碳纖維布在橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

余 滿

(江蘇寧滬高速公路蘇州管理處，江蘇蘇州 215131)

0 引言

利用碳纖維材料(CFRP)對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的技術(shù)是我國近年來引進(jìn)的一項(xiàng)高效、便捷的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。特別是對受損混凝土結(jié)構(gòu)的加固，效果明顯。這種技術(shù)利用樹脂類材料作為粘結(jié)劑，將高強(qiáng)度的碳纖維布粘貼在結(jié)構(gòu)表面，使得碳纖維布與結(jié)構(gòu)形成一個復(fù)合的整體，從而達(dá)到改善受力構(gòu)件的力學(xué)性能。該項(xiàng)技術(shù)興起于發(fā)達(dá)國家，但在20世紀(jì)90年代末引進(jìn)中國以后，得到了較快的發(fā)展，有了不少成功的應(yīng)用案例，并總結(jié)出臺了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等。另外由于具有許多其他傳統(tǒng)加固方法所不具備的優(yōu)越性，如施工工藝簡便快速、加固修補(bǔ)耐久性表現(xiàn)良好等，土木工程領(lǐng)域許多方面都在開展廣泛的探索與創(chuàng)新。表1是一些傳統(tǒng)加固方法與碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)方法的比較。

表1 碳纖維布加固混凝土與一般常規(guī)加固混凝土方法比較

1 材料特性

1.1 碳纖維布的材料特性

相比較其他的材料，碳纖維布材料有以下特性:

1)抗疲勞能力和彈性變形能力強(qiáng);2)耐久性好(反映了抗腐蝕能力);3)抗拉強(qiáng)度非常出色，自重小;4)較高的電阻和較低的磁感應(yīng)。

現(xiàn)在，國內(nèi)也開始有廠家生產(chǎn)碳纖維布，但整體質(zhì)量還有待加強(qiáng)，目前工程中大多使用的是進(jìn)口材料，如瑞士SiKa公司的碳纖維布，日本前田工纖的碳纖維布等。下面以日本某公司碳纖維布為例，對碳纖維布的材料特性作說明，材料的具體性能見表2。

表2 日本某公司碳纖維布及其性能

1.2 粘貼膠的特性

一般生產(chǎn)商不提供粘結(jié)碳纖維用的粘貼膠，但因?yàn)檎迟N膠質(zhì)量的好壞決定著工程質(zhì)量的好壞，所以越來越多的進(jìn)口商都提供成熟的、相配套的粘貼劑。下面以日本某公司提供的粘貼膠為例，對材料特性作說明。粘貼膠約有三種，它們分別是P-10，P-20及P-30。各種膠的主要作用如下:

1)P-10底涂材料，作用為滲入混凝土內(nèi)部，強(qiáng)化混凝土表面，改善碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)性能;

2)P-20找平材料，主要是為了將混凝土表面的凹坑等缺陷補(bǔ)平，提高碳纖維布與混凝土的粘結(jié)質(zhì)量;

3)P-30粘貼材料，是主要的粘結(jié)劑，使得碳纖維布與混凝土有效粘結(jié)，并形成一個整體共同受力。

材料的具體性能見表3。表3中各項(xiàng)指標(biāo)均由廠家提供，后經(jīng)國內(nèi)有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室檢測發(fā)布。

表3 日本某公司粘貼膠性能指標(biāo)

2 各種加固構(gòu)件計(jì)算方法

因?yàn)樘祭w維布的材料特性，尤其是在抗拉方面的卓越特性，使得在許多構(gòu)件加固中均得到了廣泛的應(yīng)用，其計(jì)算方法也需要區(qū)別對待。

2.1 構(gòu)件受彎加固

板梁等構(gòu)件受損后，主要需要進(jìn)行受彎加固，利用碳纖維加固時，除應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算的基本假定外，還要注意以下幾個方面:

1)當(dāng)混凝土構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時，不應(yīng)超過碳纖維的允許拉應(yīng)變;

2)當(dāng)考慮二次受力影響時，應(yīng)根據(jù)加固時的荷載狀況，按截面應(yīng)變保持平面的假定計(jì)算加固前受拉區(qū)邊緣混凝土的初始應(yīng)變;

3)構(gòu)件達(dá)到受彎承載能力極限狀態(tài)前，混凝土與碳纖維之間不發(fā)生剝離破壞;

4)計(jì)算碳纖維的拉應(yīng)力時應(yīng)取碳纖維彈性模量計(jì)算。

當(dāng)碳纖維布加固混凝土發(fā)生界限破壞時，即碳纖維布被拉斷，同時混凝土被壓碎時，可參照如下公式進(jìn)行計(jì)算:

其中，η為碳纖維布強(qiáng)度折減系數(shù)，通常取0.6。

2.2 構(gòu)件受剪加固

在進(jìn)行受剪加固時，可參照以下公式進(jìn)行斜截面受剪承載力計(jì)算:

式中:εfv——達(dá)到受剪承載能力極限狀態(tài)時碳纖維布的應(yīng)變;

εfu——碳纖維布的極限拉應(yīng)變;

φ——碳纖維布受剪加固形式系數(shù)，對封閉粘貼取1.0，對U形粘貼取0.85，對側(cè)面粘貼取0.70;

