碳纖維在橋梁加固中的應(yīng)用

謝 姣 薛曉杰

(長安大學(xué)，陜西 西安 710064)

1 碳纖維加固技術(shù)

碳纖維材料在橋梁加固中的主要應(yīng)用是粘貼碳纖維片加固，這是近年來新興的技術(shù)，其使用方法主要是利用樹脂類材料把碳纖維布材或板材粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體(CFRP)，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。

在進(jìn)行舊橋加固時(shí)，應(yīng)用碳纖維片加固時(shí)，可以直接用環(huán)氧粘和劑將碳纖維片固定于加固部位，不必像粘貼鋼板法那樣再用螺栓固定，這樣不僅施工較為方便，而且不會對橋梁結(jié)構(gòu)帶來新的損傷，減小了由于加固帶來的安全隱患。并且相比較鋼板，碳纖維片的重量輕，其密度只有鋼板的1/4，大大減輕了結(jié)構(gòu)的自重，并且由于碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度較高，能夠大大提高結(jié)構(gòu)的承載力。另外，由于碳纖維片是一種柔性材料，因此其與混凝土的粘貼效果要比鋼板好的多，并且因?yàn)槠淇辜裟芰^弱，因此其裁剪比較方便，相對于鋼板材料的切割施工而言，利用碳纖維片進(jìn)行加固，能夠大大降低施工難度。碳纖維材料本身具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，因此可以在環(huán)境惡劣的地方進(jìn)行廣泛應(yīng)用，并且其維護(hù)起來比較方便，降低了維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，因?yàn)樘祭w維片厚度較薄，在粘貼之后對結(jié)構(gòu)的原有尺寸進(jìn)本沒什么改變，這樣對于美觀要求較高的城市橋梁是很有利的。

2 工程實(shí)例

河北省某橋始建于1960年，全長166.5m，是一座鋼筋混凝土簡支T梁橋，經(jīng)過40余年的運(yùn)營，其舊橋主梁混凝土剝落，露筋、銹蝕比較嚴(yán)重，尤其是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車流量日益增加、車荷載較大，舊橋的承載能力已經(jīng)很難滿足此時(shí)荷載的要求。依據(jù)計(jì)算的承載力結(jié)果和荷載檢測結(jié)果顯示，交通主管部門決定對舊橋進(jìn)行加固，條件是按照汽一20、掛一100的嚴(yán)格要求，對舊橋進(jìn)行加固維修，用以確保橋的正常使用。在進(jìn)行設(shè)計(jì)加固時(shí)，主要考慮到舊引橋的抗彎強(qiáng)度不滿足要求，另外，考慮到施工的便利性以及舊橋能夠盡快投入使用，因此決定對舊引橋部分采用碳纖維粘貼技術(shù)的方式對其進(jìn)行加固防護(hù)。根據(jù)舊橋正截面的承載力試驗(yàn)檢測結(jié)果說明，舊橋主梁在跨中至兩側(cè)各7.8m(跨中區(qū)域16.7m范圍)存在著抗彎不足的問題，最大不足在1/4處，差230kN·m，跨中不足亦在220kN·m左右，因此必須應(yīng)考慮在跨中部位加固來提高抗彎強(qiáng)度。經(jīng)過加固計(jì)算，最后確定在跨中15.2m的范圍內(nèi)沿梁肋粘貼四層TXD-300碳纖維布(單層計(jì)算厚度0.167mm，抗拉強(qiáng)度3400N/mmz，彈性模量2.3×105N/mm2，極限應(yīng)變0.015，寬度15cm，計(jì)算面積1.002cm2。根據(jù)構(gòu)造要求，底部兩層延伸至支座處，并在各截?cái)帱c(diǎn)加U形箍予以錨固。同時(shí)，為檢驗(yàn)加固效果，進(jìn)行加固前后的對比性荷載試驗(yàn)，同時(shí)為新型加固材料的推廣應(yīng)用提供可靠的工程依據(jù)。

在進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)，選用三軸載重汽車進(jìn)行橫向布載，縱向雙車并進(jìn)。因?yàn)槭沁M(jìn)行對比試驗(yàn)，所以在實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制各個(gè)參數(shù)的變化。本次試驗(yàn)各測點(diǎn)具體設(shè)置如下：(1)豎向撓度測點(diǎn)布置在各梁的跨中。(2)在4、5號梁裂縫觀測，集中在跨中區(qū)域，共選取了3條裂縫。

加固前后各梁跨中撓度實(shí)測值如表1，由表可見，對于初始幾級的荷載增加過程中，應(yīng)為車輛的荷載與橋梁的跨中距離想差較遠(yuǎn)，另外，由于主梁所受承載能力較小，在受拉區(qū)域的變形不大，最終導(dǎo)致粘貼的碳纖維布不能充分發(fā)揮相應(yīng)的效果，因此在初始階段加固前后的撓度值差別不大，加固后僅是略有減小。然而隨著加載等級的不斷提高，加載車輛逐漸靠近跨中，主梁受力逐漸增大，跨中截面受拉應(yīng)變不斷增大，并且粘貼的碳纖維布逐漸參與受力，抑制了原有裂縫的開裂和新裂縫的產(chǎn)生，與加固前相比，主梁剛度明顯增大，跨中平均最大撓度由加固前的9.98mm變?yōu)榧庸毯?.59mm，降低了近13.9%，這充分說明粘貼碳纖維布可顯著提高主梁剛度，減少正常使用情況下的跨中變形。

表1 各級荷載作用下跨中撓度值

從觀測結(jié)果看，加固前，在整個(gè)加載過程中，主梁表面未出現(xiàn)新的可視裂縫，原有的裂縫長度無明顯擴(kuò)展，在最大荷載作用下裂縫最大寬度分別為0.02mm，0.06mm，0.14mm。而加固后，在試驗(yàn)荷載作用下原裂縫未見明顯變化，弓式應(yīng)變計(jì)檢測結(jié)果也證實(shí)了裂縫區(qū)應(yīng)變水平的降低，由此可以看出，粘貼碳纖維布對原結(jié)構(gòu)的彎曲裂縫有較好的抑制作用。

3 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)可以看出，碳纖維片應(yīng)用于橋梁加固有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，能夠較大的提高舊橋的承載力，抑制裂縫的產(chǎn)生。碳纖維材料的加固能力優(yōu)點(diǎn)很明顯，是一種理想的加固材料，其前景非常廣闊。