碳纤维布在桥梁加固工程中的应用
1、引言
近年来，我国交通运输事业迅速发展，许多现有桥梁已不能适应现代交通的需要，这些问题不仅会影响到桥梁的正常使用，严重的还会给国家和人民的生命财产造成威胁。因此，如何采用最经济、合理的加固方案对现有旧桥进行加固，以使其满足现行桥梁设计规范要求，一直是摆在桥梁和材料科学研究人员面前的一个课题。目前，关于混凝土桥梁的加固方法主要有：①非结构性加固，如对裂缝进行封闭或压浆处理等；②结构性加固，如采用体外预应力在结构的受拉区粘贴钢板、增设支撑加大截面等，但这些加固方法工期较长、施工复杂，有的还需要定期养护。最近几年迅速发展的碳纤维复合材料（CFRP）加固技术，使旧桥加固发生了根本性的变化。
2、碳纤维布加固技术
2.1碳纤维材料的特点
碳纤维材料是一种新型的高强材料，最早应用于航空航天等高科技领域，国内近年来才在土木工程中得到应用与发展。作为一种新型高效的加固技术，碳纤维加固技术具有如下特点：
1）与传统的其他加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载及断面尺寸，不影响结构的外观，不减小桥下净空；
2）该法施工简便，操作简单，可适应不同构件形状，具有随型性的特点；
3）通过环氧树脂等材料与结构有效粘结，不需设置锚固螺栓等，不损伤原有结构；
4）能有效地封闭混凝土表面的裂缝，提高混凝土构件的整体刚度；
5）碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性，应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时仍有较长的寿命；
6）采用碳纤维布加固混凝土构件时，可根据受力需要计算出粘贴层数。
2.2碳纤维加固工艺流程及要点
碳纤维加固结构技术是利用碳纤维材料的特性，将碳纤维布粘贴在结构表面，从而起到对结构的加强作用，其具体工艺流程如下。
2.2.1施工前的准备工作
由于碳纤维用胶最适宜的温度在20～25℃，施工前，每天测量气温3次，视气温高低，适当调整施工日期。开始施工时，必须先将混凝土表面用砂轮打磨平整，凹陷、缺损处用修补胶补平，U形箍的转角处打磨成R≥20 mm，裂缝须注入环氧树脂进行修补，然后用无水酒精或丙酮冲洗混凝土表面，除去表面的粉尘，待表面干燥后方可涂刷粘贴剂。
2.2.2粘贴碳纤维布
混凝土表面干燥后，用滚筒或刷子均匀地将粘贴剂涂在混凝土上，粘贴面必须平整、光滑，待粘贴面干燥后方可在其上粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维布时，必须两人密切配合，一人拉紧碳纤维布，一人用刮板从一侧边刮边贴，保证不留气泡，粘贴紧密。由于荷载主要是通过搭接区传递的，所以应注意搭接区粘贴，做好标记，保证搭接长度≥15 mm。碳纤维布粘贴好以后，至少要放置30 min，以保证环氧树脂的充分渗透。
2.2.3养护工作
碳纤维布粘贴好后，用聚乙烯板等进行养护，养护时间要≥48 h，养护过程中注意不要与施工面接触。为了保证耐久性，可在表面再涂刷一道粘结树脂、粉刷20 mm厚的M15水泥砂浆或喷砂保护，并且力求外观颜色与原有梁体混凝土颜色一致。
3、工程实例
3.1工程概况
广州港务局西基桥建于1985年，全桥长143.5m，设计活载为汽车-15级，挂车-80。桥面总宽9m，按两车道设计。桥面两侧各设宽1 m的人行道，人行道下布置水管及高、低压电缆。上部结构由3联连续板梁组成，各跨跨度均为8 m，共17跨。主梁为空心板梁，沿纵向分为3块，施工时由湿接缝连接。桥墩采用排架墩形式，大部分桥墩由两根桩组成，在各联内有一制动墩，由4根斜桩组成。墩身桩截面为宽50cm的正方形。桩与梁体固结形成连续刚构。该桥立面布置见图1。
西基桥建成后，随着时间的延续及港务局的不断发展，通行于西基桥上的车辆轴重已经远远大于桥梁设计活载汽车-15、挂车-80等级，大桥各部位均出现程度不同的损伤，为了确保桥梁的安全使用及港口的运输，课题组在对该桥进行了现状评估、极限荷载确定试验与研究的基础上，得出必须对其进行加固处理的结论，详细内容见文献。
3.2碳纤维加固处理方案
西基桥梁部为钢筋混凝土结构，经检测：几乎每孔梁跨底面均出现了横桥向分布的裂缝，有的裂缝长达2 m左右，甚至贯通二块桥面板，裂缝宽度在0.2mm左右。裂缝主要分布在靠近跨中的一段区域内，属于典型的梁底下缘受拉裂缝；部分帽梁底面出现了类似梁跨底面的受拉裂缝。出现此类裂缝是由于：①梁部和帽梁均为钢筋混凝土结构，在使用过程中出现此类裂缝不可避免；②西基桥设计活载等级为汽车-15级，而实际运营活载已远超过此等级，这是引起此类裂缝宽度较宽的直接原因。考虑到不中断运营以及施工工艺尽量简单等因素，采用碳纤维布加固法对桥跨结构及帽梁进行加固。
3.2.1加固设计
在碳纤维布加固设计中，假定：①受拉区混凝土的作用忽略不计；②梁受弯时，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；③碳纤维材料采用线弹性应力—-应变关系：σсƒ=Eсƒ×εсƒ。
参考相关资料，加固方案中碳纤维布所需用量采用下列公式进行计算：
式中：△M——提载前后的弯矩增加量；
rs——钢筋安全系数；
Rg——钢筋抗拉设计强度；
Ag——加固补强所需钢筋面积；
h——截面高度；
x——混凝土受压区高度。
从而可计算得到所需碳纤维布（规格见表1）截面面积：
Acf=Ag（Rg／Rcf）
（2）
式中：Acf——所需碳纤维布截面积；
Rcf——碳纤维布抗拉设计强度。
3.2.2加固施工
在确定了加固部位及计算出所需碳纤维布面积之后，按前述施工流程及注意事项组织人员精心施工。为确保施工质量，每天施工结束前必须对粘贴部位进行检查，若发现局部空鼓现象，要注胶修补，严重的必须重新粘贴。加固后的桥跨及帽梁布置图分别见图2和图3。
4、结语
由于桥梁设计过程中受远期规划、施工等因素的影响，目前国内许多现有桥梁已不能满足使用要求，需要进行现状评估、加固处理等。本文在对西基桥整体性能进行了现状评估的基础上，提出对该桥跨结构及帽梁进行碳纤维加固处理的方案，既不影响水陆交通，又节约了施工周期。实践证明，碳纤维布加固桥梁工程的优越性是非常明显的，在土木工程加固补强中具有广泛的应用前景。
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