碳纖維布在橋梁加固維修中的應用

◎ 王富偉 中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司

碳纖維布在橋梁加固維修中的應用

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在橋梁加固維修中，碳纖維布是一種新型的加固材料，具有施工簡單、加固效果好、施工對橋梁的正常通行影響較小等優點，可以使公路使用壽命延長。基于此，本文對碳纖維布在橋梁加固維修中的應用進行探討。

碳纖維布 橋梁加固 維修

當前，橋梁老化、橋梁裂縫、橋梁破損等病害問題普遍存在。雖然這些橋梁都出現了病害，但是還具有使用價值，如果重新建設，需要花費大量的資金，造成資金浪費。為了保證橋梁的荷載等級和承載力，需要對橋梁進行加固。碳纖維布作為一種新型的加固方法在控制裂縫發展、提升橋梁的抗剪能力方面具有良好效果。

1.案例介紹

某橋梁于90年代建立，設計一級公路標準。公路橋梁由雙向車道構成，最后形成兩個半幅橋，在橋的中間設有分車道，橋的寬度和長度分別23.8m，91m，橋梁上部結構采用空心板梁，下部結構使用雙柱式鉆孔灌注樁墩臺，樁徑除了兩個橋臺為φ1.3m，其他墩的直徑為φ1.2m。

2.造成的危害

比較容易導致主梁出現裂紋，受彎距作用的影響，腹板跨中范圍內易于出現豎向的裂紋；受剪力作用的影響，腹板支座范圍內易于出現斜向的裂紋；梁端支座處的混凝土強度較低、受支座處沖擊力等影響，有的梁支點到端頭的范圍內腹板出現斜向裂紋，還有幾個橋墩的梁腹板出現裂紋。對梁結構理論進行了充分的論證、認真核查橋梁技術以及荷載試驗，維修梁腹板出現的裂紋可以采取以下幾種辦法：①采取維修加固補強技術來提升橋梁的承載能力，使其符合橋梁的使用標準；②將橋梁的現有危害處理好，使橋梁的耐久性得到提高；③對橋梁進行改造，使其改造后可以達到一、二類梁的標準。

3.碳纖維布加固的特征及原理

3.1加固的特征

（1）碳纖維布是一種布狀材料，它具有較高的彈性和強度，是碳纖維按照單一的方向連續編制而成的。在使用的時候需要用專用結構膠或者是環氧樹脂進行粘結，將其粘在需要加固的混凝土構件上，當樹脂固態化以后就會構成新的受力體，原構件和高性能的碳纖維一起來承擔荷載，從而實現加固的要求。

（2）碳纖維的自身重量比較輕，它的重量是鋼筋的五分之一，使用碳纖維不會加重結構的重量。碳纖維的抗拉強度較高，可以達到普通鋼板的十倍以上。碳纖維具有較強的彈性，它可以使鋼筋混凝土中鋼筋應力得到較好的降低。

（3）碳纖維具有較好的化學性能，它的化學結構非常穩定，遇到酸堿等化學介質不會出現腐蝕的情況，具有較好的耐熱、耐寒性能，在鹽堿環境中和露天施工場地比較適合使用。

（4）碳纖維質地柔軟，可以在任何情況下使用，施工和運輸都比較便利，不需要使用專業的設備和大型機械來運輸，這樣可以使施工費用得到有效的控制，使工程的施工期得到有效縮短。

3.2加固的原理

碳纖維的排列方向不同其拉伸強度就會不一樣，當碳纖維拉伸的方向與受力方向是一樣的時候，拉伸強度就會較高，相反，拉伸強度就會降低。通常情況下，構件受到彎距影響，構件的受壓區域就會產生裂紋，將碳纖維布粘貼到受拉區表面，構件受到荷載的壓力作用以后，裂紋無法實現進一步的延伸。所以，跨中出現的細小裂紋被均勻地分布在構件的受拉區域，導致構件截面的受壓區域高度增加，受碳纖維的作用，受彎構件的承載能力也會得到有效的提升。

4．施工流程以及施工技術

使用專業的碳纖維布和粘貼樹脂，依據設計的要求粘貼于混凝土的表面，實現結構物增強補強效果的作用，材料及性能的詳細信息詳見下表1所示。

表1 材料和性能

4.1施工程序

施工準備階段→處理混凝土表面→粉刷底層樹脂→找平處理→粘貼樹脂或者是浸泡樹脂→碳纖維布粘貼→處理表面。

4.2施工技術

（1）被加固的混凝土表面需要進行打磨處理，將表面的風化層處理干凈，使其裸漏出新茬，將表面灰塵清理干凈，依據設計要求對裂紋實施灌縫處理，表面使用修復材料將其修理平整，接著粉刷底層樹脂。表層粉刷的樹脂按照設計的要求配置并攪拌均勻，粉刷墻面的時候使用短毛滾刷施工，確保粉刷均勻。底層樹脂干燥以后，按照設計要求來配置找平樹脂，將基層找平，確保沒有凸凹之處。

