铁路桥梁加固（二）
第二章 梁桥上部结构加固与改造
第一节 梁桥加固基本原理
一、梁桥基本力学图式
如图2-1所示，在荷载作用下，梁式桥梁结构是一种纯弯结构，只承受荷载对结构产生的弯矩，根据材料力学基本原理，其计算公式为：
图2-1 梁桥基本力学图示
（2-1）
式中：σ——在荷载作用下，主梁产生的拉(压)应力；
M——荷载对主梁产生的弯矩；
W——主梁截面的几何抗弯弹性模量。
由此可见，梁式桥梁的主梁受力状况由三个要素决定，即：荷载(恒载、活载)作用产生的内力(弯矩)、主梁截面的面积决定的截面几何特性(惯性矩、几何抗弯弹性模量)、以及主梁材料的自身强度决定。当外界条件改变，如车辆荷载增加、超限、超重等，对桥梁引起的内力增大，超过主梁结构和材料强度的允许范围时，势必造成主梁受拉部位开裂、破损、承载力下降，成为旧危桥，随着运营年限的增加，各种外界因素导致材料性能恶化、强度降低，也将造成原桥承载力下降、开裂、破损，最终成为旧危桥。
二、加固基本原理
尽管目前梁式桥梁加固、提高承载力的方法和技术种类繁多，但基本原理却是相同的，归纳起来都是遵循力学的基本原理，从桥梁结构的外界因素和内在状况改变的角度进行加固补强提高承载力。
1.从外因角度通过结构性能改变，提高主梁的承载力
（1）增大主梁截面面积
采用增加主筋、喷射混凝土、现浇混凝土、外包混凝土加大主梁截面尺寸，以及加厚桥面增加辅助构件等加固方法，都是属于增加主梁截面的加固方法和技术。从式2-1可知，采用增大主梁截面的方法加固，其目的是增加主梁截面的惯性矩或几何抗弯模量，当荷载产生的内力(弯矩)不变，或荷载等级提高时，通过改变截面面积的途径，减少主梁截面承受的拉力(通常压应力不控制承载力)，使其不超过主梁材料性能承受范围，即σ<[σ]，从而达到加固主梁，提高承载能力的目的。
（2）增加主梁的强度
对主梁采用环氧砂浆(胶浆)、粘贴钢板(筋)、环氧玻璃钢、碳纤维布、芳纶纤维布等高强材料，增加主梁的强度，都是属于此类加固方法和技术。从式(2-1)可知，采用增加主筋强度的方法，在不变主梁截面的前提下，当荷载等级不变或荷载等级增加时，增加了主梁的强度，使荷载对主梁产生的拉应力小于补强材料的强度，即σ<[σ]，从而达到加固主梁，提高主梁承载力的目的。
2.从内因角度通过调整内力提高主梁的承载力
改变原桥结构体系，采取将简支梁体系改变为连续梁体系、加八字支撑改变桥梁的跨径，或通过外加预应力将主梁结构由纯弯结构变为压弯结构，减少原桥主梁承受的荷载内力，根据式2—l可知，减少主梁承受的拉应力，即σ<[σ]，从而与上述加固方法一样，同样可以达到加固主梁，提高承载能力的目的。
综上所述，无论采取何种加固方法和加固技术，无论采取外部条件改变主梁的结构性能，还是通过结构体系的改变调整主梁内力的加固方法，其基本原理都是为了减少主梁承受的拉应力或增强主梁承受拉应力的能力，满足结构受力的需要，提高原桥梁的承载能力。
随着科学技术的不断进步和发展，将还有更多的桥梁加固新材料、新技术的不断涌现和问世，促进桥梁维修、养护、加固与改造技术的发展。
第二节 增大梁截面加固方法与技术
目前，国内有相当一部分桥梁，在修建年代时，荷载等级仅适应当年的要求，因而按当时荷载等级设计的桥梁，面对今天交通事业的发展，已表现出荷载等级偏低、承载力不足的缺陷，病害逐渐产生和发展，成为危桥。其主要原因是：原桥钢筋和截面尺寸偏小，不能满足当今交通需要。对于这部分桥梁，可以采用增大构件截面的方法进行加固。增大构件截面的途径有：增加受力钢筋主筋截面、加大主梁混凝土截面、加厚原桥面板和喷锚四种方法。
一、增焊主筋加固法
当结构因主筋应力超过容许范围，而桥下净空受到限制时，不能加大截面高度，只能采用增焊主筋进行加固，其加固要点如下：
1.增焊主筋
首先凿开混凝土保护层，露出主筋，将原箍筋切断拉直，再把新增钢筋焊在原主筋上，增焊钢筋断头宜设在弯矩较小的截面。为减少焊接时的温度应力，应采用双面焊缝，从跨中向两端依次施焊。
2.增设箍筋
如果原桥梁的箍筋不足，梁腹出现剪切裂缝，则加固过程中，在增焊主筋的同时，应在梁的侧面增加箍筋。具体作法是：在梁腹上埋人梢钉，把补充的箍筋固定起来，并把箍筋上端埋入桥面板中。
3.卸除部分恒载
加固时，为了减少原结构的截面应力，使新增加的钢筋充分发挥作用，有条件时应采取多点顶起措施，将梁顶起或凿除部分桥面铺装，然后再进行加固(起顶位置和吨位由计算来确定)。
4.恢复保护层
钢筋焊接好并接长箍筋后，应重新做好保护层。材料最好是用环氧树脂小石子混凝土(砂浆)或膨胀水泥混凝土(砂浆)。修复保护层，通常有三种可供选择使用的方法：涂抹法、压力灌注法、喷护法。采用喷护法时，应采取分层喷护水泥砂浆，每次喷涂厚度为l-3cm为宜，待砂浆达到一定的强度后，最后进行表面修整。
5.加固实例
江苏省杨州诵河涧桥，为单孔10m钢筋混凝土空心板梁桥，桥面净宽5.35m，设计载荷为汽一13、拖一60，1970年建成。
1981年检查发现，在板梁下缘，从跨中至两侧1／4跨径之间，有少许裂缝(缝宽0.1～0.2mm)。按汽一20、挂一100载重标准加固；加固方法是：在梁板底主筋之下，加焊了¢22mm钢筋，并分段浇筑4cm厚的封底早强混凝土，如图2-2所示。
