公路危舊橋梁碳纖維加固技術應用研究

張天榮

（甘肅省蘭州公路管理局，甘肅　蘭州　730030）

公路危舊橋梁碳纖維加固技術應用研究

張天榮

（甘肅省蘭州公路管理局，甘肅蘭州730030）

隨著公路交通量的快速增長，公路路網中橋梁承受的荷載不斷增加，早期設計建造的橋梁承載能力明顯不足。為解決公路危舊橋梁承載力不足的問題，延長橋梁使用壽命，本論述通過分析碳纖維加固技術的原理及施工方法、技術特點，依據某危舊橋梁碳纖維加固實例，研究了公路橋梁結構碳纖維加固技術的應用效果及存在的問題，為后續公路危舊橋梁加固技術研究提供了科學參考依據。

橋梁加固；碳纖維；承載能力

0　引言

橋梁是公路網絡中重要的結構，隨著我國經濟社會的快速發展，公路交通量大幅度增長，橋梁結構承受的荷載及沖擊力遠遠超過設計初期的要求，長時間承受超限荷載且運營期間養護不到位，加之橋梁結構老化、設計初期考慮不足、水文地質變化導致早期修建的公路橋梁強度、穩定性等方面逐漸不能適應目前車流量大、重載車輛多的現狀，承載力也不能滿足要求。橋梁結構病害逐漸增多，必須及時進行處理，否則會影響行車舒適性，嚴重時會產生橋梁坍塌等安全事故，進而危及行車安全。

公路養護管理部門在用傳統的方法進行維修加固時須進行交通管制、封閉交通，為改善公路危舊橋梁的結構性能，提高其承載能力，延長使用期限，防止安全事故的發生，必須對危舊橋梁結構進行必要的加固。然而對于正常使用中的普通國省干線及高速公路，采用普通的加固方法如體外預應力加固、改變結構體系加固、噴射混凝土加固等方法的施工周期、后期養護時間較長，施工流程繁瑣，成本昂貴。因此，尋求施工方便、性能可靠的加固技術有助于延長橋梁壽命、提高橋梁承載能力，同時能極大地減少橋梁維修加固施工階段對交通的影響。

1　研究背景

碳纖維是一種最初運用于航空航天工程的新型材料，在二十世紀八十年代末期開始運用于橋梁、隧道結構的加固中，是一種力學性能優異的加固材料。碳纖維具有強度高、施工方便、自重輕、耐腐蝕等特點，且其熱膨脹系數與混凝土、鋼材相比要小的多。相關研究發現，溫度上升15℃時，盡管其產生的拉應力為32.25 MPa，但變形量較小［1］。在公路橋梁維修加固過程中，尤其是主梁高度受限制的普通梁式橋采用碳纖維加固技術進行加固，在提高橋梁承載能力的同時施工工藝、施工流程簡單，化學穩定性好，耐腐蝕且不增加橋梁恒載及結構斷面尺寸，是一種較為經濟、合理、快速的加固方式。目前，國內已大規模采用碳纖維布加固各類橋梁結構，經后續觀測證明加固效果良好，發展前景廣闊。

2　工作原理

由于碳纖維的材料特性，在橋梁結構產生變形時，其不會立即參與工作，當加固部分出現臨界裂縫及裂縫有繼續增大的趨勢時才會逐漸產生作用。在采用碳纖維加固橋梁結構的過程中，首先將碳纖維束以單向成束的方式進行排列，見圖1所示，然后用環氧樹脂膠浸漬，將其制成碳纖維布，然后清理需加固結構的受拉表面，用專用環氧樹脂膠粘貼，待環氧樹脂膠凝固后與原結構形成牢固的整體，與鋼筋共同受力，在部分程度上減少了鋼筋所受的拉應力，抑止裂縫發展，提高了橋梁結構的承載能力。

圖1　碳纖維片的組成示意圖

3　施工流程及注意事項

碳纖維布加固主梁時，首先要徹底清理混凝土表面的雜質，填補蜂窩麻面，涂刷底層環氧樹脂膠，然后再用環氧樹脂膩子找平，再刷一層環氧樹脂粘接膠，粘貼碳纖維布，完成后進行養生和涂刷防腐涂料［2］。

在碳纖維布粘貼加固施工過程中，要處理好混凝土表面，對破損部位、漏筋部位及較大的裂縫采用環氧樹脂砂漿封堵修補，完成后用鋼絲刷清理混凝土表面的油污、灰塵等雜物，避免粘貼碳纖維布后形成空鼓、掉落等問題。配置環氧樹脂粘結膠的過程中，通常底層環氧樹脂膠使用固化劑∶環氧樹脂=18∶100的比例配置，這樣可保證其粘度較低且能滲透到混凝土內部，而粘接碳纖維布的環氧樹脂膠配置比例為42∶100［3］。刷涂環氧樹脂膠時應順著同一方向均勻涂抹且要等至膠體表面干燥后再進行后續施工；粘貼碳纖維布的過程中要均勻粘貼并用香蕉滾筒沿同一方向均勻擠壓以消除氣泡，并充分浸透碳纖維布，保證粘貼效果。在后期養護過程中，須保證碳纖維布不能承受任何碰撞，等環氧樹脂膠固化后噴涂水泥砂漿。施工完成后符合質量要求的碳纖維布無空鼓、掉落等情況產生［4］。

