碳纖維布在舊橋加固工程中的應用

羅 鵬，何錦儀

（佛山市盛建公路工程監理有限公司，廣東 佛山 528000）

1 概述

若簡單地回顧一下人類開發利用建筑材料的歷史，就可以發現，首先是利用最貼近人們的土木材料，隨著人類文明的進步，逐漸發展到利用木、石材料、混凝土材料或鋼材。可以想象，建筑材料由傳統的材料發展現代的鋼筋混凝土材料，其中蘊含了歷史的演變和科學技術的革命。正是由于土木建筑工程的需要和科學技術的發展，促使建筑材料不斷更新。新材料、新技術的出現，為土木建筑工程的發展提供了更加廣闊的空間。現代復合材料（FRP）以其出色的機理性能、優良的耐腐蝕性能和良好的公益性能擴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，復合材料是人類與大自然斗爭產生的智慧的成果。

將復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。目前已開發成熟并在土木工程中利用的主要是前三種。通常可按圖2對復合材料進行分類。

表1所示為纖維增強復合材料與鋼筋及預應力鋼絞線的基本力學性能比較，其荷載～應變關系見圖3。由此可知，纖維增強行使材料的應力～應變關系無明顯的屈服點，直至極限度為一條直線，屬脆性破壞。

在上述幾種纖維增強復合材料中，碳纖維材料的技術發展迅速。品種多、用途廣、用量大。并且在橋梁工程界得到普遍關注，特別是在橋梁加固工程中得到廣泛應用。這是因為它具有眾所周知、無可比擬的優點：高強度、高彈模、耐腐蝕、耐疲勞和易加工性。

表1 連續纖維增強復合材料與鋼材的力學性能比較

采用（粘貼）CFRP進行加固是一種新型的加固方法。國外始于10年前，在國際上深受重視并已獲得了較多和應用和發展。其優越性已在對美國洛杉磯和日本阪神地震中被損壞建筑的修復中得到驗證。國內則是最近幾年的事。雖然起步晚，但發展的勢頭很快，首先主要應用于房屋建筑工程，現在已發展到公路、鐵路橋梁領域。

2 混凝土試驗梁加固試驗

為了檢驗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進行加固效果試驗。試驗梁按極限狀態法設計，為鋼筋混凝土矩形小梁。梁全長2.4m，跨度為2.0m,梁高為0.35m，梁寬為0.2m。這批試驗小梁中，一部分粘貼了碳纖維布，另一部分則未粘貼，以進行對比。

對試驗梁按相同的荷載加載，進行了抗彎能力試驗，觀測了梁體在試驗荷載作用下的撓寬，應力以及承載能力。試驗結果表明：粘貼碳纖維布以后，其抗彎能力提高了近1倍；當加載到裂縫寬度為0.2mm時，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 工程應用

我國在上世紀九十年代初開始全面鋪開公路基礎設施的建設，由于我國的經濟持續快速發展，交通量與日俱增及車輛的嚴重超載等因素，這一時期修建的公路橋梁已經難以負荷現在的交通量和實際的荷載，有一部分橋梁已經開始出現裂縫、滲水等現象，而且最近幾年一直呈逐漸增加的趨勢。下面簡要介紹最近所進行的兩個典型項目。

3.1 廣州廣北跨線橋的加固工程

（1）橋梁概況

該橋為橫跨京廣鐵路大動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應力混凝土連續箱梁。此橋采用懸臂梁加掛孔梁先簡支后連續的方法施工，矩形空心墩。設計荷載為汽車-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多條裂縫，經檢測、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外側粘貼450 g/m2碳纖維布2層，以補充抗剪鋼筋的不足。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。對于抗剪碳纖維布還采用了鋼條進行錨固，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年累月受到潮濕空氣的侵蝕，對橋梁結構的承載能力、耐久性均有不利影響，所以必須對裂縫進行全面徹底的修補，對結構進行加固。為了便于修補加固，對裂縫進行了分類：第一類是受力裂縫，這類裂縫較嚴重；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。

對于第一類裂縫，通過進行結構驗算，采取先壓力灌縫再粘貼碳纖維布的方法，以提高結構的承載能力及結構耐久性；對第二類裂縫，采取壓力灌漿補強的方法；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，FTS-C1-20型碳纖維布 200 m2，配套樹脂采用新日鐵生產的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

自從2002年10月全橋加固完成后，對該橋進行了靜動載試驗，驗證了加固效果。試驗結果表明：在試驗荷載使用下，梁體的控制斷面的應變、變位校驗系數均滿足相關規范的要求，殘余變形很小，其動力特性值與同類橋梁結構物比在常值范圍，橋跨結構滿足設計荷載的荷載等級要求。加固工程完成后，至今已運行近3年多，運行情況正常。

