無粘結(jié)、半粘結(jié)碳纖維板材加固混凝土梁橋?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)受力影響的分析研究

孫鐵鋼 ，賀鐵飛

（1.廣州市海珠區(qū)建設(shè)和園林綠化局，廣東 廣州 510000；2.廣州市海珠區(qū)市政工程項目建設(shè)中心，廣東 廣州 510000；3.廣州市海珠區(qū)市政設(shè)施維護(hù)管理中心，廣東 廣州 510000）

1 概述

隨著時間的推移，早期建造橋梁結(jié)構(gòu)越來越多地需要加固改造，橋梁加固作為結(jié)構(gòu)工程的一個分支學(xué)科，正方興未艾，結(jié)構(gòu)的加固改造技術(shù)近些年來取得了長足的進(jìn)展，新材料、新技術(shù)不斷應(yīng)用到這一新興領(lǐng)域。傳統(tǒng)的加固方法有加大截面法、外包鋼法、噴射混凝土加固法、粘鋼加固等方法，這些方法的應(yīng)用較成熟，已經(jīng)有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用到不少工程的加固改造中，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

隨著材料工業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的新材料被應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，高強(qiáng)碳纖維加固技術(shù)就是其中一例。高強(qiáng)碳纖維加固技術(shù)的特點是加固效率高、效果好、施工機(jī)具少、操作簡單、施工周期短，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。但也有些不足，例如粘貼加固材料和混凝土之間存在著無粘結(jié)、半粘結(jié)現(xiàn)象。本文對其進(jìn)行了分析研究，究其產(chǎn)生的無粘結(jié)、半粘結(jié)現(xiàn)象，一般有以下三個方面原因：

（1）結(jié)構(gòu)膠的耐久性

鋼筋混凝土構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)所使用的環(huán)氧樹脂類結(jié)構(gòu)膠，所用的基料多是耐老化性能比較好的環(huán)氧樹脂類高分子化合物，在室內(nèi)常溫環(huán)境條件下粘結(jié)強(qiáng)度具有較長期的穩(wěn)定性，粘結(jié)強(qiáng)度很高，效果很好，能夠滿足設(shè)計及施工的各方面要求。但有機(jī)高分子化合物本身在不同環(huán)境條件長期作用下，老化或劣化是必然的現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是結(jié)構(gòu)與加固材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的下降，使粘貼加固補(bǔ)強(qiáng)衰減或失效，尤其在長期浸水或凍融條件下，粘結(jié)強(qiáng)度雖然仍能超過C40以下混凝土基材的強(qiáng)度，但結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度，尤其是結(jié)構(gòu)膠與粘貼加固材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生了明顯的劣化，90 d就下降近70%。

（2）施工工藝、施工質(zhì)量

預(yù)應(yīng)力碳纖維加固鋼筋混凝土梁的原理就是把預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到纖維加固中，有效改善加固梁的使用性能。常用的施工工藝有反拱技術(shù)、利用張拉設(shè)備直接張拉、利用碳纖維布與混凝上梁之間的相互作用施加預(yù)應(yīng)力，通過上述施工工藝張拉預(yù)應(yīng)力后，碳纖維板的張拉力能較為有效地通過粘接錨固將預(yù)應(yīng)力加到混凝土結(jié)構(gòu)上，張拉過程中存在著預(yù)應(yīng)力損失。不同的施工過程必然會使混凝土和碳纖維之間產(chǎn)生無粘結(jié)現(xiàn)象。

（3）力學(xué)特性

從預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固混凝土梁受彎構(gòu)件的試驗研究中得出，梁底碳纖維板與混凝土之間由于粘結(jié)力不夠，放張后的預(yù)應(yīng)力碳纖維板與混凝土之間存在著滑移，二者的收縮應(yīng)變并不協(xié)調(diào)。

2 有粘結(jié)、無粘結(jié)承載力差異性對比分析

2.1 實驗概況

采用對比實驗的方法，對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的混凝土簡支梁的抗彎承載力進(jìn)行對比實驗研究，實驗混凝土梁詳細(xì)參數(shù)如下：

實驗梁為單筋矩形截面梁，截面為150 mm×350 mm；實驗梁凈跨 l0=3 000 mm；總長 l=3 200 mm；選擇配筋 2φ14，y=310 N/mm2，配筋率為0.586%，混凝土標(biāo)號為C30；為確保抗彎破壞，箍筋配置為φ8＠50，實驗梁實際抗剪承載力為285 kN。為研究采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的效果，本文采用對比試驗方法，準(zhǔn)備了兩組不同情況，每組2根混凝土梁試件：梁底碳纖維板張拉40 kN力后與混凝土梁粘貼，試驗梁編號LN40-1、LN40-2；梁底碳纖維板張拉20kN力后與混凝土梁粘貼，試驗梁編號LN20-1、LN20-2。

2.2 試件加載方式及程序

試驗采用分配梁兩點加載，見圖1。試驗加載實景見圖2。試驗采用分級加載程序進(jìn)行，在每級荷載作用下持荷10 min，持荷結(jié)束后，讀百分表測構(gòu)件撓度、記錄該荷載情況下混凝土、鋼筋及碳纖維板的應(yīng)變，觀察記錄混凝土梁的裂縫發(fā)展變化情況。為檢驗各梁的極限承載力情況，所有試驗均做到破壞為止，具體加載程序如下：一級：6 kN；二級：12 kN，增量 6 kN；三級：18 kN，增量 6 kN；四級：28 kN，增量10 kN，以下每級荷載P增量取10 kN，直到破壞為止。