λb——梁受剪計(jì)算截面的剪跨比，對于集中荷載作用情況取 a/h0，當(dāng) λb＞3.0 時，取 3.0;當(dāng) λb＜1.5 時，取1.5。a為集中荷載作用點(diǎn)到支座邊緣的距離，對于均布荷載作用情況，取3.0;

n——碳纖維布的粘貼層數(shù);

hf——側(cè)面粘貼碳纖維布的高度;

s——碳纖維布條帶的凈間距;

t——單層碳纖維布的厚度;

w——碳纖維布條帶的寬度。

3 碳纖維布在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

1)碳纖維布加固混凝土橋墩。

某高速公路某橋墩經(jīng)日常檢查，發(fā)現(xiàn)橋墩有數(shù)條豎向裂縫，裂縫最大寬度為0.5 mm～2 mm，已貫穿。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先對裂縫進(jìn)行壓力灌漿，灌漿材料采用低粘度改性環(huán)氧樹脂，待樹脂固化后進(jìn)行表面清理打磨，按CECS 146∶2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程要求操作程序，前期工序結(jié)束后，進(jìn)行粘貼碳纖維，粘貼結(jié)束后，進(jìn)行表面防護(hù)處理，經(jīng)2年的使用觀察，沒有發(fā)現(xiàn)新的裂縫，見圖1。

圖1 碳纖維布加固混凝土橋墩施工圖（單位：cm）

碳纖維單位重量為300 g/m2，厚度為0.167 mm，抗拉強(qiáng)度為不小于3 000 MPa，彈性模量不小于2.1×105MPa，延伸率不小于1.4%，搭接長度不小于10 cm，搭接錯開位置，拐角處做成不小于2 cm的圓弧。

2)某高速公路某火災(zāi)橋加固。

K194+900火災(zāi)橋，由于當(dāng)?shù)乩习傩赵跇虻紫露褲M稻草，小孩玩耍引火造成稻草焚燒，致使板底混凝土燒酥剝落，鋼筋外露，板底產(chǎn)生許多微小裂縫，影響行車安全，并發(fā)現(xiàn)裂縫有增多的現(xiàn)象，由于通車流量大，又不能封閉車道搶修，為不影響通車，確保安全，決定采用粘貼碳纖維搶修，經(jīng)數(shù)天施工，完成任務(wù)?，F(xiàn)經(jīng)2年多時間的運(yùn)行，目前情況良好，見圖2。碳纖維單位重量為300 g/m2，厚度為0.167mm，抗拉強(qiáng)度為不小于3 000 MPa，彈性模量不小于2.1 ×105MPa，延伸率不小于1.4%。

4 加固施工工藝

圖2 蘇州新區(qū)寧滬K 194+900火災(zāi)橋粘貼碳纖維加固圖（單位：cm）

4.1 碳纖維布加固基本要求

環(huán)境溫度不宜低于10℃;混凝土強(qiáng)度等級不得低于C15;碳纖維布搭接長度不低于150 mm。

4.2 具體的施工工序

1)打磨混凝土，清潔表面后涂一層底膠P-10;

2)用P-20將凹洞膩平，稍等一段時間后再涂浸漬樹脂P-30;

3)粘貼碳纖維材料，用滾筒反復(fù)滾平，除去氣泡，使P-30充分浸透碳纖維布;

4)最后為了使碳纖維布與構(gòu)件整體性更好，要在碳纖維布外表再涂一層P-30。施工中若發(fā)現(xiàn)有空鼓部位，可用針管灌注浸漬樹脂。

4.3 注意事項(xiàng)

施工質(zhì)量的關(guān)鍵在于混凝土基層處理的好壞，另外滾壓密實(shí)度也很關(guān)鍵，一定要讓樹脂浸透碳纖維布。因?yàn)榛鶎尤绻懈≡蚴前伎?，極易產(chǎn)生空鼓，碳纖維布和混凝土構(gòu)件就很難粘結(jié)到位。冬季施工時，在樹脂終凝前，應(yīng)隨時檢查碳纖維布有無滑移現(xiàn)象，因?yàn)槎緲渲Y(jié)時間較長。另外，碳纖維布也有缺點(diǎn)，即容易被刮傷，施工完畢后要進(jìn)行保護(hù)，避免劃傷，必要時可以用涂料進(jìn)行封閉保護(hù)。

5 結(jié)語

1)應(yīng)用碳纖維布進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)日趨成熟，實(shí)踐證明該技術(shù)具有與其他傳統(tǒng)加固方法無法比擬的優(yōu)越性，特別是在受損橋梁的加固中，開始得到廣泛應(yīng)用，也因此，國內(nèi)從材料的生產(chǎn)質(zhì)量、設(shè)計(jì)方法、施工工藝等方面都在不斷的進(jìn)步，加固的成本越來越低，前景非常好。

2)以上兩項(xiàng)工程所使用的碳纖維布經(jīng)同濟(jì)大學(xué)檢測，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。該項(xiàng)目在施工過程中，本人作為業(yè)主參與了整個工程的設(shè)計(jì)方案討論、質(zhì)量監(jiān)督、各道工序的檢查、驗(yàn)收等，從中學(xué)到了不少加固應(yīng)用的實(shí)踐知識，為今后加固施工工程打下了一個良好的基礎(chǔ)。

［1］CECS 25∶90，混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］CECS 146∶2003，碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］吳 剛，郭正興，張繼文.碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)及施工要點(diǎn)［J］.建筑技術(shù)，2000(31):10-12.

［4］岳清瑞.我國碳纖維(CFRP)加固修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.工業(yè)建筑，2000(30):72-77.

［5］劉春城.CFRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.北華大學(xué)學(xué)報，2003(4):56-58.