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，跨徑分別為30 m+37m+30 m、3×27 m、3×27 m，上部結構為預應力混凝土連續曲線梁，梁高1.65m，斷面為單箱雙室箱形。泥崗立交是按汽車－超20級及掛車－120荷載標準設計的。4號橋預應力配筋束在原設計標準下的應力狀態基本滿足規范要求。

（2）裂縫情況

由于深圳市交通量增長很快，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，超載情況嚴重，長期在超負荷狀況下工作，部分主梁過早出現裂縫。經現場檢測鑒定，四號橋第二聯至第三聯裂縫均小于0.15 mm，且數量不多。第一聯普遍存在裂縫，部分底板已裂通，裂縫數量較多，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，經復合驗算，決定對四號橋采用粘貼碳纖維進行加固補強處理。

（3）裂縫處理方法

裂縫封補膠采用鐵道部科學研究院鐵道建筑研究所研制的裂縫封補膠，該系列產品于1994年通過技術鑒定。1992年以來對上千孔各類鐵路及公路混凝土橋梁進行了修補，效果非常好，很多已經過近10年的現場考驗，證明其耐久性也很好。該系列產品有以下幾種：

a.ZV型混凝土修補膠（用于寬度小于0.15mm的裂縫表面封閉）

ZV型修補膠是以高分子共聚物為基本原料，摻加適量改性劑、有機助劑配制成的水乳狀產品，無毒、不燃、無腐蝕性，pH值為6～6.5，粘度200～500 cP。ZV型修補膠對混凝土有很強的粘結強度，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，其粘結強度見表2。

表2 ZV型修補膠粘結強度

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，硬化后抗壓強度40～60MPa，與混凝土的抗拉粘結強度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注漿嘴和封閉裂縫，其固化時間約為3 h，與混凝土粘結強度大于3 MPa，使用時重量配比如下：

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，注漿補縫：清除裂縫附近塵土、油污，測量裂縫寬度；確定注漿嘴位置，并預先貼上膠布；配制封縫用漿，封閉裂縫；揭去設嘴處膠布，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刷一次封縫用漿；配制注縫用漿；用補縫器注漿；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；孔洞和裂縫處預先補平；用水濕潤混凝土表面；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。

對橋梁裂縫進行處理的基本原則是：寬度不小于0.15mm的裂縫，采用注漿補縫辦法；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構層，若有裂縫先行修補，然后使用修補材料將表面修復平整，粘貼部位的混凝土要除去浮漿層及油污雜質，并打磨平整，直至露出集料新面，且表面平整度應達到5mm/m，使用鋼尺和三角板進行量測。構件轉角要打磨成圓角，半徑不小于20mm。打磨后徹底清除粉塵。

本工程第一聯為曲線梁，采用分段搭接粘貼，碳纖維呈折線型式順應梁體的外形。本工程第二、三聯為直線梁，采用整跨整布粘貼技術，即將碳纖維片預先裁剪，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量的前提下可提高功效。貼碳纖維布的關鍵工序見圖6。

深圳地區屬于亞熱帶暖濕性氣候，碳纖維加固施工對溫濕度要求極為嚴格，施工前應對粘貼部位混凝土表層含水率及所處環境溫度進行測量，如混凝土表層含水率大于4%時使用強力吹風機進行除濕直至符合要求方可施工；如環境溫度小于5℃或空氣濕度大于85%時，停止施工。

（5）加固處理效果

為了檢驗加固效果及經過加固處治后能否滿足設計要求和運營要求，對該橋進行了靜動載試驗及碳纖維拉拔試驗，試驗結果表明：經過加固后，梁體受力情況良好，碳纖維粘貼非常牢固。

4 體會

（1）碳纖維材料，從其力學性能上看，應力～應變關系曲線中無明顯的屈服點或無塑性變形，是一種脆性材料。設計時應充分注意這一特性。采用碳纖維材料加固的混凝土結構按極限狀態設計時，其破壞狀態有兩種可能，一種是碳纖維材料產生極限變形，另一種是受壓區混凝土達到極限變形。因此，在計算設計斷面的極限承載能力(極限彎矩)時，若混凝土發生彎曲受壓破壞，假定結構仍保持平截面假定，求得碳纖維材料發生極限變形時的應變分布，據此推算極限承載力。此時，若碳纖維材料按多層配置時，可以從最外層的碳纖維開始，按逐層達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，達到有效的提高結構承載力的目的，在粘貼碳纖維布時必須注意保證粘貼質量。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后再恢復交通。

b.當底漆固化后用膩子找平混凝土結構表面時，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，將會造成碳纖維布受力不昀，嚴重時可能造成應力集中，因此，應予以高度重視，認真做好找平這道工序。

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