孫海軍1    潘欣欣2

摘要：隨著我國(guó)橋梁事業(yè)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)維修、加固及技術(shù)改造的研究及其工程應(yīng)用有其重要意義。論文重點(diǎn)探討了碳纖維加固橋梁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，并對(duì)加固的施工質(zhì)量控制進(jìn)行了探討，旨在碳纖維加固技術(shù)在橋梁工程中的推廣應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：橋梁加固   碳纖維  施工

橋梁加固是指對(duì)有缺陷的橋梁構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，改善結(jié)構(gòu)性能，恢復(fù)和提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全度，提高其承載能力、通行能力，以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命， 對(duì)原有橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)、改造翻新，最大程度利用現(xiàn)有資源，保證其使用安全，延長(zhǎng)其使用壽命是當(dāng)今國(guó)際工程界關(guān)注的重大課題之一。目前我國(guó)已有一定數(shù)量的橋梁發(fā)生老化，危橋逐年增多，舊橋加固己成為橋梁設(shè)計(jì)、研究、管理部門(mén)的當(dāng)務(wù)之急。
1橋梁加固的新方法－碳纖維加固法
首先，現(xiàn)有主要加固技術(shù)有如下幾種，詳見(jiàn)表1
表1 常見(jiàn)的橋梁加固技術(shù)的對(duì)比
序號(hào) 加固方法 適用范圍 施工特點(diǎn) 加固效果
1 體外預(yù)應(yīng)力 抗彎、抗拉、抗剪，適用
于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的
加固 工序多、工藝復(fù)雜、
施工困難、施工周期
長(zhǎng)、施工風(fēng)險(xiǎn)大。 效果直接、顯著，
并大幅度提高結(jié)
構(gòu)整體的承載.
2 加大截面加固 適用較小跨徑的T型梁
橋或板橋的加固。 工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，
作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，凈空減
小，自重增大。 剛度及承載力效
果明顯。
3 粘貼鋼板 抗彎、抗剪、抗拉，適用
承受靜力作用，且處于受
正常濕度受彎、受拉構(gòu)件 工序多、施工簡(jiǎn)單、
施工周期較短 效果取決于膠粘
工藝及操作水平
4 粘貼碳纖維布 抗拉、抗彎、抗壓 工序少、施工簡(jiǎn)單、
施工周期短 結(jié)構(gòu)有變形后才
能發(fā)揮作用
碳纖維又稱增強(qiáng)復(fù)合材料，是60年代以來(lái)隨著航天工業(yè)等尖端技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的苛刻要求而發(fā)展起來(lái)的新材料，具有耐腐蝕、高強(qiáng)、彈性模量與鋼相近和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，90年代在國(guó)際上對(duì)碳纖維材料怎樣應(yīng)用于土建工程中進(jìn)行了廣泛和系統(tǒng)的研究，尤其在橋梁、隧道和房建加固工程中首先得到了廣泛采用。采用碳纖維布粘貼加固，一般是粘貼在梁底受拉區(qū)，以提高截面的抗彎承載力，這時(shí)碳纖維布的作用類似于梁底受拉鋼筋。碳纖維布和混凝土梁通過(guò)粘結(jié)層傳遞剪應(yīng)力(錨固剪應(yīng)力)和粘結(jié)正應(yīng)力(剝離正應(yīng)力)，以達(dá)到共同工作的目的。
