筋比不得超过2.5%。

（7）桥柱变断面处不得采用纤维增强复合材料包覆抗震补强。

（8）河川桥桥柱不得采用纤维增强复合材料包覆抗震补强。

上述第（3）点的要求，是考虑到国内外有关纤维增强复合材料补强工法的柱尺寸试验报告不多，且部分较大比例的缩尺寸试验结果不足以让此工法大量应用于柱尺寸较大时的桥梁补强;第（5）点则为结构静不定度风险性的考量。

另外，桥柱往往有固定水管等附挂支架需求，如有因钻孔打设螺栓等破坏纤维增强复合材料包覆贴片情形，亦须依实际情形于适当范围内进行局部补强。本工程于落水管固定支架钻孔底板处，加强4层纤维增强复合材料包覆，范围为底板边缘水平及垂直向两侧各15 cm。

基于经济性及维护上的考量，对于钢筋混凝土桥墩补强规划设计的选择，建议是以混凝土及钢板包覆工法为原则，若因空间受限、美观要求或施工条件不适用混凝土及钢板包覆工法时，则可采用纤维强化高分子复合材料包覆工法，但纤维材料耐火性差，建议使用的位置要避免火灾的发生[3]。

3 碳纤维包覆施工工艺及质量控制

3.1 主要施工工艺流程

本工程采用的碳纤维补强法的施工步骤如下：

（1）面层处理：混凝土表面劣化层使用高压水刀进行表面处理并以砂轮机磨平，直至露出粗骨材为止，面层施工前混凝土面层的裂缝须完成修补。

（2）隅角部的削角：防止内角与外角的碳纤维贴片的剥落及强度下降。凸出部分以切割机或砂轮机将其削除并使其平滑，凸角R≥30 mm以上，凹角则以树脂砂浆填补。

（3）涂布底面涂料：在使用时间内以毛刷滚轮均匀涂布，底漆用量≥0.4 kg/m2。

（4）碳纤维贴片粘贴：单向碳纤维贴片粘贴于树脂涂布面后，以毛刷滚轮和橡皮刮刀顺着纤维方向用力推平2～3次，使树脂浸透并去除气泡。纤维（长向）方向的搭接长度要留200 mm。

（5）完工后试验：碳纤维贴片完成后，分别依相关规定办理目视检测、金属锤测试、Durometer Shore〔JIS〕D硬度测试及现场拉拔试验。其中，现场拉拔试验根据国家现行规范测试，破坏面必须为混凝土破坏或拉拔强度>20 kgf/cm2视为合格;碳纤维贴片产生残间剥离现象时，亦视为不合格。

（6）养护：碳纤维贴片补强施工后，为避免雨水、砂、灰尘等附着其上，必须使用塑料布保护，应注意覆盖布不要接触施工面。为达到设计强度，平均气温为10 ℃，养护时间为14 d;平均气温为20 ℃，养护期间为7 d。

（7）完工后面层防护粉刷层（已试验合格）：于最外层碳纤维贴片的环氧树脂面层施作完成后，立即于表面均匀洒布粒径为1～2 mm的石英砂，并于树脂初期硬化后，以防水弹性水泥与硅砂拌和的砂浆粉刷[4]。

3.2 施工质量控制

（1）因碳纤维包覆补强施工时在气温在5 ℃以下、雨天、可能结露或相对湿度>85%时，不可施工，故施工地点的温度、湿度需先行确认，并选用适当的渗透型底漆。本工程施工期间为夏季，气候多雨，相对湿度常超过85%，以致通常只能施作半日，或全日不能施作，从而影响施工效率。

（2）桥面常有水沿排水管或伸缩缝滴下，导致补强面潮湿无法施工，需在梁底增设阻水设施阻绝雨水下渗，避免影响施工质量。

（3）粘稠度应以加热方式控制，不可使用有機溶剂稀释。

（4）应提高施工人员的熟练度及采取适当的管控，稍有错漏极可能造成试验及补强失败。

（5）有关碳纤维施工检验常见缺失如下：

①面层处理不到位，高压水刀未将混凝土表面劣化层处理至粗骨材面出现，造成后续涂布底面涂料与混凝土面接合不佳，形成弱面，在拉拔试验时常产生破坏面。

②碳纤维贴片粘贴过程中，毛刷及橡皮刮刀未将气泡去除或树脂浸透不足，造成金属锤测试时会有异常。

③碳纤维贴片层次间施工时间掌控不佳，未能在涂布树脂保持在湿润状态时将碳纤维贴片贴上，造成需第二次涂布树脂以确保层次间的密合。

4 结语

（1）基于经济性及维护上的考量，对于钢筋混凝土桥墩补强方案设计的选择，建议以混凝土及钢板包覆工法为原则，若因空间受限、美观要求或施工条件不适用混凝土及钢板包覆工法时，则可采用纤维强化高分子复合材料包覆工法。纤维包覆补强工法具有材料轻、柔性、搬运容易及施工迅速等优点，但纤维材料耐火性差，建议使用的位置要避免火灾的发生;且在其对混凝土桥柱补强的耐久性能，及国内施工条件与品质管理程序等方面，应进行持续研究与改进。

（2）碳纤维具有方向性，施工须特别注意，包覆构材形状若有弯角，应予圆弧化。

（3）更多地将纤维强化高分子复合材料应用于桥梁工程的新建与补强，将会是未来工程界的趋势，现阶段可根据设定的条件筛选部分桥梁采用碳纤维补强工法，以累积设计、施工、检测与养护的实践经验，作为国内碳纤维本土化应用的重要资料库。

参考文献：

[1]刘俊民.浅谈碳纤维布在桥梁加固中的应用[J].城市道桥与防洪，2015（2）：172-173.

[2]王继忠.浅谈防水型碳纤维布在后浇带中的应用[J].建筑工程技术与设计，2017（10）：137.

[3]郝 轶，闫淑杰.桥梁工程碳纤维加固技术及维修[J].交通世界，2011（21）：252-253.

[4]赵 岳.桥梁工程中碳纤维加固的施工技术[J].建材与装饰，2015（23）：288-289.

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