碳纖維布在舊橋加固工程中的應(yīng)用

羅 鵬，何錦儀

（佛山市盛建公路工程監(jiān)理有限公司，廣東 佛山 528000）

1 概述

若簡(jiǎn)單地回顧一下人類開發(fā)利用建筑材料的歷史，就可以發(fā)現(xiàn)，首先是利用最貼近人們的土木材料，隨著人類文明的進(jìn)步，逐漸發(fā)展到利用木、石材料、混凝土材料或鋼材?？梢韵胂?，建筑材料由傳統(tǒng)的材料發(fā)展現(xiàn)代的鋼筋混凝土材料，其中蘊(yùn)含了歷史的演變和科學(xué)技術(shù)的革命。正是由于土木建筑工程的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促使建筑材料不斷更新。新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，為土木建筑工程的發(fā)展提供了更加廣闊的空間?，F(xiàn)代復(fù)合材料（FRP）以其出色的機(jī)理性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的公益性能擴(kuò)展了建筑材料的范圍。圖1表示人類使用材料的變遷情況。可以說，復(fù)合材料是人類與大自然斗爭(zhēng)產(chǎn)生的智慧的成果。

將復(fù)合材料按其所含纖維的種類，可分為碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、維呢綸纖維、硼纖維等。目前已開發(fā)成熟并在土木工程中利用的主要是前三種。通?？砂磮D2對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行分類。

表1所示為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線的基本力學(xué)性能比較，其荷載～應(yīng)變關(guān)系見圖3。由此可知，纖維增強(qiáng)行使材料的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系無明顯的屈服點(diǎn)，直至極限度為一條直線，屬脆性破壞。

在上述幾種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，碳纖維材料的技術(shù)發(fā)展迅速。品種多、用途廣、用量大。并且在橋梁工程界得到普遍關(guān)注，特別是在橋梁加固工程中得到廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)樗哂斜娝苤?、無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：高強(qiáng)度、高彈模、耐腐蝕、耐疲勞和易加工性。

表1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼材的力學(xué)性能比較

采用（粘貼）CFRP進(jìn)行加固是一種新型的加固方法。國(guó)外始于10年前，在國(guó)際上深受重視并已獲得了較多和應(yīng)用和發(fā)展。其優(yōu)越性已在對(duì)美國(guó)洛杉磯和日本阪神地震中被損壞建筑的修復(fù)中得到驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)則是最近幾年的事。雖然起步晚，但發(fā)展的勢(shì)頭很快，首先主要應(yīng)用于房屋建筑工程，現(xiàn)在已發(fā)展到公路、鐵路橋梁領(lǐng)域。

2 混凝土試驗(yàn)梁加固試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)粘貼碳纖維布的加固效果，日本方面曾專門制作了一批混凝土試驗(yàn)進(jìn)行加固效果試驗(yàn)。試驗(yàn)梁按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)，為鋼筋混凝土矩形小梁。梁全長(zhǎng)2.4m，跨度為2.0m,梁高為0.35m，梁寬為0.2m。這批試驗(yàn)小梁中，一部分粘貼了碳纖維布，另一部分則未粘貼，以進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)試驗(yàn)梁按相同的荷載加載，進(jìn)行了抗彎能力試驗(yàn)，觀測(cè)了梁體在試驗(yàn)荷載作用下的撓寬，應(yīng)力以及承載能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：粘貼碳纖維布以后，其抗彎能力提高了近1倍；當(dāng)加載到裂縫寬度為0.2mm時(shí)，其承載能力提高了30%左右。說明碳纖維參與原混凝土梁共同工作，加固效果良好，此種加固材料是一種值得信賴的新型材料。