（2）浸漬樹脂的粉刷。當找平樹脂基本凝固以后，按照設計的要求來配置浸漬樹脂，浸漬樹脂攪拌均勻以后，在粘貼處均勻的粉刷，厚度保持在5mm左右，一定要確保厚度均勻，一定要完全粉刷不可以有遺漏的地方。

（3）碳纖維布的粘貼。碳纖維布按照一定的方向展開并拉緊，將其平鋪在浸漬樹脂的表面，輕輕地按壓，使用專業的工具按照一定的方向來反復滾壓碳纖維布，確保里面沒有空氣存在，使浸漬樹脂和碳纖維布緊密地粘貼在一起，碳纖維布一定要鋪平不可以有氣泡存在。

（4）如果需要多層粘貼可以重復以上操作流程，碳纖維布表層的浸漬樹脂凝固以后立即進行下一層的施工。當最后一層碳纖維布粘貼好以后，應該進行最后一次的壓實，再將浸漬樹脂均勻地涂抹在表面。加固層要想完全固化需要一周的時間，當加固層完成固化以后可以按照設計的要求來進行表層裝飾。施工的時候，外部環境要保持在5℃以上，配套樹脂的施工溫度一定要控制好，環境溫度和基材表面的溫度要相差不太，濕度要控制在85%以內。

4.3工程總結

碳纖維布的施工特點為具有較強的耐久性、強度以及彈性。碳纖維布的抗拉強度要比鋼材的抗拉強度高出十倍左右，使用環氧樹脂將其與鋼筋混凝土粘貼在一起，使構件和碳纖維布形成一個有機體，使補強效果得到明顯的提升[3]。碳纖維布的重量比較輕，施工的時候不需要使用大型機械設備輔助施工，碳纖維布自身較薄，所占空間較小。由于該工程加固的空間比較緊，使用碳纖維布可以較好地體現出施工效果，同時還具有較強的耐久性。加固的時候，使用的是配套樹脂和碳纖維，因此不會發生生銹的情況，同時具有較強的抗腐蝕性，當遇到酸、堿等物質的時候也不會被腐蝕。碳纖維布具有較強的耐熱性和抗化學性，因此外觀比較美觀，能夠保持結構的原來形狀。碳纖維布在施工的時候，可以隨著構件的形狀進行剪裁，修復和補強不會使構件受到任何的影響，表面可以自由地粉刷、裝飾，且施工比較方便。碳纖維布施工不需要大型機械設備和大量人力，使用碳纖維布來加固橋梁的主梁可以節省大量的投入資金，可以有效縮短施工周期，施工中不斷交的要求也可以輕松實現，使工程的經濟效益得到明顯的提升。為了確保新技術的普及，相關單位一定要及時地制定完善的設計、施工以及竣工驗收方案，從而確保新技術可以迅速投入使用。

5.結論

舊橋加固使用碳纖維布粘貼技術已經得到了國際的普遍認可，該技術已經被廣泛使用，得到了有關部門的足夠重視。經過大量的實踐表明，碳纖維布加固技術是我國未來舊橋加固使用的主要技術，該技術具有很多的優點，比如自重較輕、施工周期短以及施工比較方便等。該項目施工受到很多因素的制約，維修后的質量需要經過一段時間的觀測才能知道效果如何，經過認真的分析整理相關的信息，可以更加準確地評價舊橋碳纖維布加固的效果，認真總結施工經驗，為今后該項技術的普及和推廣打下堅實的基礎。

[1]葉列平,崔衛,邱清瑞等.碳纖維布加固混凝土構件正截面受彎承載力分析[J].建筑結構,2001(03):3-5+12.

[2]李忠獻,張媛,景萌.碳纖維布加固復合受力鋼筋混凝土箱梁抗扭性能的非線性有限元分析[J].工程力學,2006(A01):122-127.

[3]李素蘭.預應力CFRP加固橋梁抗彎性能的理論分析與數值模擬[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[4]王榮霞,邢妍,白彥剛.混凝土加大橋梁截面法和碳纖維加固橋梁的研究[J].河北工業大學學報,2004(03):59-63.