將碳纖維材料用于橋梁加固，其主要特點(diǎn)如下: (1)比強(qiáng)度和比剛度高:輕質(zhì)高強(qiáng)，采用碳纖維材料材料可以減輕結(jié)構(gòu)自重，碳纖維T300/環(huán)氧5208的比強(qiáng)度是鋁材的6.3倍，比剛度是鋁材的4.16倍;(2)耐腐蝕性良好:FRP材料可以在酸堿氯鹽和潮濕環(huán)境中長(zhǎng)期使用，這是傳統(tǒng)金屬材料難以比擬的;(3)彈性性能好:應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線彈性，在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀，塑性變形小，有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)，這一特點(diǎn)在加固領(lǐng)域非常重要;(4)減振性能好:復(fù)合材料自振頻率高，可避免早期共振，同時(shí)其內(nèi)摩擦很大，一旦激起振動(dòng)，也很快衰減;(5)疲勞性能好:一般金屬的疲勞強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的40%～50%，而某些復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度可達(dá)到其拉伸強(qiáng)度的70%～80%。施工方便，加固費(fèi)用低、不減少橋下凈空，加固施工不影響交通; (6)其它優(yōu)點(diǎn)，良好耐熱性能、透電磁波等。
2碳纖維加固鋼筋混凝土橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1）采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)通過(guò)配套的改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑將碳纖維片材粘貼于構(gòu)件表面，使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調(diào)，共同受力。2）碳纖維片材可采用下列方式對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固:在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固，纖維方向應(yīng)與加固部位的受拉方向一致。采用環(huán)形箍或U形箍對(duì)梁、柱構(gòu)件進(jìn)行受剪加固，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直。采用環(huán)向圍束粘貼對(duì)柱進(jìn)行抗震加固，纖維方向應(yīng)與柱軸向垂直。3）采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。鋼筋和混凝土材料宜根據(jù)檢測(cè)得到的實(shí)際強(qiáng)度，按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定其相應(yīng)的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。碳纖維片材應(yīng)根據(jù)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變，按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力。4）加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取措施使原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件不致因碳纖維片材加固部位意外失效而導(dǎo)致坍塌。5）碳纖維片材不能設(shè)計(jì)為承受壓力，但在反復(fù)荷載下碳纖維片材在經(jīng)受一定的壓力作用后，仍可承受拉力。6）碳纖維片材應(yīng)采用配套樹(shù)脂類粘結(jié)材料粘貼于構(gòu)件表面，在構(gòu)件受力過(guò)程中應(yīng)與構(gòu)件保持變形協(xié)調(diào)。應(yīng)采取措施保證不發(fā)生因粘貼面過(guò)早剝離而導(dǎo)致加固效果顯著降低。
3碳纖維加固鋼筋混凝土橋梁施工技術(shù)要點(diǎn)
1）混凝土破損區(qū)域的清理。對(duì)混凝土出現(xiàn)的蜂窩麻面、松散、孔洞、破碎、剝落等缺陷的部位以及鋼筋外露區(qū)域，可采用人工鑿除法、氣動(dòng)工具鑿除法或高速射水法將該處松散、破損、污損的混凝土清除干凈，直至露出堅(jiān)硬密實(shí)的基面，同時(shí)應(yīng)注意保證該部位無(wú)油污、油脂、蠟狀物、灰塵以及附著物等物質(zhì)。2）鋼筋銹蝕區(qū)域的清理。在混凝土表面破損清理完畢后進(jìn)行;用鋼刷清除鋼筋表面的浮銹，使之露出光潔部分; 對(duì)經(jīng)探查確定的鋼筋銹蝕區(qū)域，應(yīng)清除掉混凝土表面的油污、油脂、蠟狀物等有機(jī)污物;3）鋼筋防銹、阻銹的清理。