4　橋梁碳纖維加固實例

某公路橋梁為3×15 m簡支I行梁橋，橋梁總長52 m，建成于上世紀七十年代。經日常巡查發現，橋梁兩側邊梁底部有網狀微裂縫，主梁側面局部位置有漏筋，梁底有滲水現象。因此采用碳纖維布進行維修加固，碳纖維材料及膠粘劑主要性能見表1所示。

表1　碳纖維材料主要性能

本次危橋加固選用的膠粘劑性能指標見表2所示。

表2　膠粘劑主要力學性能

首先對主梁表面處理，進行基底處理后涂刷底層涂料，不平整的地方刮膩子整平，然后刷涂一層浸漬樹脂膠后粘貼碳纖維布，完成后再涂刷一層浸漬樹脂膠，結束后進行養護，刷涂防護涂裝。本次加固主要對主梁跨中梁底分別采用粘貼30 cm寬的碳纖維布進行加固，施工過程中在每片梁上各設三道15 cm寬的U型箍以固定碳纖維布。

加固完成后，為檢驗橋梁加固前后強度、剛度等力學性能的變化，進行了橋梁靜載試驗，進行加固前后的力學性能對比分析，結果見表3所示。

表3　主梁跨中撓度變化

對比分析加固前后的跨中撓度數據變化發現，各主梁橋梁加固后主梁跨中撓度與加固前相比均減小，說明在同樣的荷載工況下，粘貼碳纖維布使其梁體整體剛度變大，因而主梁跨中撓度減小。

表4　加固前后力學性能變化

同樣對比分析加固前后的梁底鋼筋應力變化值發現，加固后梁底應力均比加固前小，見表4所示。

通過對比橋梁粘貼碳纖維布加固前后的靜載試驗結果發現，各主梁橋梁加固后主梁跨中撓度及梁底鋼筋應力與加固前相比均減小，具體見圖2、圖3所示，說明在同樣的荷載工況下，粘貼碳纖維布使其梁體整體剛度變大，因而主梁跨中撓度減小，橋梁的承載能力也得到顯著提升。

圖2　加固前后主梁跨中撓度變化圖

圖3　加固前后主梁跨中鋼筋應力變化圖

5　結束語

與其他橋梁加固方式比如增大截面法、體外預應力加固等方法相比，粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土橋梁的方法具有施工工藝簡單、不影響行車、施工工期短、見效快、加固效果好、不增加橋梁結構恒載等優勢，是一種新型橋梁加固技術。隨著我國經濟社會的快速發展，交通量急劇增加，公路橋梁承載能力面臨著越來越大的考驗，通過碳纖維加固公路鋼筋混凝土橋梁的技術將提升橋梁結構的承載能力，延長橋梁使用壽命，提升公路路網通行質量。在橋梁產生輕微的病害時也能及時修復，經濟社會效益明顯［5］。同時采用粘貼碳纖維布加固橋梁可在不增大梁截面、不降低梁底標高的情況下提升橋梁承載能力，全橋梁體線形美觀，基本保持不變。

碳纖維加固技術也有其相應的局限性，尤其是施工過程中碳纖維布的接頭處理及后續碳纖維布的老化、疲勞等性能目前仍是需要研究的問題，但是隨著橋梁加固技術的發展，碳纖維加固技術研究的深入及材料制造工藝的進步，危舊橋梁碳纖維加固的技術瓶頸都會解決，碳纖維加固技術的應用前景也會更加廣泛。

［1］ 張祥國，師貞艷.超限橋梁碳纖維加固技術研究［J］.交通與建設管理，2014（Z2）.

［2］ 白海斌.碳纖維新技術在橋梁加固工程中的應用［J］.山西建筑，2012（18）.

［3］ 全曉東，胥明，韋永樂.碳纖維布加固技術在鋼筋混凝土中的應用研究［J］.廣西工學院學報，2004，15（03）.

［4］ 臧海翔.橋梁結構的碳纖維加固技術研究和實例［J］.科技創業家，2013（12）.

［5］ 牟玉玲.碳纖維加固技術在橋梁工程中的應用［J］.北方交通，2010（05）.

U445.72

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.025

2016-3-28

張天榮（1983-），男，漢族，甘肅蘭州人，大學本科，主要研究方向：公路養護技術。