本桥加固前后，均作了荷载试验。加固后，在汽一20作用下，跨中挠度为1.952(10—9m)，桥台垂直位移0.14mm，无水平位移，全部加固费用约9500元。
图2-2 主钢筋加固板梁示意图（尺寸单位：cm）
a)原有板梁;b)加固后板梁断面图
二、增大梁肋加固法
1.在现有桥梁中，有一部分桥梁是属于T型截面的桥
这类桥常因原截面高度不够，或面积过小，导致承载能力不足，出现了病害。对于这部分桥梁，通常是将梁的下缘加宽加强，扩大截面，并在新混凝土截面中增设受力主筋。在靠近支座处，主筋上弯，与原结构主筋相焊接，如图2-3所示
图2-3 主梁加固断面图
在浇筑新混凝土截面时，为了保证新旧混凝土之间有良好的粘结，须在浇筑混凝土前，先将结合部位的旧混凝土表面凿毛，露出骨料，清洗干净。同时每隔一定距离凿露出主筋，以便通过锚固将新增加的主筋与原结构中的主筋连接，新增加的混凝土一般采用悬挂模板现场浇筑。
2.加固实例
江苏苏州地区，青洋港桥为单孔——13.5m钢筋混凝土T梁桥，桥面净宽6.5m，设计载荷汽—13、拖—60，1959年建成。因碍航，1980年拆建。江苏省交通科研所等单位，选择拆下的两片T梁桥加固试验。两片梁在受拉处均有裂缝，除个别外，缝宽均小于0.20mm。
取一片T梁进行加固，其方法是在T梁梁肋下新浇一马蹄形断面，马蹄形两侧比梁肋宽5cm，其上口高于肋底。马蹄形断面内新加的4根主筋预先按设计图弯成元宝形，先把上下两层钢筋与用5mm钢筋板弯成的箍筋焊成骨架，并在老梁梁肋下端每隔70cm左右凿去保护层，然后把新加上的主筋连同钢板箍筋电焊在老梁主板上，新浇的梁肋在梁端往跨中94cm处开始向梁端支点前作一斜面，以便桥孔上、下梁不起吊也可加固。
经验算，原T梁翼板可以通过汽—20荷载，加固设计的计算按全部恒载均由老梁断面承受，活载由补强后的断面承受，用应力组合的方法计算钢筋与混凝土应力。
加固后的T梁与未加固的T梁均进行了荷载试验。两者比较，在汽—20作用下，前者跨中挠度减小57%，最后一排钢筋应变，跨中减小46%， 1/4跨减小40%；顶面混凝土应变，跨中减小47%，1/4跨减小64%。
与另座新梁比较，加固T梁节省混凝土63%，钢筋50%，是制造新梁工作量的75%。
三、加厚桥面板加固法
1.桥面加厚补强
当原桥的承载能力不足，截面面积过小，而墩台及基础较好，承载力较大，为了方便施工，有的桥将原有桥面铺装层拆除，在桥面板上浇筑一层新的钢筋混凝土补强层，用以提高桥梁的抗弯刚度，这种加固补强方式称为“加厚法”。
为了使新旧混凝土有良好的结合，应把原桥面板表面凿毛洗净，每隔一定的距离都要设置齿形剪力槽或埋设桩状[钢筋柱]剪力键T，或用环氧树脂作为胶结层。同时，在桥面板上铺设钢筋网，以增强桥面板的整体性和抗压能力，防止新浇筑的混凝土补强层开裂。钢筋网的直径和间距根据板的受力要求来确定。加固后重新铺设桥面的铺装层。
这种方法由于加厚部分使桥梁自重和恒载弯矩增加较多，并且仍然是原结构下缘受拉钢筋应力控制设计，故此加固方法一般只适用于跨径较小的T形梁桥或板梁桥，而且在加固前应对梁(板)的受力状况进行详细分析，在梁(板)下翼缘强度容许的限度内确定桥面的加厚高度。
对于有三角垫层的桥面板，可将原作为传力结构的三角垫层凿去，代之以与原桥面板结合为整体；共同受力的钢筋混凝土补强层，或用钢筋混凝土补强层取代桥面铺装层。这样在不增加桥梁自重的情况下进行加固补强，效果更为明显。
1. 加固实例
(1)江西省西堡桥：为3孔6.24m的钢筋混凝土Ⅱ型梁桥，设计荷载：汽一13、拖–60。在(南)昌一赣(州)公路改建中，结合桥梁加宽，采取加厚桥面板的方法进行加固，使桥梁的荷载等级提高到汽一20、挂一100。Ⅱ形板上加铺8cm厚的C25混凝土补强层，内设钢筋：纵向¢12mm钢筋，间距12cm；横向为¢16mm钢筋，间距15cm。
(2)江苏省孟姜桥：为单孔8.8m装配式空心板梁桥，原桥荷载标准为汽一13、拖-60。采用加高空心板的方法进行加固，同时将车道宽度由6.8m加宽到9m．使荷载等级提高到汽一20、挂一100。
加固时，先加宽桥台，然后在桥的两侧各增加一片边梁，加宽桥面，最后才在原有桥面板上浇筑空心混凝土板加固补强。
四、 喷射混凝土加固法
当原桥桥面积过小，下缘主拉应力超过容许值出现裂缝，而桥下净空又允许时，采用喷射加固法进行加固。其加固要点如下：
1. 采用灌浆法修补裂缝
2. 布设钢筋网
按照提高承载能力的需要，在桥下缘布设钢筋网。通常是按一定的间距将梁底的保护层凿除，通过连接钢筋先将部分钢筋沿桥面纵横向焊接到原主筋上，构成钢筋骨架。然后根据加固设计要求，按一定间距将其余的钢筋焊接或绑扎在钢筋骨架上，构成钢筋骨架。钢筋网的作用在于承受拉应力，提高喷层强度，传递温度应力，减少收缩裂纹，加强喷射混凝土的整体性等。
2. 喷射混凝土
喷射混凝土层的厚度，根据设计需要确定，每次喷射厚度不宜超过3-8cm，若需加厚，应反复多喷几次，复喷混凝土时间，应视水泥品种、施工气温和速凝剂掺量等因素而定。喷锚混凝土，可采用早强普通混凝土，也可采用钢纤维增强混凝土，有条件的地方宜尽量采用钢纤维增强混凝土，加固效果更好。采用锚喷法加固桥梁，施工不需立模、搭架简单、施工方便、工期短、补强效果好。但需要专门的喷射混凝土机具，对喷射手的技术要求较高，其技术水平将直接影响加固补强的质量。
