碳纖維單向布加固砼技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用

【摘 要】碳纖維單向布與配套樹脂材料是加固維修鋼筋砼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的新材料、新工藝。在平安縣城白沈河中橋中，為使主梁滿足抗彎要求，采用了此技術(shù)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。用此新技術(shù)、新材料加固的工作在青海尚屬首例，同時也取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。本文對該材料性能與施工工藝等有關(guān)技術(shù)問題做一介紹。

【關(guān)鍵詞】碳纖維單向布；加固砼技術(shù)；應(yīng)用

The carbon fiber one-way cloth reinforce a Mao technique to change the application of Taipei First Boys School in the old bridge

Li Gui-qing

(Qinhai Province charge highway administrative office Xinin Qinhai 810008)

【Abstract】The carbon fiber one-way cloth and kit resin material is reinforce to maintain the reinforcing bar structure realm in of new material，new craft.In the pinganxian baishenghe bridge，for make lord beam satisfy the anti- be curved request，adoption this technique carry on reinforcing a compensation.Reinforce with this new technique，new material of work still the first also obtained in the meantime in Qing Lake bigger economy performance.This text rightness should material function and construction craft etc.relevant the technique problem do an introduction.

【Key words】The carbon fiber one-way cloth；Reinforce a concrete technique；Application

1.碳纖維概述

碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計(jì)要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過對梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對比試驗(yàn)，力學(xué)性能顯著得到提高，據(jù)試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5～8%。此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比，具有自重小、施工簡便、施工周期短、基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸和耐久性好等特點(diǎn)。

美國、日本等國于二十世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，僅日本1997年用于加固修復(fù)的碳纖維布使用量就達(dá)70萬m²。我國近兩年來，科研單位和院校在這方面的研究和應(yīng)用做了大量工作，生產(chǎn)出一系列的碳纖維復(fù)合材料，使工程降低了費(fèi)用，同時也取得了較成熟的設(shè)計(jì)方法和施工經(jīng)驗(yàn)，為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。

2.工程概況

該工程為位于青海省海東地區(qū)平安縣城東白沈河橋，橫跨白沈河。近年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通行車輛及重型車輛逐漸增多，該線公路負(fù)擔(dān)著疏散青海省主要交通的重任。然而，在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：梁體破碎、表面出現(xiàn)大量裂縫、橋面鋪裝網(wǎng)裂現(xiàn)象嚴(yán)重、梁體大面積滲水以及橋臺后路面開裂沉降等病害現(xiàn)象。通過調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重型車輛通過橋梁時，橋跨結(jié)構(gòu)振動較大。橋梁已處于不安全使用狀態(tài)，急需進(jìn)行檢測評定，以便合理采取技術(shù)改造措施，從而保證該橋安全運(yùn)營。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為3孔13米鋼筋混凝土簡支T梁橋，老橋每孔7片T梁由5道橫隔板橫向鉸結(jié)成孔；加寬部分每孔3片T梁由5道橫隔板橫向鉸結(jié)成孔。下部結(jié)構(gòu)采用重力式U臺及重力式墩身，基礎(chǔ)類型為天然淺基礎(chǔ)。板式橡膠支座，錐形護(hù)坡。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

橋梁跨徑：3×13=39米；

橋面寬度：2.8(人行道)+2.4(加寬)+11.2(老橋)+2.4(加寬)+2.8(人行道)=21.6米；

設(shè)計(jì)荷載：汽-20級，掛車-100。

對于抗彎承載能力，設(shè)計(jì)抗力為 ，則基于檢測結(jié)果的結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)經(jīng)以上各個折減系數(shù)修正后為 。荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算值 ，則考慮活載影響修正系數(shù)后的荷載效應(yīng)的計(jì)算值 。即結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)小于荷載效應(yīng)，該T梁不能滿足抗彎承載能力的要求。

經(jīng)驗(yàn)算分析結(jié)果可知，該T梁需進(jìn)行抗彎加固。

3.主梁加固方案和材料的選定

3.1 加固方案的選定。最早提出采用粘貼鋼板的加固方案，由于該橋梁位于平安縣城繁華地段且梁片數(shù)較多，改橋?yàn)樾?、老橋結(jié)合，老橋修建年代久遠(yuǎn)，若采用粘貼鋼板方案美觀性較差，日后養(yǎng)護(hù)等較煩瑣，從安全性上由于上部主梁片數(shù)較多，粘貼鋼板加大了上部重量，增加了下部構(gòu)造的負(fù)擔(dān)，經(jīng)計(jì)算比較最后確定選用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋的10倍以上，而彈性模量也與鋼筋相近，較適合于鋼筋砼結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固工程。另外施工簡便，適用于要求施工周期短的加固工程。

3.2 材料的選定。近二、三年來，我國引進(jìn)了美國、日本生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費(fèi)用高影響推廣應(yīng)用。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)，為該工程材料的選用奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)比較采用蘭州德億建筑科技有限公司的碳纖維布和配套樹脂，其中碳纖維布采用的是國外進(jìn)口優(yōu)質(zhì)絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，費(fèi)用較低。產(chǎn)品通過國家級質(zhì)檢部門的嚴(yán)格檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。

