碳纖維包覆設計與施工在橋梁抗震補強中的應用

韋劍雙

摘要：在抗震補強工法中，纖維強化高分子復合材料包覆工法憑借碳纖維材料重量輕、強度高、易施工等特性逐漸成為目前較常見的應用手段。文章以廣西某橋梁為例，介紹碳纖維包覆補強工法的設計思路與理念，并闡述其施工工藝流程及施工質量控制要點。

關鍵詞：橋梁;抗震補強;碳纖維;包覆補強

中國分類號：U442.5+5文章標識碼：A361403

0 引言

我國已發生多次重大的地震災害，地震后橋梁結構物的抗震安全成為國家防災計劃非常重要的課題。我國交通部為防患于未然，開始分階段持續推動高速公路橋梁抗震評估補強工作。在抗震補強工法中，纖維強化高分子復合材料包覆工法，憑借碳纖維材料重量輕、強度高、易施工等特性，逐漸成為目前較常見的應用手段。本文以廣西某橋梁為例，介紹碳纖維包覆補強工法的設計思路與理念，并闡述其施工工藝流程及施工質量控制要點。

1 工程概況

該橋梁位于廣西某高速公路路塹開挖區（里程K96+445），跨越某高速公路主線，為長（27.5+42+27.5=97）m、寬13.1 m的[WTBZ]π形橋，上部結構采用三跨連續的變斷面預制預應力雙T梁，斜撐式墩柱與上構以45°的仰角剛接，并與基礎鉸接連結。依據評估結果，下部結構直接基礎尚符合規范的抗震性能要求，但橋臺支承抗水平能力及橋墩剪力容量小于抗震性能需求。采用混凝土包覆補強、鋼板包覆補強及纖維增強復合材料包覆補強，可解決橋墩剪力容量小于抗震性能需求的問題。由于本橋位于敏感性邊坡，若采用混凝土包覆補強將增加邊坡額外荷載，不利于本橋的邊坡穩定，故不采用混凝土包覆補強。此外，本橋為[WTBZ]π型橋，橋柱傾斜，鋼板包覆施工較復雜且荷載亦較纖維增強復合材料為重，施工較困難，故本橋的橋柱剪力補強采用6～12層（纖維含量>300 g/m2/層）纖維增強復合材料包覆補強，可同時降低補強施工對高速公路交通的影響。

2 碳纖維包覆設計

2.1 碳纖維包覆設計工法介紹

纖維增強復合材料有三個基本成分，分別為纖維、基材及纖維與基材間的界面等。其中纖維為強化材料，使纖維增強復合材料具有很高的強度和彈性系數，同時也是決定纖維增強復合材料機械性能的主要因素。其主要功能為承受主要負載，限制微裂紋延伸，提高材料強度與剛性，改善材料抗疲勞、抗潛變性能，提高材料使用壽命與可靠性等。目前最常應用的纖維材料為碳纖維、玻璃纖維及克維拉纖維等[1]。

纖維增強復合材料基本成分中的基材是決定纖維增強復合材料使用溫度、電氣特性及化學性質的主要因素，其主要功能為傳送或分散應力至纖維中，固定纖維排列方向，保護纖維避免受摩擦或侵蝕，結合纖維使復合材料受應力時不致于變形或破壞。目前最常應用的基材材料為聚酯樹脂、環氧樹脂及熱塑性塑料。纖維與基材間的界面是決定纖維增強復合材料使用壽命的主要因素，其主要功能為使負荷能順利由基材傳送至纖維，抵抗纖維與基材間熱膨脹造成的支應力，避免復合材料受液體滲透，幫助基材保護纖維，抵抗樹脂硬化收縮現象[2]。

在橋梁抗震補強方面，由于設計目的是在大地震時可產生良好韌性的塑性鉸，對鋼筋混凝土橋柱而言，如其韌性或剪力容量不足，可采用碳纖維包覆補強提高其韌性。纖維復合材料可采用碳纖維復合材料與高強度玻璃纖維復合材料。

2.2 設計思路

纖維增強復合材料包覆工法雖具有材料輕、柔性、搬運容易及施工迅速等優點，但因此工法對鋼筋混凝土橋柱的圍束效果、韌性改善成效及本土化施工的便利性仍有待證實，故現階段高速公路橋梁抗震補強工程采用纖維增強復合材料包覆工法進行圍束補強時，須滿足下列8點條件：

（1）對于圓形橋柱及矩形橋柱，其位移韌性需求不得超過6 mm及3 mm。

（2）對于矩形橋柱，其長邊長度不得超過100 cm，長短邊的比值不得超過1.5。

（3）對于圓形橋柱，其直徑不得超過250 cm。

（4）不得采用用于橋柱的鋼筋搭接補強。

（5）單柱橋柱不得采用纖維增強復合材料包覆抗震補強。

（6）橋柱的軸壓應力不得超過0.15 fc，全斷面積Ag及主筋比不得超過2.5%。

（7）橋柱變斷面處不得采用纖維增強復合材料包覆抗震補強。

（8）河川橋橋柱不得采用纖維增強復合材料包覆抗震補強。

上述第（3）點的要求，是考慮到國內外有關纖維增強復合材料補強工法的柱尺寸試驗報告不多，且部分較大比例的縮尺寸試驗結果不足以讓此工法大量應用于柱尺寸較大時的橋梁補強;第（5）點則為結構靜不定度風險性的考量。

另外，橋柱往往有固定水管等附掛支架需求，如有因鉆孔打設螺栓等破壞纖維增強復合材料包覆貼片情形，亦須依實際情形于適當范圍內進行局部補強。本工程于落水管固定支架鉆孔底板處，加強4層纖維增強復合材料包覆，范圍為底板邊緣水平及垂直向兩側各15 cm。