第三节 粘贴加固方法与技术
一、粘贴钢板加固法
1. 钢板粘贴补强法概念
钢板粘贴补强法是：采用环氧树脂系列粘结剂，将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉区域或薄弱部位，使之与结构物形成整体，用以代替需增设的补强钢筋，通过钢板与补强结构的共同作用，提高其刚度，限制裂缝开展，改善钢筋及混凝土的应力状态，提高梁的承载能力，以达到补强效果。
用粘贴钢板来加固桥梁，在国外已得到广泛的应用，国内也有不少实列，这是因为这种加固法具有以下优点：
（1）不需要破坏被加固的原有结构物；
（2）加固工程几乎不增大原结构物的尺寸；
（3）尽管工程质量要求很高，但施工时并不要求高级的专门技术人员操作；
（4）能在短期内完成加固工程；
（5）几乎可以不改变具有历史价值建筑的原有艺术特点；
据上海公路管理处嘉定县公路管理所与同济大学建筑工程分校的试验，在梁底粘贴两条厚8mm、宽20mm、长600mm、高40cm的钢板，按汽一15、挂一80荷载标准设计)，与未加固的同尺寸空心板比较，其极限承载能力提高1.37倍。按挠度进行比较，其控制的容许集中荷载比汽一20相当的集中荷载提高1.66倍。
2. 钢板粘贴补强法的设计
许多试验结果表明，粘贴后钢板与原有结构能够共同作用。因此，补强设计时，钢板可作为钢筋的断面来考虑，将钢板换算成钢筋，原有构件承受恒载与活载，增加的钢板承受原有构件承受不了的那部分活载。
当用来提高构件的抗弯能力时，应把钢板粘贴在梁(板)受拉翼缘的表面上，使钢板与混凝土作为整体受力，根据钢板与混凝土接缝处混凝土局部剪切强度控制设计。用于粘贴的钢板尺寸应尽可能薄而宽，厚度一般为4—6mm。薄钢板还可有足够的弹性适应构件的表面状况。合理的设计应控制在钢板发生屈服变形前，混凝土不出现剪切破坏。为避免钢板在自由端脱落，端部可用夹紧螺栓固定，或在钢板上按一定的距离用螺栓固定，效果更有保证。
当粘贴钢板用以加固和增加梁的剪切强度时，钢板应粘贴在梁的侧面，跨缝粘贴。用于粘贴的钢板可以是块状的，也可以是带状的，如图2-5所示。带状钢板沿垂直于裂缝的方向粘贴、斜度一股为45。—60。。梁的上下端应设水平锚固板，以提高端部的锚固强度。钢板厚度依设计而定，一般为10-15mm。
图2-5 粘贴钢板加固图
3. 钢板粘贴补强法的施工工艺
钢板粘贴依据采用粘结剂的不同，其施工工艺也有所不同。若粘结剂为液状时，用灌浆法；若粘结剂为胶状时，用涂抹法。两种施工工艺是在粘结剂的使用方法上有所不同。前者在钢板安装后用注入法加入；后者是在钢板粘贴前用涂刷法事先涂好；而其他施工工艺过程没有什么区别。现把涂抹法的施工过程叙述如下，而灌浆法也基本相似。
(1)钢板制作
制作用于粘贴加固的钢板，并对其表面进行处理。钢板按所需尺寸切割而成。钢板表面在粘贴面可采用刨床加工成菱形，格状刻痕，以增加粘性能。钢板除锈采用手工操作钢丝刷除锈，有条件时采用喷砂除锈；用冲击电钻在钢板与混凝土底面上钻孔，钢板钻孔按一定间距和锚栓规格钻孔后运到工地，钻孔位置可采用梅花形，如图2-6所示。
图2-6 钢板锚栓孔梅花形布置
(2)表面处理
为了得到良好的粘贴效果，必须事先对钢板和混凝土的粘贴面进行认真的处理。首先应将混凝土表面的破碎部分清除，然后凿平凿毛，使其骨料裸露出来，并用钢丝刷或压缩空气清除浮尘，粘贴钢板前还需用丙酮擦一遍，钢板表面也应先用汽油洗去油污，用喷砂法或砂轮打磨除锈，使表面露出光泽，然后也用丙酮擦洗干净，最后在钢板表面涂一层环氧树脂薄浆将其保护起来。
(3)粘贴钢板
先在混凝土表面上刷一层环氧树脂胶浆，然后在钢板上涂一层环氧树脂胶浆，间隔片刻再在钢板上均匀地铺一层环氧树脂砂浆，一般厚度在2mm左右。随即将钢板贴到混凝土表面上，旋紧螺丝进行加压，使多余的胶浆沿板边挤压出来，达到密贴的程度。固化后再卸除螺帽，截去外露的螺丝杆，并留出2～3mm进行冷铆。
(4)加压方式
钢板粘贴到混凝土结构上后，为了使钢板与混凝土表面密贴必须对钢板加压。加压的方式通常有三种：第一种是上述的用螺栓进行加压。即在混凝土粘贴面上每隔一定距离埋设一根¢12mm的螺栓，钢板上设有相应的孔，把钢板粘贴到混凝土表面后立即旋紧螺帽进行加压；第二种方法是用木楔来加压。即在构件下方设支承梁(从桥下搭设或从桥上悬挂)，距构件底面15—20mm，然后待钢板粘贴后楔紧木楔施加压力；第三种方法是利用重物进行加压。当在混凝土构件的上缘粘贴钢板时，可以采取在钢板上面放置重物(铅块或铁块等)进行加压。
(5)检查粘贴质量
一般是采用肉眼观察，如发现钢板与混凝土表面之间有空隙的地方，应及时填入胶结剂补贴。
(6)防护处理
目前国内外对钢板补强采取的防护措施，一般都是采取清除钢板表面污染，用钢刷除去螺栓的锈斑，先涂一层环氧树脂薄浆罩面，然后再涂两层防锈漆在上面进行保护。以后每隔1—2年检查一次防护层的情况，如发现有脱漆的地方及时采取措施进行修补。该方法虽然简易可行，施工简单，但需要经常维修保护，每次重新涂漆都需要搭架、拆架，维修工作量较大、而且繁琐。故应尽可能采用防护效果好、时间长的长效防护漆。随着科学技术的发展，钢材的防护技术也取得了长足的进步，表2-1所列防护措施可达20—30年。
