關(guān)于預(yù)應(yīng)力碳纖維材料在碼頭加固改造中的應(yīng)用

毛利 王京偉 寧波市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司

港口工程受海洋環(huán)境、材料劣化、施工缺陷、使用年限等因素的作用下會有不同程度的損傷和破壞，甚至?xí)芯植靠逅鹿?。寧波舟山港寧波港域是我國大陸重要的集裝箱遠洋干線港，也是我國大陸鐵礦、原油、液化品中轉(zhuǎn)儲存基地和華東地區(qū)主要的煤炭中轉(zhuǎn)儲存基地，是我國四大深水樞紐港之一。1979年寧波港正式對外開放，目前全市共有生產(chǎn)性碼頭泊位329個，大部分碼頭建成使用都超30年，對碼頭進行結(jié)構(gòu)加固改造，提升碼頭的服務(wù)能級成為解決岸線資源問題的重要途徑。根據(jù)歷年檢測報告，大部分碼頭縱橫梁、面板、樁基等出現(xiàn)不同程度病害。當(dāng)前由于傳統(tǒng)的碼頭加固技術(shù)弊端明顯，急需一種新型的經(jīng)濟高效技術(shù)。碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon fiber Reinforced Rolymer,簡稱CFRP）具有高強，輕質(zhì)，施工簡便，耐疲勞、耐腐蝕等特點，具有良好的碼頭結(jié)構(gòu)工程加固應(yīng)用前景。

1.目前常規(guī)碳纖維布加固方法

目前常規(guī)對劣化等級為D級的帽梁、面板構(gòu)件處理方法：將破損、銹脹、露筋、裂縫周圍的松散砼鑿除銹蝕的鋼筋除銹，用清水沖洗干燥后，鋼筋涂防腐涂料→噴射高強水泥砂漿進行封閉加固→表面黏貼兩層碳纖維布補強→整體涂刷環(huán)氧樹脂防腐涂料。對劣化等級為C級的帽梁、面板構(gòu)件處理方法：將破損區(qū)域周圍的松散砼鑿除→表面涂抹高強水泥砂漿修補平整→表面黏貼單層碳纖維布補強→整體涂刷環(huán)氧樹脂防腐涂料。

采用碳纖維布加固，對提高梁板抗彎承載力有一定效果，可以提高承載力10%～20%左右，但碳纖維布屬被動加固，材料利用率低，極限狀態(tài)下材料僅能發(fā)揮10%左右的強度，在加固設(shè)計中，碳纖維復(fù)合材料采用配套樹脂類黏結(jié)材料可靠地黏貼于構(gòu)件表面。在受力過程中應(yīng)與構(gòu)件保證變形協(xié)調(diào)，不應(yīng)由于粘貼面的過早剝離而導(dǎo)致纖維復(fù)合材料受力失效，結(jié)構(gòu)計算的設(shè)計計算方法也是基于這一條件建立的。

在實際項目施工中，根據(jù)近幾年項目回訪，部分加固后3～5年的碼頭，碳纖維布由于施工因素、環(huán)境因素等出現(xiàn)了不同程度的剝落，影響了碳纖維布材料強度整體受力發(fā)揮，也對加固效果有一定影響。

2.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)

采用碳纖維板體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)主動提升梁板的承載力，同時也解決了碳纖維布使用出現(xiàn)剝落等不利因素。

碳纖維板具有高強度，低密度，高彈性模量，耐疲勞及耐腐蝕等突出優(yōu)點，抗拉強度達到2400MPa～3500MPa?，F(xiàn)有的非預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)對材料抗拉強度利用率不到9%，且難以抑制結(jié)構(gòu)變形和裂縫發(fā)展。為充分發(fā)揮碳纖維材料力學(xué)性能，加固時需要對該材料施加較高水平的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)較傳統(tǒng)的加固技術(shù)具有不增加結(jié)構(gòu)自重、承載能力大幅提高、增加剛度、施工便利、工期短、后期無需維護等優(yōu)點。

碳纖維板錨固系統(tǒng)性能參數(shù)：

碳纖維板抗拉強度：2400MPa。

碳纖維板彈性模量：160GPa。

錨固效率：超過95%。

疲勞性能：能承受超200萬次應(yīng)力幅為168MPa的循環(huán)荷載作用。

耐久性：環(huán)境加速腐蝕試驗表明，能滿足50年設(shè)計耐久性要求。

根據(jù)寧波港沿海某碼頭引橋梁板計算，對預(yù)應(yīng)力碳纖板加固承載力進行計算分析：

（1）加固前承載力。

梁截面有效高度計算：

混凝土受壓區(qū)高度計算:

則正截面抗彎承載能力計算：

（2）加固后承載力

在第一階段彎矩以及碳纖維張拉應(yīng)力下的受拉邊緣混凝土的應(yīng)變計算：

則碳纖維筋達到其允許拉應(yīng)變設(shè)計值與混凝土壓壞同時發(fā)生時的界限相對受壓區(qū)高度:

則加固后的抗彎承載力為：

（2）加固后承載力提高比例：

根據(jù)計算，預(yù)應(yīng)力碳纖維板提高承載力約20%。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系，通過對碳纖維增強復(fù)合材料施加預(yù)應(yīng)力來克服上述缺陷。對碳纖維施加了預(yù)應(yīng)力后，避免了碳纖維片材應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，使碳纖維板強度有效發(fā)揮，提升結(jié)構(gòu)承載力，同時提高受彎構(gòu)件的抗彎剛度，減小原構(gòu)件的撓度，抑制構(gòu)件變形和裂縫擴展，解決了碳纖維強度和彈性模量比值過高的矛盾，對碳纖維強度的利用遠遠超出未施加預(yù)應(yīng)力的情況。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板作為主動加固技術(shù)對梁板承載力提高較高，同時基本也不增加原結(jié)構(gòu)自重，施工便利，施工質(zhì)量較碳纖布易控制，后期維護方便，耐久性高，解決了常規(guī)碳纖布易于剝落、耐久性差的問題，有效發(fā)揮碳纖維板的強度。

3.結(jié)論

隨著今后老舊碼頭越來越多，對老舊碼頭的加固改造也勢在必行，通過預(yù)應(yīng)力碳纖維板或碳纖維筋等多種方法應(yīng)用，提升碼頭耐久性和使用壽命。預(yù)應(yīng)力碳纖維板對碳纖維強度的利用遠遠超出未施加預(yù)應(yīng)力的情況，且耐腐蝕，同時也解決了常規(guī)碳纖維布耐久性差、易剝落等缺點，具有非常良好的經(jīng)濟效益和社會效益，對今后老舊碼頭的改造也有一定的指導(dǎo)意義。