3 工程應(yīng)用

我國(guó)在上世紀(jì)九十年代初開始全面鋪開公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，交通量與日俱增及車輛的嚴(yán)重超載等因素，這一時(shí)期修建的公路橋梁已經(jīng)難以負(fù)荷現(xiàn)在的交通量和實(shí)際的荷載，有一部分橋梁已經(jīng)開始出現(xiàn)裂縫、滲水等現(xiàn)象，而且最近幾年一直呈逐漸增加的趨勢(shì)。下面簡(jiǎn)要介紹最近所進(jìn)行的兩個(gè)典型項(xiàng)目。

3.1 廣州廣北跨線橋的加固工程

（1）橋梁概況

該橋?yàn)闄M跨京廣鐵路大動(dòng)脈的高速公路跨線橋（見圖4），主跨60m+100m+60m。橋型是鋼筋混凝土雙箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。此橋采用懸臂梁加掛孔梁先簡(jiǎn)支后連續(xù)的方法施工，矩形空心墩。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20，掛車-120。

（2）病害情況及原因分析

此橋使用多年后，在連接掛孔的牛腿附近出現(xiàn)多條裂縫，經(jīng)檢測(cè)、分析裂縫主要是因剪切鋼筋配置不足而造成的剪切裂縫。此橋的加固方案為在牛腿附近的箱梁內(nèi)外側(cè)粘貼450 g/m2碳纖維布2層，以補(bǔ)充抗剪鋼筋的不足。在箱梁頂板處粘貼200 g/m2碳纖維布2層，以提高橋面板的抗彎性能。對(duì)于抗剪碳纖維布還采用了鋼條進(jìn)行錨固，使得碳纖維受力更為可靠。

（3）裂縫處治方法

由于該橋位于南方雨水充沛的城市，有大量裂縫的橋梁長(zhǎng)年累月受到潮濕空氣的侵蝕，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性均有不利影響，所以必須對(duì)裂縫進(jìn)行全面徹底的修補(bǔ)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。為了便于修補(bǔ)加固，對(duì)裂縫進(jìn)行了分類：第一類是受力裂縫，這類裂縫較嚴(yán)重；第二類是非受力裂縫，裂縫寬度大于0.20mm；第三類是裂縫寬度小于0.20mm的非受力裂縫。

對(duì)于第一類裂縫，通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，采取先壓力灌縫再粘貼碳纖維布的方法，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力及結(jié)構(gòu)耐久性；對(duì)第二類裂縫，采取壓力灌漿補(bǔ)強(qiáng)的方法；第三類裂縫，采取表面封閉處理的方法。碳纖維的布粘貼位置見圖5。

此工程采用的是新日鐵FTS-C1-45型碳纖維布 400 m2，F(xiàn)TS-C1-20型碳纖維布 200 m2，配套樹脂采用新日鐵生產(chǎn)的FP-NS（底層樹脂）、FE-Z（找平材料）、FR-E3P（浸漬樹脂）。

（4）加固效果檢驗(yàn)

自從2002年10月全橋加固完成后，對(duì)該橋進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)，驗(yàn)證了加固效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)荷載使用下，梁體的控制斷面的應(yīng)變、變位校驗(yàn)系數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，殘余變形很小，其動(dòng)力特性值與同類橋梁結(jié)構(gòu)物比在常值范圍，橋跨結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)荷載的荷載等級(jí)要求。加固工程完成后，至今已運(yùn)行近3年多，運(yùn)行情況正常。

3.2 深圳市泥崗立交橋加固維修工程碳纖維加固項(xiàng)目

（1）橋梁概況

深圳市泥崗立交橋建成于1994年，全橋共分為三聯(lián)，跨徑分別為30 m+37m+30 m、3×27 m、3×27 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲線梁，梁高1.65m，斷面為單箱雙室箱形。泥崗立交是按汽車－超20級(jí)及掛車－120荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。4號(hào)橋預(yù)應(yīng)力配筋束在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的應(yīng)力狀態(tài)基本滿足規(guī)范要求。

