桥梁工程加固中碳纤维片材的应用探讨
2015-07-23
1. 前言
随着国家经济、科技的不断发展，人们对桥梁的要求也不再只停留在满足使用的层次上，人们追求的桥要在结构上符合力学要求，外观上符合美学需求。于是，新型桥、大型桥一座接着一座“面世”，其结构、外观也与世界领先水平接轨。在这种情况下我们是拆除所有旧桥去建新桥，还是积极的应对桥梁“老龄化”的挑战呢？答案明显是后者！于是桥梁加固技术越来越受关注。桥梁结构加固技术主要有：（1）增大构件截面加固法；（2）增加辅助构件，如增加混凝土构件、增加体外预应力等；（3）粘贴补强材料，如粘贴钢板、粘贴碳纤维片材等。本文只详述粘贴碳纤维片材的加固方法。
2. 材料特点及适用条件
碳纤维（CFRP）片材具有轻质高强、易于粘贴、不锈蚀等优点，其中碳纤维布抗拉强度可达普通钢材的十倍以上。CFRP片材可用于抗弯、抗剪、抗压（偏心受压）及抗震等多种形式的加固。该方法适用于混凝土梁式桥、板式桥的抗弯和抗剪加固。对于配筋率较低或钢筋锈蚀严重的旧桥，加固效果尤为显著；还适用于混凝土墩柱的抗剪、抗压补强，抗震延性补强以及地震破坏后的修复等。相信在四川的灾后修复加固会有广泛的应用。
3. 加固类型
（1）抗弯加固：抗弯加固通常是在构件受拉面粘贴CFRP片材，当条件不允许时也可以在构件的侧面粘贴。粘贴时，纤维方向应与加固部位的受拉方向一致。通常在CFRP片材端部设置锚固措施，如U形CFRP压条等。
（2）抗剪加固：抗剪加固中CFRP片材的粘贴形式有多种，从纤维粘贴的方向来看，可垂直构件轴线或与构件成某一倾角，实际工程中通常取CFRP片材纤维方向与构件轴线垂直；从横截面包裹方式上看，通常有封闭包裹粘贴、U形粘贴、双L形粘贴和侧面粘贴等；从纵向粘贴方式来看。CFRP片材可裁剪成条带间隔地粘贴，也可以整片地连续粘贴。此外，对于U形、L形及侧面粘贴，还可在端部加CFRP片材压条进行锚固。
（3）抗震加固：采用环向围束粘贴对柱进行受剪加固，纤维方向应与柱轴向垂直。
4. 设计及计算
4.1设计原则。
4.1.1混凝土桥梁结构自重大，加固时不能完全卸载，必须考虑二次受力。
4.1.2承载力极限状态的验算中要考虑到可能发生的各种破坏形态。通常将破坏模式分为两大类，即粘贴CFRP片材后能整体工作的构件与粘贴CFRP片材后不能整体工作的构件，如CFRP片材脱落等。
4.1.3正常使用极限状态的验算包括：（1）应力的限制（2）应变的限制（3）开裂的限制。
4.1.4由实验室条件下得到的经验公式必须有科学的修正安全系数对这些公式进行修正。
4.2抗弯加固设计及计算。
4.2.1基本假定。
5. 工程实例
5.1工程概况。
该桥全长176m，分新桥和旧桥。上游桥的旧桥建于上世纪80年代初，全宽7.6m，有11跨，每跨由5片16m的T梁组成。下游桥的旧桥建于上世纪90年代初，全宽9.03m，分跨同上游桥，每跨有6片16m的T梁。而新桥建于2007年，分布在旧桥两边。此次修复加固只在旧桥中进行。旧桥原设计荷载为汽-20级，主梁的承载能力只能维持城-B的荷载要求，而下部结构和基础的承载能力能满足城-A级荷载要求。
5.2存在的要主要问题。
由于蕉门桥位于交通主干道上，经过多年的使用，出现不同程度的破损。抽检的上部结构混凝土强度推定值为31.8MPa～48.3MPa，碳化深度为2.3mm～5.3mm。多个测区的强度标准差大于5.0MPa，表明混凝土强度值离散性偏大；混凝土强度最小值为32.1MPa，测区内混凝土强度平均值的最小值为37.7MPa。该桥测试跨在基本试验荷载下，部分指标不满足《试验方法》和《桥规》的要求，实测值与理论值相差较大，表明结构的工作状态较差，主梁最大裂缝达0.40mm，超过规范容许值的100%。因此该桥部分桥跨在整体受力性能上不能满足设计和使用要求。
5.3加固设计方案及相关计算。
5.3.1对旧桥病害进行修复，主要加固内容如下：
（1）桥梁结构表面病害处理：裂缝修补，露筋除锈，破损修补，梁体麻面修复；
（2）对T梁梁体进行结构加固：粘贴碳纤维布和碳纤维板，张拉体外预应力；
（3）附属部件修复；
5.3.2加固计算。
5.4粘贴碳纤维布加固。
5.4.1施工工艺。
A.混凝土表面清洗，破损部位修复。
B.首先清除被加固构件表面的剥落、疏松、碳化等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料（环氧胶泥）将表面修复平整。
C.对裂缝进行灌缝处理。此处采用压灌改性环氧树脂溶液来对裂缝进行修复。