加固钢板防护材料措施表 表2-1
近年来有的省市利用喷射混凝土，在钢板上喷射一层混凝土保护层，既减少了刷漆工序，又大大减少了常年养护工作量。同时喷射混凝土还与原结构组成喷层——梁体组合工作体系，共同工作，在一定程度上提高了原梁的承载能力，克服了以往钢板补强易于生锈的毛病，这是一种较好的防护钢板污染和锈蚀的方法。但是，采用喷射混凝土防护，须采取在钢板外挂网方式保证喷射混凝土与钢板和原结构的有效粘结，结合成整体，否则会因在车辆行驶中振动脱落，失去防护效果。
二、粘贴钢筋加固法
当桥梁结构抗拉强度较低，受拉部位产生裂缝时，为了加强抗弯构件外纤维的抗拉能力，可以采用在受拉部位粘贴钢筋的方法对桥梁进行加固。粘贴钢筋具有与结构物粘贴性能较好、加工成型容易、加固效果明显的优点。用于粘贴的钢筋直径不能过大，以不超过8mm为宜，以减小塑脂层的厚度，节省材料，降低成本。采用环氧树脂砂浆粘贴，环氧树脂砂浆的厚度以不使钢筋外露为标准，一般在15—20mm左右，其加固工艺如下：
(1)搭设支架，在支架上设有支承梁和成型模板
(2)混凝土表面处理
为了获得良好的粘贴效果，必须事先对混凝土表面进行认真的处理。混凝土表面要清除破碎部位、凿平凿毛，使骨料露出，用钢丝刷或压缩空气把浮尘清除掉，粘贴前再用丙酮擦洗一遍。
(3)钢筋布设
钢筋布设前，应先把钢筋拉直截好，除锈后再用丙酮擦洗干净，放在模板上扎成排栅，或在桥下点焊成排栅再就位。就位前，先在钢筋排栅表面涂一层环氧树脂胶浆，然后再用吊杆吊住，贴在构件底面上。
(4)粘贴
为了便于脱模，粘贴钢筋前先在模板上铺一层塑料薄膜，再将环氧树脂砂浆均匀地摊铺在模板上，厚度稍大于设计值。粘贴时，在模板与支承梁之间打入木楔，将模板顶起压在构件的底面上，使环氧树脂砂浆压入钢筋的间隙与原结构的混凝土粘为一体。
(5)脱模检查
待环氧树脂砂浆固化后拆除模板。拆模后应立即对粘贴质量进行检查，若发现缺陷，须及时进行修补。
(6)防护处理
同钢板粘贴后采用的防护处理方法一样。通常是先清除钢筋表面的锈斑和污染，涂一层环氧树脂薄浆罩面，然后再涂两层防锈漆在上面进行保护。也可采用喷射混凝土在钢筋表面喷射一层保护层，保护粘贴的钢筋免受锈蚀。
三、粘贴玻璃钢加固法
随着复合材料的出现，近年来国内外一些交通部门开始使用增强塑料(玻璃钢)作为桥梁的加固补强材料。通常情况下是在构件表面用环氧树脂粘贴无碱无捻方格玻璃布形成玻璃钢，作为桥梁结构的加固补强层。但是由于玻璃钢的弹性模量比较低，因而在粘贴玻璃钢时，常在中间粘贴¢6mm的高强钢丝加劲。
粘贴玻璃钢布的层数，通常认为四层已足够。广东交通科学研究所的试验证实，含八层玻璃布的玻璃钢，其抗拉强度并无明显提高。玻璃钢的弹性模量较低，约为1.5×104 MPa，一般仅为混凝土的1／15—l／20，受力时变形大，补强层与混凝土不能很好地共同受力，故使用时应该注意到其特点，合理使用。否则将影响其抗拉强度的发挥，使补强效果受到限制，其加固方法如下：
(1)搭设支架，安装成型模板；
(2)混凝土表面处理
混凝土的表面处理与粘贴钢板、钢筋一样，应先进行认真的处理。
(3)钢丝制备
首先将高强钢丝的锈清除掉，把钢丝绑成排栅，然后用丙酮将钢丝擦冼干净，并涂上一层环氧树脂胶浆。
(4)成型
在支架上面的模板上铺上一层塑料薄膜，在塑料薄膜的上面先刷上一层环氧树脂胶浆、铺第一层玻璃布，将其刮平并挤出中间的气泡，再刷上第二层环氧树脂胶浆，铺上第二层玻璃布。铺至厚度的一半时，便把钢筋排栅铺放到上面，并用环氧树脂砂浆填平钢筋排栅间的空隙，刮平后，再继续铺其他几层玻璃布。
(5)粘贴
在成型的玻璃钢上面铺一层环氧树脂砂浆，用支撑由中部向两端依次均匀地顶起模板，使玻璃钢紧密地粘贴到桥梁构件的表面上，使环氧树脂胶浆从缝隙中溢出来，最后用最外一层宽玻璃布将溢出来的胶浆包敷在梁的腹板上。
(6)脱模检查、环氧树脂胶浆固化后，再卸除模板，并逐处检查玻璃钢的粘贴质量，如发现没有粘贴好或存在缺陷，应及时进行修补。
(7)防护处理
现在国内外的习惯做法是：用工具除掉玻璃钢表面的污染，涂上一层环氧树脂薄浆罩面，再在上面涂两层防锈漆保护起来。以后经常检查保护层的情况，如发现有脱漆的地方，就及时进行修补，重新刷上防锈漆，或者在玻璃钢表面现浇一层一定厚度的混凝土，一方面作为桥梁结构的加固补强层，一方面保护粘贴的玻璃钢免受腐蚀和锈蚀。
建议采用喷射混凝土作为粘贴内玻璃钢的保护层。因为采用锚喷工艺相比现浇混凝土具有施工及时、与原结构粘结强度高、不需要浇筑混凝土所需的模板等优点，可以根据加固设计的需要，灵活掌握喷射厚度，特别是现浇混凝土施工很困难的薄层混凝土，同时喷射混凝土具有良好的密封性，能较好地保护粘贴的玻璃钢和高强钢丝免受腐蚀和锈蚀。
四、粘贴碳纤维布加固法