（2）裂縫情況

由于深圳市交通量增長(zhǎng)很快，特別是重型載重車及集裝箱很多，又鑒于泥崗立交是深圳市的重要交通樞紐，超載情況嚴(yán)重，長(zhǎng)期在超負(fù)荷狀況下工作，部分主梁過早出現(xiàn)裂縫。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)鑒定，四號(hào)橋第二聯(lián)至第三聯(lián)裂縫均小于0.15 mm，且數(shù)量不多。第一聯(lián)普遍存在裂縫，部分底板已裂通，裂縫數(shù)量較多，大部分為大于0.15mm，基本上屬于由于超載所引起的受力裂縫，經(jīng)復(fù)合驗(yàn)算，決定對(duì)四號(hào)橋采用粘貼碳纖維進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。

（3）裂縫處理方法

裂縫封補(bǔ)膠采用鐵道部科學(xué)研究院鐵道建筑研究所研制的裂縫封補(bǔ)膠，該系列產(chǎn)品于1994年通過技術(shù)鑒定。1992年以來對(duì)上千孔各類鐵路及公路混凝土橋梁進(jìn)行了修補(bǔ)，效果非常好，很多已經(jīng)過近10年的現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)，證明其耐久性也很好。該系列產(chǎn)品有以下幾種：

a.ZV型混凝土修補(bǔ)膠（用于寬度小于0.15mm的裂縫表面封閉）

ZV型修補(bǔ)膠是以高分子共聚物為基本原料，摻加適量改性劑、有機(jī)助劑配制成的水乳狀產(chǎn)品，無毒、不燃、無腐蝕性，pH值為6～6.5，粘度200～500 cP。ZV型修補(bǔ)膠對(duì)混凝土有很強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，它可以直接滲入混凝土中，摻入水泥漿中配制薄層涂料用于裂縫表面封閉，其粘結(jié)強(qiáng)度見表2。

表2 ZV型修補(bǔ)膠粘結(jié)強(qiáng)度

b.TK型注縫膠（用于寬度大于0.15 mm的裂縫注縫）

系改性環(huán)氧樹脂注漿材料，其基本性能如下：初始粘度40～80MPa.s，硬化后抗壓強(qiáng)度40～60MPa，與混凝土的抗拉粘結(jié)強(qiáng)度3～4 MPa，彈性模量3.5×103MPa。雙組份包裝，甲液為主劑，乙液為硬化劑，甲液與乙液重量配比為2∶1。

c.TZ型封縫膠和封縫粉（用于寬度大于0.15mm的裂縫封縫）

TZ型封縫膠和封縫粉配合可用于粘結(jié)注漿嘴和封閉裂縫，其固化時(shí)間約為3 h，與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度大于3 MPa，使用時(shí)重量配比如下：

粘嘴用漿：封縫膠：封縫粉=1∶1.5～2.5；

封閉用漿：封縫膠：封縫粉=1∶1～2。

裂縫處理包括：首先，注漿補(bǔ)縫：清除裂縫附近塵土、油污，測(cè)量裂縫寬度；確定注漿嘴位置，并預(yù)先貼上膠布；配制封縫用漿，封閉裂縫；揭去設(shè)嘴處膠布，以粘嘴用漿將注漿嘴跨縫粘牢；待粘嘴膠硬化后，重新在注漿嘴處及裂縫上補(bǔ)刷一次封縫用漿；配制注縫用漿；用補(bǔ)縫器注漿；鏟去注漿嘴和封縫材料，清理裂縫表面。其次，封閉裂縫：清除裂縫附近混凝土表面粉塵、油污；孔洞和裂縫處預(yù)先補(bǔ)平；用水濕潤(rùn)混凝土表面；配制底層聚合物水泥漿；用聚合物水泥漿涂刷底層；配制主層聚合物水泥漿；用聚合物水泥漿涂刷主層。

對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行處理的基本原則是：寬度不小于0.15mm的裂縫，采用注漿補(bǔ)縫辦法；寬度小于0.15mm的裂縫，采用直接封閉方法。