D.被粘贴混凝土表面用打磨机打磨平整，除去表层浮浆、油渍等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm。
E.最后将混凝土表面清理干净并保持干燥。
5.4.2表面处理及磨平：
在混凝土表面清洗完后，如有不平处就进行找平处理。找平材料（环氧胶泥，也可用M20水泥砂浆）干燥后还要再次进行打磨工作。因此，这个步骤并不是上步的重复。梁体表面平整工作是相当关键的，因为碳纤维布只在纤维方向抗拉能力强，而受折时就很脆弱。因而，若梁体表面不平整，就会使碳布的个别部位应力集中。轻则导致受力不均，重则致使碳纤维布破损，从而大大降底承载能力。 5.4.3涂刷底胶：
底胶并不是用来使碳布和梁体粘结的胶，是为了使碳布和梁体能更好的粘结而刷的。等底胶指触干燥后还要刷结构胶，或称浸渍胶粘剂。所以说在这里要涂两层胶，且理论上两层胶是要按厂家提供的工艺分开配制。涂刷底胶时要均匀涂抹，不得漏刷、流淌或有气泡产生。
5.4.4粘贴碳纤维布：
这一步是关键，粘贴质量直接影响加固质量。所以要严格按照规范操作。
（1）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。
（2）按生产厂家提供的工艺条件配制结构胶粘剂，并均匀涂抹于待粘贴部位。
（3）将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使胶液充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。
（4）多层粘贴时重复上述步骤，并应在纤维表面的结构胶粘剂指触干燥时立即进行下一层粘贴。
（5）在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹结构胶粘剂。
5.4.5粘贴碳纤维板：
（1）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维板，并按生产厂家提供的工艺条件配制结构胶粘剂。
（2）将碳纤维板表面擦拭干净至无粉尘。粘贴两层时，底层碳纤维板的两面均须擦拭干净。
（3）擦拭干净后立即涂刷结构胶粘剂，胶层中央应呈拱起状，平均厚度不小于2mm。
（4）将涂有胶液的碳纤维板用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使胶液从两边挤出，保证密实无空洞。当平行粘贴多条碳纤维板时，两条板带之间的空隙不应小于5mm
（5）粘贴两层碳纤维板时，理论上要连续粘贴。当不能立即粘贴时，再开始粘贴前要对底层碳纤维板重新进行清理。
5.4.6施工注意事项。
（1）CFRP片材为导电材料，施工CFRP片材时应远离电气设备及电源，或采取可靠的防护措施。
（2）施工过程中应避免CFRP片材的弯折。
（3）CFRP片材配套胶粘剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
（4）胶粘剂的配制和使用场所应保持通风良好。
（5）由于碳纤维布对光比较敏感，所以要采取相应的避光措施。具体的作法是：CFRP片材储存时应避光；在粘贴完成后还要涂刷一层避光材料以起保护作用。
5.4.7检验与验收。
（1）在开始施工之前，确认CFRP片材及配套胶粘剂类粘贴的产品合格证、产品质量出厂检验报告，各项性能指标应符合要求。
（2）采用CFRP片材及配套胶粘剂类粘结材料对混凝土结构进行加固修复时，要严格按施工工艺及流程的有关条款进行各工序隐蔽工程检验与验收。如施工质量不能满足施工工艺及流程的有关条款要求时，立即采取补救措施或返工。
（3）CFRP片材与混凝土之间的粘结质量，是用小锤轻轻敲击或手压CFRP片材表面的方法检查，总有效面积不应低于95%。当碳纤维布的空鼓面积不大于10000mm2时，可采用针管注胶的方法进行修补。当空鼓面积大于10000mm2时，宜将空鼓部位的CFRP片材切除，重新搭接并粘贴等量的CFRP片材，搭接长度不应小于100mm。
（4）CFRP片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10mm。
6. 结语
总的来说，粘贴CFRP片材以加固混凝土结构的技术还是相对较新的。粘贴CFRP片材加固混凝土桥梁，对于配筋较低或钢筋锈蚀严重的梁、板进行抗弯和抗剪加固，可以取得很好的效果，对于配筋率较高的梁、板，仅采用粘贴CFRP片材加固往往达不到要求的加固效果，此时可以考虑采用混合加固法。而对于混凝土墩柱，粘贴CFRP片材进行抗压或抗震加固效果显著，对震后墩柱的修复也有较好的效果。