4.施工工藝

為確保主梁抗彎鋼筋與加固碳纖維能夠同步工作，應(yīng)該盡量縮短原主梁鋼筋與碳纖維的應(yīng)力應(yīng)變的差值，主梁加固時需考慮卸載措施，這樣可推遲將原主梁結(jié)構(gòu)的鋼筋受力轉(zhuǎn)給碳纖維的時間，積極地改善主梁結(jié)構(gòu)，并使得破壞時原鋼筋和碳纖維各自進(jìn)入極限狀態(tài)，主梁的總體強(qiáng)度顯著得到提高。主梁加固時卸載措施：拆除上部橋面鋪裝→碳纖維布粘貼加固→新鋪筑橋面鋪裝。

加固施工工藝步驟如下：

4.1 定位放線：首先熟悉施工圖紙，明確加固部位及范圍，然后在構(gòu)件上彈線(其輪廓線要大于實(shí)貼尺寸20mm以便打磨)。

4.2 混凝土基層處理

4.2.1 為了保證粘貼密實(shí)，在不影響原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用先人工后機(jī)械打磨的方法。剔除表面灰層與混凝土的接觸面，混凝土面平整度每米不大于4mm。同時要剔除粘貼面上的木屑、油氈等雜物?；炷链蚰ィ媒窍蚪悄C(jī)配合金剛石角磨機(jī)片，對混凝土面進(jìn)行打磨。磨去混凝土表面附著物，如混凝土老化層、油污、灰漿等等；需要露出混凝土新面(一般應(yīng)磨去1~3mm)。當(dāng)混凝土表面凹凸不平時，應(yīng)用找平材料將缺陷部位填補(bǔ)平整。纖維布通過的轉(zhuǎn)角處，用找平材料修復(fù)為光滑的圓弧，半徑不應(yīng)小于20mm。

4.2.2 混凝土面清洗。清洗過程中應(yīng)多次成活。首先用脫脂棉絲擦拭混凝土粘貼面，去除表面浮灰；然后用脫脂棉絲沾丙酮(純度80%以上)，擦拭2~3遍。最后，在粘貼前再清洗一遍混凝土面。處理結(jié)果以表面無灰塵油污為準(zhǔn)。并確保表面處理后不被浮塵、油污等雜質(zhì)二次污染。

4.3 裁剪下料：按照設(shè)計(jì)尺寸并結(jié)合實(shí)際情況將纖維布準(zhǔn)確下料，要求不亂絲、不斷絲。

4.4 涂刷底層樹脂：按照產(chǎn)品工藝規(guī)定配制底層樹脂，均勻涂抹于構(gòu)件表面所要粘貼的部位，膠層厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，不宜過薄。表面指觸干燥后立即進(jìn)行下道工序。

4.5 粘貼

4.5.1 按照產(chǎn)品工藝規(guī)定配制粘貼樹脂。

4.5.2 將纖維布表面擦拭干凈無粉塵。

4.5.3 纖維布表面擦拭干凈后立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈突起狀，平均厚度不小于2mm。

4.5.4 將涂有粘結(jié)樹脂的纖維布固定在需要粘貼位置，用特制的滾筒沿碳纖維布受力方向多次滾壓擠出氣泡，以使碳纖維布與混凝土表面緊密粘結(jié)；同時，使粘接劑充分滲入纖維之間的縫隙內(nèi)。最后，在碳纖維布表面再涂抹一層粘接劑。當(dāng)平行粘貼多層纖維布時，其間距須大于5mm。

4.5.5 粘貼兩層纖維布時，應(yīng)連續(xù)粘貼，如不能立即粘貼，需要在粘貼前應(yīng)該對底層纖維布作好清潔工作。

4.5.6 粘貼碳纖維后需要對粘貼層進(jìn)行防火處理。

4.6 檢驗(yàn)、驗(yàn)收。碳纖維布與混凝土之間的粘貼質(zhì)量必須保證其有效粘貼面積大于95%，施工質(zhì)量滿足《碳纖維片材 加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。粘貼質(zhì)量不符合要求需割除修補(bǔ)時，應(yīng)沿空鼓邊沿，將空鼓部分的碳纖維割除，以每邊向外緣擴(kuò)展100mm，大小之同樣碳纖維材料，用同樣粘結(jié)劑，補(bǔ)貼在原處。搭接長度應(yīng)不小100mm。

5.加固優(yōu)點(diǎn)及探討意見

5.1 碳纖維布重量輕，施工時不用任何重型設(shè)備，其又很薄不需要較大的空間，尤其是在該工程加固空間緊張的情況下，更能顯示這一優(yōu)越性。

5.2 加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)，采用粘貼強(qiáng)度高和高彈性模量的碳纖維的辦法，可能取得類似于鋼板的同樣加固效果，但其結(jié)構(gòu)重量未增加，外表也輕巧美觀。

5.3 有極好的耐久性，由于加固只使用碳纖維和配套樹脂，因而不會出現(xiàn)生銹，并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能，碳纖維布有極好的抗化學(xué)作用。

5.4 為促進(jìn)該項(xiàng)新技術(shù)、新材料的快速發(fā)展，建議有關(guān)單位應(yīng)盡快組織力量，制定完整的設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量檢驗(yàn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)規(guī)范。本文結(jié)合白沈河橋加固工程實(shí)例及其它碳纖維加固工程，本人認(rèn)為粘貼碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)是加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)行之有效的方法，值得推廣應(yīng)用。

[文章編號]1619-2737(2009)03-30-026

[作者簡介]李桂琴(1964.1-)女，畢業(yè)于福州大學(xué)土木建筑工程系路橋?qū)I(yè)，工程師，研究方向：公路工程。