（4）貼碳纖維布

貼碳纖維布前，首先清除被加固混凝土表面酥松部分至露出混凝土結(jié)構(gòu)層，若有裂縫先行修補(bǔ)，然后使用修補(bǔ)材料將表面修復(fù)平整，粘貼部位的混凝土要除去浮漿層及油污雜質(zhì)，并打磨平整，直至露出集料新面，且表面平整度應(yīng)達(dá)到5mm/m，使用鋼尺和三角板進(jìn)行量測(cè)。構(gòu)件轉(zhuǎn)角要打磨成圓角，半徑不小于20mm。打磨后徹底清除粉塵。

本工程第一聯(lián)為曲線梁，采用分段搭接粘貼，碳纖維呈折線型式順應(yīng)梁體的外形。本工程第二、三聯(lián)為直線梁，采用整跨整布粘貼技術(shù)，即將碳纖維片預(yù)先裁剪，將整塊布移至待貼部位，全部展開，先從跨中貼附，其它部位用人工托起，從中間往兩端逐漸趕壓，直至全部貼附完成，然后充分趕壓消泡。此方法粘貼碳纖維在保證質(zhì)量的前提下可提高功效。貼碳纖維布的關(guān)鍵工序見圖6。

深圳地區(qū)屬于亞熱帶暖濕性氣候，碳纖維加固施工對(duì)溫濕度要求極為嚴(yán)格，施工前應(yīng)對(duì)粘貼部位混凝土表層含水率及所處環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，如混凝土表層含水率大于4%時(shí)使用強(qiáng)力吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行除濕直至符合要求方可施工；如環(huán)境溫度小于5℃或空氣濕度大于85%時(shí)，停止施工。

（5）加固處理效果

為了檢驗(yàn)加固效果及經(jīng)過加固處治后能否滿足設(shè)計(jì)要求和運(yùn)營(yíng)要求，對(duì)該橋進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)及碳纖維拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過加固后，梁體受力情況良好，碳纖維粘貼非常牢固。

4 體會(huì)

（1）碳纖維材料，從其力學(xué)性能上看，應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線中無明顯的屈服點(diǎn)或無塑性變形，是一種脆性材料。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意這一特性。采用碳纖維材料加固的混凝土結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，其破壞狀態(tài)有兩種可能，一種是碳纖維材料產(chǎn)生極限變形，另一種是受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限變形。因此，在計(jì)算設(shè)計(jì)斷面的極限承載能力(極限彎矩)時(shí)，若混凝土發(fā)生彎曲受壓破壞，假定結(jié)構(gòu)仍保持平截面假定，求得碳纖維材料發(fā)生極限變形時(shí)的應(yīng)變分布，據(jù)此推算極限承載力。此時(shí)，若碳纖維材料按多層配置時(shí)，可以從最外層的碳纖維開始，按逐層達(dá)到極限直至破壞考慮。

（2）為使碳纖維布與混凝土表面良好粘貼，真正做到共同參與受力，達(dá)到有效的提高結(jié)構(gòu)承載力的目的，在粘貼碳纖維布時(shí)必須注意保證粘貼質(zhì)量。為此要求：

a.在此期間停此橋面上的任何交通，直至施工完成36 h后再恢復(fù)交通。

b.當(dāng)?shù)灼峁袒笥媚佔(zhàn)诱移交炷两Y(jié)構(gòu)表面時(shí)，修平工作的好壞直接影響加固的整體效果，如果被粘貼混凝土表面凹凸不平，將會(huì)造成碳纖維布受力不昀，嚴(yán)重時(shí)可能造成應(yīng)力集中，因此，應(yīng)予以高度重視，認(rèn)真做好找平這道工序。

c.粘貼碳纖維布時(shí)，搭接長(zhǎng)度和位置非常重要，受力方向的搭接長(zhǎng)度應(yīng)大于10 cm，非受力方向，理論可以不搭接，但實(shí)際施工時(shí)為了控制的需要，一般要求有2～5 cm的搭接長(zhǎng)度，同時(shí)不宜在同一斷面設(shè)置搭接接頭。