試析碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用

劉勇

（湖南省交通科學(xué)研究院 湖南長沙 410000）

1 引言

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)加固方法有增大構(gòu)件截面法、體外預(yù)應(yīng)力法、改變結(jié)構(gòu)體系法等，但這些方法都或多或少存在一些不足之處。碳纖維復(fù)合材料是一種新型施工材料，性能優(yōu)良，將其應(yīng)用于橋梁工程施工中，能夠有效增加結(jié)構(gòu)的承載能力，提高構(gòu)件的剛度，改善構(gòu)件的受力性能。因此，對其在橋梁工程施工中的應(yīng)用方式進行詳細探究迫在眉睫。

2 碳纖維性能概述

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）屬于復(fù)合材料中的一種，最早出現(xiàn)于20世紀中期，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域，至20世紀80年代開始應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。CFRP材料具有如下特點：輕質(zhì)高強；耐疲勞，壽命長；熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好；穩(wěn)定，不易腐蝕；工作性能好，施工適應(yīng)性強；可多層粘貼；可約束混凝土中裂縫開展。

3 工程概況

某大橋位于汾灌高速公路，上部結(jié)構(gòu)為8m×6m×35m裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，原設(shè)計荷載為汽車-超20級、掛車-120。隨著交通量、載重的增大，橋梁部分構(gòu)件出現(xiàn)破損、缺損、裂縫等現(xiàn)象。通過檢測發(fā)現(xiàn)：各跨主梁均存在腹板豎向裂縫，有個別貫穿梁底的橫向裂縫，為防止病害蔓延而影響橋梁使用性能，最終采用組合箱梁底板預(yù)應(yīng)力CFRP板進行加固。該橋梁以鋼筋混凝土為材料，屬于典型的空心板橋。

4 橋梁工程碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方式

在該橋梁施工中，分別將3道寬度18cm碳纖維片粘貼在橋梁空心板的底部，具體如圖1所示。

圖1 橋梁空心板底部粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料示意圖

4.1 施工參數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)存在自重受力狀態(tài)，粘貼碳纖維復(fù)合材料的目的，就是為了抵消橋梁結(jié)構(gòu)梁體產(chǎn)生的自重。在此涉及到幾個方面的施工參數(shù)：①梁體自重：194kN；②彎矩：352kN·m；③撓度：0.01m；④集中反力：88kN。

考慮到施工的便利性，集中反應(yīng)力要取整數(shù)值。在確定以上集中反力之前，根據(jù)梁體的幾何變形情況，以88kN、90kN、102kN進行比較，其中，取值88kN時，上緣受壓為0kN·m；取值90kN時，上緣受壓為-8kN·m；取值102kN時，上緣受壓為-56kN·m。

4.2 施工材料

本工程采用的預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料，屬于高強度的碳纖維復(fù)合材料，其抗拉強度標準值至少3844MPa；抗拉強度平均值至少4452MPa；彈性模量至少2.45×105MPa；延伸率至少1.7%；厚度0.111mm；單位質(zhì)量200g/m3。在本工程當中，包括混凝土、抗拉鋼筋、碳纖維均為主材料。根據(jù)本橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以及待加固的結(jié)構(gòu)需求，根據(jù)碳纖維強度發(fā)揮系數(shù)1.06，確定受壓區(qū)的高度為12.4cm。同時界定碳纖維材料的最大加固量，以是否壓碎受壓區(qū)混凝土為標準，得出最大的加固率3.58×10-4。

4.3 施工工藝

4.3.1 工作臺修建

碳纖維復(fù)合材料粘貼施工，需要在空心板預(yù)制場地附近地面平整位置，修建1座工作臺。為便于施加集中反力，在橋梁跨中位置，還需要修建1個附屬性平臺，用于安置千斤頂。

4.3.2 放梁

空心板施工后，檢驗強度是否達到預(yù)期標準，隨后可利用吊車將空心板吊至工作臺之上，放置時需保持居中，其中，梁的兩側(cè)與工作臺中心點大約保持50cm的距離。

4.3.3 施加反力

檢查空心板放置是否平穩(wěn)，隨后在附屬平臺上，以縱橫軸線的交叉點為基準，放置1臺規(guī)格20t的千斤頂，考慮到反力施加時可能出現(xiàn)不均勻情況，需在千斤頂正上方位置。布設(shè)1塊鋼板凳，鋼板凳保持與梁體跨中斷面中心點的垂直對稱。與此同時，在頂板和底板位置的縱軸方向。設(shè)置1臺光纖應(yīng)變傳感器，以及在底板兩邊縱軸線對稱位置設(shè)置1臺撓度計，兩者均用于監(jiān)測集中反力施加情況。

至于集中反力的施加，是在全部準備工作就緒后，先嘗試性施加30%左右的集中反力，大約維持3min，觀察所施加的集中反力維持狀態(tài)是否穩(wěn)定。如果穩(wěn)定，則繼續(xù)以均勻速度施加，但需要不間斷觀察是否有施加反常情況，若有，必須暫停施加，進行空心板、千斤頂、鋼板凳位置調(diào)整，直至所施加集中反力的設(shè)計值達到105%。在以上施加集中反力的過程中，必須不間斷監(jiān)測施加狀態(tài)，以確保集中反力施加的正常。

4.3.5 粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料

準備好黏結(jié)劑后，處理混凝土構(gòu)件的表面，其中，需要將構(gòu)件表面的棱角等去除，否則，無法保證粘貼的緊密結(jié)合；對于凹陷的位置，要涂刷底層涂料，涂料將慢慢滲透進混凝土里面，否則，可能出現(xiàn)黏貼后起鼓現(xiàn)象。處理好混凝土構(gòu)件表面，將完成脫泡和浸滲處理的預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料粘貼在空心板上。本工程在粘貼施工期間，通過撓度計和光纖應(yīng)變傳感器的監(jiān)控，控制跨中截面梁體的上頂位移，只有確保受力狀態(tài)穩(wěn)定，才能夠繼續(xù)下一道工序。本工程實際的撓度計監(jiān)控結(jié)果，以集中反力值102kN為監(jiān)控基準值，撓度計顯示跨中控制截面在集中反力達到基準值時，上撓位移0.0093m。而光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)控所顯示的數(shù)據(jù)為0.552MPa和0.426MPa，與理論計算值0.676MPa接近。基于這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，可看出102kN的集中反力施加有效，起到顯著的粘貼施工成效。

4.4 施工成效

為證實以上的施工成效水平，在完成本工程的粘貼施工后，借助監(jiān)控儀器設(shè)備，檢測橋梁跨中控制界面的內(nèi)力和幾何變形狀態(tài)。檢測前必須布置單梁實驗測點，如圖2所示。

圖2 單梁實驗測點布置

實驗測點布置后，進行預(yù)壓，根據(jù)初讀儀表的數(shù)據(jù)指標，采用分級加載的方式，在確保荷載梁數(shù)據(jù)正常的情況下，卸除砂石袋等，直至測試結(jié)果可靠性達標。本工程的內(nèi)力值為531kN·m，位移值為14.2mm，包括跨中、左支點、右支點等測試截面，相應(yīng)的試驗值和理論計算值，都能夠基本吻合。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要結(jié)合橋梁工程實例，對碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方式進行了詳細探究，通過將碳纖維復(fù)合材料筋束作為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的力筋，或斜拉橋的拉索，發(fā)揮其優(yōu)良特性，逐步削減鋼材在橋梁施工中比例，應(yīng)當作為碳纖維復(fù)合材料在橋梁中應(yīng)用的重點。