碳纤维布加固机理：工程材料的进步及新材料的出现，历来是土木结构工程发展的先驱和动力。碳纤维材料的出现和成功应用于土木工程的加固与补强上，使土木工程加固技术研究更上一个台阶。碳纤维是一种新型建材，因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布(片)加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力，尤其是当高度受限制时的首选加固方法，其施工工艺也很简单。
1. 碳纤维材料与要求
(1)碳纤维复合材料
加固混凝土结构用的纤维材料，目前主要有三种：玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFPR)。纤维复合材料的力学特点是：应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及现场施工便捷，所以是旧桥加固补强的理想材料。
普通碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)或中间相沥青(MPP)纤维为原料经高温碳化制成，碳化程度决定着诸如弹性模量、密度与导电性等性能。碳纤维长丝直径通常在5µm,到8µm之间，并合成含3000—18000根的长丝束。为改善碳纤维与基体的亲和性，纤维本身要经表面处理，形成能与基体反应的活性基团。
加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。
碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。
加固混凝土构件时，按构件的不同受力特点用粘结材料将碳纤维布有序地缠绕粘贴于构件表面，实现对构件变形的约束，并因此提高构件的极限强度和承载能力。
碳纤维布的抗拉强度一般为3550MPa，弹性模量为2.35X105MPa。根据碳纤维布的品质不同，其厚度在0.11—0.43mm，幅宽在20-100cm，卷材长度为50—100m。
(2)粘结材料
粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键，也是两者之间传力途径中的薄弱环节。因此，粘结材料应有足够的刚度与强度，以保证碳纤维与混凝土间剪力的传递，同时应有足够的韧性，不会因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。此外，由于旧桥加固均在野外，所以粘结材料还应能在一般气候条件下固化，且固化时间合适(一般保证有3h左右)，对组分含量不敏感，具有适宜的流动性和粘度，固化收缩率小。
粘结材料是将连续纤维状的碳纤维结合在一起，同时又与混凝土表面粘合的系列粘接材料。它主要包括三类材料：底层涂料、整平材料和浸渍树脂。
①底层涂料(底涂胶)
在处理好的混凝土表面上，涂一层很薄的底层胶，既可以浸入混凝土表面，强化混凝土表面强度，又可以改进胶接性能，从而使混凝土与碳纤维布之间的粘接性得以提高。因此要求底涂胶必须具有很低的粘度，以及与混凝土良好的粘结性能，以便于涂刷在混凝土表面后胶粘剂能渗入混凝土结构中。为保证性能，应尽量避免使用溶剂型胶。
②整平材料(找平胶)
碳纤维布只有与所加固补强的混凝土表面紧密接触，才能产生良好的补强效果。但混凝土表面的锐利突起物、错位和转角部位等都可能使碳纤维布产生损伤，并引起强度降低。混凝土表面小的模板错位及混凝土气孔很难通过基底处理一道工序彻底清理。因此，在涂敷的底层涂料指触干燥后，必须用找平胶进行找平，同时将矩形断面直角打磨后补成圆弧状。
找平胶应具有优良的力学性能，以及良好的施工性能与触变性能。在施工过程中，找平胶应易于操作，且不随时间的延长出现明显的变形，防止胶的滴挂。一般的普通环氧树脂的粘接强度和强韧性都达不到找平胶的要求，不应调配使用。
③浸渍树脂(粘贴主胶)
浸渍树脂在粘结材料中起着至关重要的作用，它连接底胶与碳纤维布。它的粘度应控制在一定范围，有利于浸渍树脂顺利地将碳纤维布粘附于混凝土表面，经过碾压，使浸渍树脂很容易浸透碳纤维布，形成一个复合性整体，共同抵抗外力作用。
浸渍树脂不仅应具有良好的渗透性，以利于浸透碳纤维布，同时还应具有一定的初粘力，防止粘贴的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙。并且本身具有良好的触变性，易于施工且不会发生明显的滴淌现象。另外，胶粘剂与碳纤维的相容性和粘接力必须极好，才能满足碳纤维布和混凝土形成预定的复合材料。
④防护材料(罩面胶)
罩面胶主要是为了施工表面的美观和保护碳纤维布。只要求材料能涂敷在碳纤维布表面，并不脱层，不掉落，能长期在冷热干湿的空气中稳定，防止复合材料被紫外线直接照射。它的选择范围较大，丙烯酸体系、聚氨脂体系、不饱和聚脂体系、有机硅、有机氟体系等都适合。
⑤胶与胶的相容性
碳纤维布加固补强施工过程中，胶是一层一层叠加上去复合而成的，与混凝土直接接触的只有底涂胶，找平胶与底涂胶、碳纤维布粘贴主胶粘接，而粘贴主胶与底胶、找平胶、碳纤维布和罩面胶相连。因此，不同胶粘剂之间的相容性、粘接性问题应予以充分考虑。一般来讲，同一类型的胶粘剂粘接性较好，不同类型的胶粘剂粘接相容性就需做预先的实验加以论证。
2．碳纤维布加固补强受力分析与设计计算