2.3 結(jié)果對比分析

圖1 試驗加載示意圖（單位：mm）

圖2 試驗加載實景

有粘結(jié)、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固RC梁極限承載能力對比見表1。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，試驗值介于有粘結(jié)、無粘結(jié)理論計算值之間，證明試驗構(gòu)件處于半粘結(jié)狀態(tài)。從有粘結(jié)、無粘結(jié)承載力差異性對比分析中得出預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固混凝土梁在有錨固的作用下無粘結(jié)對其承載能力的影響不大；無粘結(jié)梁的抗彎極限強(qiáng)度比相應(yīng)的粘結(jié)梁要低10%左右。

表1 有粘結(jié)、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固RC梁極限承載能力對比

3 半粘結(jié)碳纖維板材加固混凝土梁橋工程實例

某大橋全橋共24孔，跨徑組成為：19.3 m+10×20 m+19.66 m+2×50 m+9×20 m+19.3 m，全長538.26m，上部結(jié)構(gòu)為簡支、橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)。橋面總寬32 m，具體布置形式為4 m（人行道）+0.5 m（護(hù)欄）+11.25 m（行車道）+0.375 m（防撞護(hù)欄）+0.375 m（防撞護(hù)欄）+11.25m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）+4 m（人行道）；上部構(gòu)造為50 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁及20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、薄壁臺，樁基礎(chǔ)。該橋原設(shè)計荷載為汽車-20級，掛-100，于1995年竣工，2003年6月由某公司進(jìn)行加固設(shè)計。

該橋通車運(yùn)營后，考慮到該橋交通流量大、原有設(shè)計荷載等級偏低，有關(guān)單位在根據(jù)結(jié)構(gòu)極限承載能力驗算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對該橋進(jìn)行了加固維修，將其設(shè)計荷載等級由汽車-20級、掛車-100提高到汽車-超20、掛車-120，加固主要圍繞以下幾個方面進(jìn)行：

提高引橋空心板的極限承載能力。對靠近中央分隔帶的2、3、4號板跨中板底0.65倍跨徑范圍內(nèi)粘貼碳纖維板提高板的承載能力及抗裂性；在部分引橋墩柱外側(cè)沿柱周粘貼一層碳纖維布。

加固改造施工于2004年初完成，一定程度提高了該橋部分橋跨的極限承載能力，解決了諸如安全儲備不足等問題，但該橋為貨運(yùn)的要道，超重貨車很多，使該橋一些病害有所發(fā)展，影響到正常運(yùn)營，安全隱患并未消除。2006年4月，對其承載能力進(jìn)行了評價，該橋承載能力滿足設(shè)計荷載等級的要求（如表2，圖3～圖7所示），可以繼續(xù)使用。

經(jīng)現(xiàn)場查看，梁底粘貼的碳纖維局部起鼓，用硬物劃過，局部剝落，說明梁底某些位置處于半粘結(jié)狀態(tài)。原因主要有：（1）結(jié)構(gòu)膠的老化或劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與加固材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的下降，使粘貼加固補(bǔ)強(qiáng)衰減；（2）施工工藝、施工質(zhì)量，經(jīng)現(xiàn)場查看，局部梁底混凝土碳化，加固處理時沒有完全清除梁底碳化混凝土，即進(jìn)行了粘貼，導(dǎo)致出現(xiàn)半粘結(jié)狀態(tài)。梁底碳纖維并未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。

表2 正常使用極限狀態(tài)下引橋20m空心板梁試驗荷載、理論計算內(nèi)力匯總及彎矩加載效率表

圖3 12～13孔加固實景照片

圖4 變形測點布置示意圖(單位：m)

圖5 縱向測點在各試驗工況作用下的實測撓度曲線

圖6 跨中截面應(yīng)變測點布置圖

圖7 試驗荷載下的各應(yīng)變測點的實測值分布曲線（單位：με）

根據(jù)本工程實例及上述試驗結(jié)果，在加固梁體碳纖維未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象的情況下，碳纖維板材加固混凝土梁橋，由于結(jié)構(gòu)膠的耐久性、施工工藝及施工質(zhì)量等原因造成的半粘結(jié)狀態(tài)，對其正常使用極限狀態(tài)下承載力影響不大；對于橫向聯(lián)系較強(qiáng)的梁橋，建議沿著順橋方向在端部設(shè)置碳纖維錨固可取得更好的效果；對于橫向聯(lián)系較弱的梁橋，建議沿著順橋方向在橫隔梁（四分點和跨中）處設(shè)置碳纖維錨固段，這樣即可以增加梁橋的橫向聯(lián)系又可以減小半粘結(jié)現(xiàn)象對承載力的影響，見圖8。

圖8 橫向聯(lián)系較弱的梁橋加固平面圖（N2起錨固作用）

4 結(jié)論

（1）從本文有粘結(jié)、無粘結(jié)承載力差異性對比分析中得出預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固混凝土梁在有錨固的作用下無粘結(jié)對其承載能力的影響不大。

（2）無粘結(jié)梁的抗彎極限強(qiáng)度比相應(yīng)的粘結(jié)梁要低10%左右。

（3）碳纖維板材加固混凝土梁橋，在加固梁體碳纖維未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象的情況下，由于結(jié)構(gòu)膠的耐久性、施工工藝及施工質(zhì)量等原因造成的半粘結(jié)狀態(tài)，對其正常使用極限狀態(tài)下的承載力影響不大。

（4）對于橫向聯(lián)系較弱的梁橋，建議沿著順橋方向在橫隔梁處（四分點和跨中）設(shè)置碳纖維錨固段，這樣即可以增加梁橋的橫向聯(lián)系又可以減小半粘結(jié)現(xiàn)象對承載力的影響。

（5）對于橫向聯(lián)系較強(qiáng)梁橋，建議沿著順橋方向在端部設(shè)置碳纖維錨固段，可以取得更好的效果。

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