對(duì)外露的鋼筋涂刷鋼筋保護(hù)劑，鋼筋保護(hù)劑的選用應(yīng)滿足設(shè)計(jì)提出的材料特性要求，涂刷時(shí)滿足施工規(guī)范要求;對(duì)鋼筋銹蝕區(qū)域采用多功能阻銹劑(表面涂刷型)處理，可滾刷或噴涂于結(jié)構(gòu)表面，選用材料應(yīng)滿足施工規(guī)范要求; 根據(jù)所選用材料的物理化學(xué)性能指標(biāo)選擇合適的施工條件進(jìn)行施工。4）混凝土破損修補(bǔ)處理。在混凝土破損區(qū)域清理完成以及鋼筋除銹、阻銹處理工作完畢后進(jìn)行;按照橋梁維修養(yǎng)護(hù)相關(guān)規(guī)定及要求，采用與結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)相當(dāng)?shù)沫h(huán)氧修補(bǔ)砂漿對(duì)破損區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)，要求修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)平整密實(shí);所用環(huán)氧砂漿應(yīng)具有較低的膨脹系數(shù)、收縮率和放熱溫度，并且還應(yīng)具有較高的粘結(jié)力、硬度及抗沖擊性能，環(huán)氧砂漿的配合比根據(jù)試驗(yàn)確定;修補(bǔ)區(qū)域如處于潮濕狀態(tài)，應(yīng)采取相應(yīng)措施使修補(bǔ)位置保持千燥，或選用能在潮濕狀態(tài)下施工的材料，確保修補(bǔ)質(zhì)量;應(yīng)根據(jù)材料物理化學(xué)性質(zhì)、修補(bǔ)厚度以及氣候條件等因素作好養(yǎng)護(hù)工作。5）裂縫處理。對(duì)結(jié)構(gòu)上、下部存在的所有裂縫進(jìn)行處理，對(duì)于裂縫寬度f(wàn)w<0.15mm且裂縫深度較淺的細(xì)小裂縫可采用樹(shù)脂封閉膠進(jìn)行涂刷封閉處理，對(duì)于裂縫寬度0.15mm≤fw≤0.5mm的裂縫采用裂縫灌注膠或?qū)Ｓ铆h(huán)氧樹(shù)脂漿液進(jìn)行灌注處理;對(duì)于fw大于0.5mm的裂縫進(jìn)行鑿槽嵌補(bǔ)處理。裂縫灌注方法采用壓力灌注法進(jìn)行施工，采用其它材料及技術(shù)時(shí)，應(yīng)得到設(shè)計(jì)人員及施工監(jiān)理的批準(zhǔn)。6）鉆孔植筋。對(duì)照原施工圖和竣工圖，掌握該部分的受力主鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼筋的分布情況，精確量出需植筋的具體位置，并盡量與受力主鋼筋、結(jié)構(gòu)鋼筋錯(cuò)開(kāi)布置，必要時(shí)采用鋼筋定位儀測(cè)量原有鋼筋位置，確保鉆孔不會(huì)損傷原橋主筋。植筋孔位與設(shè)計(jì)位置最大偏移不大于5cm; 將已制作好的植筋材料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，逐根檢查鋼筋或螺栓有無(wú)油污、銹蝕以及植筋的一端是否有彎頭等，同時(shí)保證鋼筋的搭接長(zhǎng)度大于35d，保證螺栓的預(yù)留長(zhǎng)度。7）結(jié)構(gòu)表面防護(hù)處理。施工應(yīng)在混凝土破損修補(bǔ)以及裂縫處理完成后進(jìn)行;可噴射或用滾筒裝置施工，但產(chǎn)品粘稠度較小，因此建議用刷子刷或直接用布抹，且要節(jié)約使用;在正常的氣候條件下，干燥時(shí)間大約為2小時(shí)，選擇天氣好且濕度小的條件施工，絕對(duì)不能在雨天施工，必須保證涂層獲得充分的干燥;使用了石油溶劑油或洗滌液的工具要進(jìn)行清洗。
4結(jié)語(yǔ)
總之，論文重點(diǎn)探討了碳纖維加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和有效的構(gòu)造措施，并對(duì)施工過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題提出個(gè)人意見(jiàn)，僅供參考。
參考文獻(xiàn)：
[1]騰錦光，陳建飛，s.T.史密斯，林力.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu).中國(guó)建筑工業(yè)出版社;
[2]葉列平，馮鵬.F即在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展閉.土木工程學(xué)報(bào)2006, 39(3):24-36;
[3]碳纖維布抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率檢測(cè)報(bào)告.冶金工業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站檢測(cè)中心，2006;