(1)加固受力特点分析
①与传统的其它加固方法相比，采用碳纤维布加固旧桥能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。
②将抗拉性能优良的碳纤维布，用粘结材料粘贴到梁体底面或箱梁内壁上，使其与原结构一起参与受力，即碳纤维布可以与原结构内布置的钢筋一道共同承受拉力，以提高旧桥的承载能力。
③沿主拉应力方向，或与裂缝正交方向，粘贴碳纤维布，两端分别设置锚固端，据此可约束混凝土表面裂缝，防止裂缝再扩展，从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态的目的。
④目前，用于加固用的碳纤维有：单向碳纤维布、单向碳纤维交织布、双向碳纤维交织布及单向碳纤维层压材料等，根据不同的结构部位和受力特性与方向等，选择相应的碳纤维布进行加固。
⑤碳纤维布加固混凝土构件，在提高其抗弯承载力时，还可能对抗弯构件的破坏形态产生影响。当碳纤维布用量过多时，构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎破坏。与此同时，由于碳纤维为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维布用量过多，构件延性将有所降低。因此，碳纤维布用于钢筋混凝土梁式桥的加固补强时，应根据实际情况合理使用。
⑥用碳纤维布加固的旧桥，一旦发生破坏如拉断或剥离等脆性破坏，具有突发性，因此其承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土的定义，一般应按碳纤维抗拉强度的2／3进行抗弯承载力计算。
⑦试验研究证实，碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力，其作用机理与箍筋类似，同时还能明显改善构件的变形性能，增强构件抗变形能力。
⑧碳纤维布与混凝土基层界面，可分为两个界面区，即混凝土基层与粘结树脂界面区、粘结树脂与碳纤维布界面区，粘结性能的本质是接触面间的相互作用，宏观上表现为液态聚合物浸润表面后形成的机械锁结，微观上表现为分子扩散后相互缠结作用，或化学键作用，或静电吸引作用，或其复合作用。
(2)碳纤维布加固设计计算要点
①采用碳纤维布加固旧桥，目前，其计算方法一般是将碳纤维布按照一定的标准，例如：允许应力标准，近似换算成一定用量的钢筋，然后，按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析，虽然是近似计算方法，但是，理沦分析结果与实验数据完全吻合，因此在一般情况下是适用的。
②碳纤维布加固用量，可按式2-2估算：
(2-2)
③除按上式估算的碳纤维布加固用量(面积)外，还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积，以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。
粘贴碳纤维布加固桥梁结构材料，其主要力学性能和指标，加固设计的构造要求及计算方法，可参照中国工程建设标准化协会标准《纤维混凝土结构技术规程》进行设计和计算。
(3)碳纤维布加固旧桥特点
①不增加恒载及断面尺寸：碳纤维布的自重仅为200—300g／m2，设计厚度为0.111—0.167mm，加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空的影响微乎甚微，可忽略不计。同时，碳纤维布可以多层粘贴。根椐补强的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，充分满足补强的要求。该优点更是传统补强方式所难以比拟的。
②可适应不同构件形状，成型方便。斜、弯、坡及异型结构的补强，采用传统的方法，施工难度极大，采用碳纤维补强法，因碳纤维布的随型性极强，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期，产生良好的社会和经济效益。
③施工简便：特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时，碳纤维布加固方法是可选择的一种方法。该法工艺简便，无需大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行，因而施工时所需工作面小，在作业空间受限制时，该优点是其他加固方法无法比拟的。
④采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤：碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材料，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏，更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。