基于經濟性及維護上的考量，對于鋼筋混凝土橋墩補強規劃設計的選擇，建議是以混凝土及鋼板包覆工法為原則，若因空間受限、美觀要求或施工條件不適用混凝土及鋼板包覆工法時，則可采用纖維強化高分子復合材料包覆工法，但纖維材料耐火性差，建議使用的位置要避免火災的發生[3]。

3 碳纖維包覆施工工藝及質量控制

3.1 主要施工工藝流程

本工程采用的碳纖維補強法的施工步驟如下：

（1）面層處理：混凝土表面劣化層使用高壓水刀進行表面處理并以砂輪機磨平，直至露出粗骨材為止，面層施工前混凝土面層的裂縫須完成修補。

（2）隅角部的削角：防止內角與外角的碳纖維貼片的剝落及強度下降。凸出部分以切割機或砂輪機將其削除并使其平滑，凸角R≥30 mm以上，凹角則以樹脂砂漿填補。

（3）涂布底面涂料：在使用時間內以毛刷滾輪均勻涂布，底漆用量≥0.4 kg/m2。

（4）碳纖維貼片粘貼：單向碳纖維貼片粘貼于樹脂涂布面后，以毛刷滾輪和橡皮刮刀順著纖維方向用力推平2～3次，使樹脂浸透并去除氣泡。纖維（長向）方向的搭接長度要留200 mm。

（5）完工后試驗：碳纖維貼片完成后，分別依相關規定辦理目視檢測、金屬錘測試、Durometer Shore〔JIS〕D硬度測試及現場拉拔試驗。其中，現場拉拔試驗根據國家現行規范測試，破壞面必須為混凝土破壞或拉拔強度>20 kgf/cm2視為合格;碳纖維貼片產生殘間剝離現象時，亦視為不合格。

（6）養護：碳纖維貼片補強施工后，為避免雨水、砂、灰塵等附著其上，必須使用塑料布保護，應注意覆蓋布不要接觸施工面。為達到設計強度，平均氣溫為10 ℃，養護時間為14 d;平均氣溫為20 ℃，養護期間為7 d。

（7）完工后面層防護粉刷層（已試驗合格）：于最外層碳纖維貼片的環氧樹脂面層施作完成后，立即于表面均勻灑布粒徑為1～2 mm的石英砂，并于樹脂初期硬化后，以防水彈性水泥與硅砂拌和的砂漿粉刷[4]。

3.2 施工質量控制

（1）因碳纖維包覆補強施工時在氣溫在5 ℃以下、雨天、可能結露或相對濕度>85%時，不可施工，故施工地點的溫度、濕度需先行確認，并選用適當的滲透型底漆。本工程施工期間為夏季，氣候多雨，相對濕度常超過85%，以致通常只能施作半日，或全日不能施作，從而影響施工效率。

（2）橋面常有水沿排水管或伸縮縫滴下，導致補強面潮濕無法施工，需在梁底增設阻水設施阻絕雨水下滲，避免影響施工質量。

（3）粘稠度應以加熱方式控制，不可使用有機溶劑稀釋。

（4）應提高施工人員的熟練度及采取適當的管控，稍有錯漏極可能造成試驗及補強失敗。

（5）有關碳纖維施工檢驗常見缺失如下：

①面層處理不到位，高壓水刀未將混凝土表面劣化層處理至粗骨材面出現，造成后續涂布底面涂料與混凝土面接合不佳，形成弱面，在拉拔試驗時常產生破壞面。

②碳纖維貼片粘貼過程中，毛刷及橡皮刮刀未將氣泡去除或樹脂浸透不足，造成金屬錘測試時會有異常。

③碳纖維貼片層次間施工時間掌控不佳，未能在涂布樹脂保持在濕潤狀態時將碳纖維貼片貼上，造成需第二次涂布樹脂以確保層次間的密合。

4 結語

（1）基于經濟性及維護上的考量，對于鋼筋混凝土橋墩補強方案設計的選擇，建議以混凝土及鋼板包覆工法為原則，若因空間受限、美觀要求或施工條件不適用混凝土及鋼板包覆工法時，則可采用纖維強化高分子復合材料包覆工法。纖維包覆補強工法具有材料輕、柔性、搬運容易及施工迅速等優點，但纖維材料耐火性差，建議使用的位置要避免火災的發生;且在其對混凝土橋柱補強的耐久性能，及國內施工條件與品質管理程序等方面，應進行持續研究與改進。

（2）碳纖維具有方向性，施工須特別注意，包覆構材形狀若有彎角，應予圓弧化。

（3）更多地將纖維強化高分子復合材料應用于橋梁工程的新建與補強，將會是未來工程界的趨勢，現階段可根據設定的條件篩選部分橋梁采用碳纖維補強工法，以累積設計、施工、檢測與養護的實踐經驗，作為國內碳纖維本土化應用的重要資料庫。

參考文獻：

[1]劉俊民.淺談碳纖維布在橋梁加固中的應用[J].城市道橋與防洪，2015（2）：172-173.

[2]王繼忠.淺談防水型碳纖維布在后澆帶中的應用[J].建筑工程技術與設計，2017（10）：137.

[3]郝 軼，閆淑杰.橋梁工程碳纖維加固技術及維修[J].交通世界，2011（21）：252-253.

[4]趙 岳.橋梁工程中碳纖維加固的施工技術[J].建材與裝飾，2015（23）：288-289.

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