⑤能有效地封闭混凝土的裂缝：碳纤维布(片)粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，其高强高模量的特性，还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
⑥碳纤维布(片)具有优良的耐化学腐蚀性：碳纤维布(片)是一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性以及具有较好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时，其寿命也较长。因而碳纤维布加固法，在不利环境下较其它方法更显出其优异性。
⑦不影响结构的外观：碳纤维布(片)的厚度很薄，粘贴固化后其表面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料，而不影响结构的外观，
3. 碳纤维布加旧桥施工工艺与要求
(1)一般施工工艺：施工前的准备作业、基面处理
混凝土表面的劣化层(如浮浆、风化层等)要用砂轮机进行清除和打磨；基面的错位与凸出部分要磨平，转角部位要进行倒角处理；裂缝部分要注人环氧树脂浆进行修补。
基面的清洗：先用钢丝刷将表面松散浮渣刷去，然后用压缩空气除去粉尘；用丙酮或无水酒精擦试表面，也可用清水冲洗，但必须保证其充分干燥后才能进行下一道工序的施工。
涂刷底胶：按比例准确配制好底胶并搅拌均匀，注意一次调和量在可使用时间内用完，超过时间的绝对不能使用，以确保粘接质量；用滚筒或刷子均匀地涂抹在基面上，注意直横均匀涂抹，自然风干。如在冬季施工，胶的粘度较高，不能涂得太厚，底胶硬化后，在表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸打光；待底胶指触干燥后，进入下道工序。
粘贴面的修补：若发现粘贴面上有凹人部位，应用找平胶进行修补，保证粘贴面的平整，以确保加固效果；待找平胶干燥后进入下一道工序。
粘贴碳纤维布：在待粘贴面上划出各层位置；依设计尺寸裁剪碳纤维布，应根据现场施工经验和作业空间确定下料长度，若需要进行接长时，接头的长度应根据实际情况而定，一般不得小于15cm；下料数量应以当天能用完为准；粘贴碳纤维布时，应依设计位置由上而下，由左至右有秩序地粘贴，并以滚筒压挤贴片，使碳纤维布与浸渍树脂充分结合，同时以压板去除气泡；即时观察贴片是否粘贴密实，若发现有间隙或气泡，应及时处理。
罩面防护处理：粘贴完碳纤维布后，即时在其表面再直横均匀涂抹一层浸渍树脂，自然风干；确保帖片表面已充分风干结合后，在其表面涂抹罩面胶或采取其他措施处理，以保证各层胶的耐久性。
(2)粘贴施工要求
①对被加固构件的基面要求：因为用碳纤维布加固混凝土构件是依赖于碳纤维布与构件表面的粘贴效率，所以要求基面的混凝土强度等级不低于C15。同时要求被加固构件应具有良好的保护层，即基面平整且具有一定强度。对于构件有剥落、起皮、腐蚀、裂缝及严重碳化等表面缺损，必须先进行修复，并应将粘贴基面打磨平整、清理干净，且不应存在尖锐楞角和浮灰粉尘，防止碳纤维布的局部剥断破坏和粘贴失效。
②碳纤维布的粘贴：用碳纤维布加固混凝土构件，宜采用薄布多层的粘贴方法，使其与粘结材料充分浸润，确保粘结效率。
对于受弯构件，宜在受拉区沿轴向平直粘贴碳纤维布进行加固补强，并在主纤维方向的断面端部进行附加锚固处理。
③碳纤维布的搭接与截断：加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。根据国内外对碳纤维布与混凝土间粘结锚固的试验结果，粘结应力主要集中于端部lOOmm范围内，粘结破坏是脆性的，且粘结应力一般不会产生扩展。因此，若碳纤维布确需搭接时，其搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于lOOmm，且搭接端部应平整无翘曲。多层搭接的各层接口位置，不应在同一截面，每层接口位置的净距宜大于200mm。
④施工时其他应注意的事项：现场气温底于5℃、雨天，应停止施工；在施工现场，应做好防火等安全措施；各种胶粘附在皮肤上时，要用肥皂水冲洗，特别是进入眼内，要立即用水冲洗，或接受医生诊治。
⑤加固所用的碳纤维布及其配套粘结材料，均应有厂家所提供的材料检验证明和合格证。
五、粘贴芳纶纤维布加固法
芳纶纤维布与碳纤维布一样是一种重量轻、柔软、耐久、耐腐蚀、不导电、抗动载、抗冲击性能好的高性能补强材料，其材料主要性能指标，见表2-2。
芳纶纤维布(单向)的主要性能指标 表2-2
采用芳纶纤维布粘贴加固桥梁，其施工工艺与碳纤维布粘贴加固的施工工艺基本相同，这里就不一一赘述了。
六、粘贴法加固材料质量控制
1. 在施工时应注意如下事项
(1)胶结材料配合比
严格掌握环氧树脂胶结材料的使用配合比，这是粘贴加固质量和效果保证的关键性环节，故配料时一方面要严格遵照使用配合比备料，同时在有条件的地方应尽可能先进行粘结试验，达到加固设计对胶结材料的使用要求之后，再用于实桥加固施工。
常用的粘贴钢板、钢筋、玻纤布环氧树粘胶结材料配合比，见表2-3。表中环氧树脂砂浆中砂的粒径不宜大于0.4mm。
胶结材料常见配合比 表2-3
粘贴碳纤维布和芳纶纤维布须采用专门配置的环氧胶浆成品，目前市场供应的有底胶剂找平胶，浸渍及粘结胶，种类较多，可供选择，但其技术性能指标，应符合表2-4及表2-5的规定。
底胶及找平胶性能指标 表2-4
浸渍和粘结性能指标 表2-5
注：①对底胶、找平胶及浸渍、粘结胶均应参照《机械工业产品用塑料、涂料橡胶材料人工气候加速试验方法》(GB／T14522—93)规定的环境条件进行耐久性检验，经过4000h的加速老化后，正拉粘结强度降低不应大于10％。
②粘贴胶的热变形温度应按《塑料弯曲负荷热变形温度试验方法》(GB41634)测定．热变形温度应不小于60℃。
(2)施工温度
环氧树脂在低温下固化缓慢，涂层不易均匀，因此一般直选择在15。～28。的温度下进行施工。如果施工时气温较低，必须采取相应的加温养护措施，如用紫外线灯烘烤等。
(3)应保持成型所需要的压力
桥梁粘结加固补强，大多数都是在梁(板)的底面进行，由下而上进行粘贴。无论采用哪一种补强材料，如果成型时施加的压力不足，就会造成加固补强层下坠，与混凝土之间粘合不紧密，以致使钢板等补强层材料发生脱落，影响加固补强的效果。
(4)粘贴
涂胶要均匀，并用力刮平，将气泡挤出来，以免形成空洞和脱胶，影响加固补强的效果，从而导致同某些部位粘结不好，承载时在这些部位出现应力集中的现象，造成结构的破坏。
2. 加固实例
(1)英国高速公路立交桥
英国的Quinton Ms。高速公路上有四座立交桥，均为三跨连续变截面钢筋混凝土空心板梁桥、中跨27.4m、边跨17m。该桥由于经常通行重型拖车，使底板的下方出现了裂缝，于是采用环氧树脂粘贴钢板进行加固补强。在配制的环氧树脂胶结料中，掺有细磨二氧化硅填料，最大粒径为0.4mm、钢板厚6.6mm、宽254mm、长3.6m。施工过程中桥下设有吊杆，悬挂反作用梁，并以反作用梁为支承，用木楔将钢板楔紧贴在板的底面上。钢板两自由端用夹紧螺栓固定，用无色云母氧化铁漆料进行防护处理。整个加固工作是在高速公路正常开放交通的情况下完成的。试验表明：树脂在硬化过程中因受交通振动的影响，其剪切强度降低了16％，但仍然高于桥面板?昆凝土的剪切强度，不会影响加固效果。
(2)云南省巍山河桥该桥为25.6+3X25.9+25.6m二梁式钢筋混凝土悬臂梁桥，设计荷载为：汽一10、拖一60，由于通行20t以上重型车辆，造成桥梁变形开裂，最大裂缝的宽度达到0.5mm以上，成为危桥，故限载限速通行。1980年2月，采用环氧树脂粘贴玻璃钢板对该桥进行加固补强。在主梁的底面粘贴了10层厚0.22nm的无碱无捻方格玻璃布，中间布设26根¢5mm的高强钢丝加劲，总厚约8mm。同时浇筑9cm厚的钢筋混凝土桥面补强层。牛腿裂缝用环氧树脂粘贴块状钢板加固。通过加固后大大提高了桥梁的刚度，跨中活载挠度平均减少了26.8％。试验证明，荷载等级由汽一10、拖一60提高到了汽一20、拖一100，满足了通行20t车辆的要求。
(3)天津于家岭大桥维修工程
该桥是一座钢筋混凝土简支梁桥、桥长702.5m，桥宽9m，跨径13.5m，共52孔。上部结构由6片T型梁组成，下部结构是灌柱桩双柱式墩台。由于1976年唐山地震及重载车行驶等因素影响，桥梁的上、下部结构均受到不同程度的损害，尤其是下部结构的帽梁和墩柱损坏比较严重。部分帽梁的负弯矩区里出现了宽达1.5mm的裂缝，正弯矩区也有少数由下向上的垂直裂缝，靠近支点的帽梁腹板有剪力引起的斜裂缝，最大缝2mm。还有部分墩柱出现不同程度的纵裂和横裂。经诊断由业主及有关部门共同研究，采用了碳纤维修补方案，在帽梁负弯矩区先将裂缝注入环氧树脂封闭，然后打磨平整，顺抗力方向粘贴1-2层TXD–C–20型碳纤维片，腹板的剪力补强用上述同样的方法，粘贴了二层TXD—C一20型碳纤维片，一层沿垂直方向，一层沿水平方向粘贴。墩柱用同样方法在补强区沿垂直方向粘贴一层、环包一层TXD–C–20型碳纤维片。碳纤维片的施工与桥面的维修同时进行，甚为简便。补强后安全运营至今。
(4)韩庄闸公路桥T梁
位于山东省微山县韩庄镇南的韩庄闸公路桥，是104国道的主干道，设计标准为汽–20、挂一100。该桥由31孔组成，每跨跨度为10m，加宽成9.Om，由5根钢筋混凝土T梁和5块钢筋混凝土空心板组成。投人运行40余年，新闸和加宽部分公路营运20多年。特别是近10多年，104国道上的车流量不断增加，代表车型不断趋于重型化，公路桥负荷日趋加重，特别是老闸公路桥T梁部分超载尤为严重，普遍出现可见裂缝。经检测发现，T梁不能满足设计汽一20，挂一100要求，而且老闸部分的T型梁混凝土老化病严重，为使公路桥T梁能长期安全通行，采用由日本TONEN公司进口、经国内某知名玻璃纤维研究院编制而成12K碳纤维布，粘贴CFRP用的结构胶，采用南京水利科学研究院研制和生产的LZ结构胶，在梁底跨中粘贴两层单向碳纤维布，在梁的两侧粘贴1-2层双向碳纤维布，该工程共加固面积140m2，经现场静载试验发现，梁的挠度降低30％左右、加固效果显著，工程安全运行至今。
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