碳纖維粘貼材料在橋梁結(jié)構(gòu)加固中的應用研究

摘 要：針對當前使用的有關橋梁結(jié)構(gòu)加固方法存在的問題，提出了在橋梁結(jié)構(gòu)加固中粘貼碳纖維材料的應用方法。通過分析任意截面上的法向應力分量、剪應力分量，結(jié)合莫爾-庫倫強度理論，判斷莫爾圓與抗剪強度線的相對位置判斷相交點的狀態(tài)。根據(jù)莫爾圓與抗剪強度線幾何關系，確定極限平衡條件，由此確定貼碳纖維材料的單位面積用量。以X大橋的K225+150-K225+500斷面為研究對象，通過工程實例加固效果可知，所研究方法分析的K225+150-K225+500斷面加固容許安全系數(shù)均在容許范圍內(nèi)，且最大安全系數(shù)為0.98，具有安全加固效果。

關鍵詞：粘貼碳纖維材料；橋梁結(jié)構(gòu)；加固；配筋率；混凝土抗壓強度

中圖分類號：TQ342+742；TQ437+.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）10-0038-04

Research on the application of carbon fiber materials inbridge structure reinforcement

LIANG Chunxiao

（Guangxi Guitong Engineering Management Group Co.，Ltd.，Nanning 530029，China）

Abstract：In view of the problems existing in the current reinforcement methods of bridge structures，the applica?tion method of pasting carbon fiber materials in the reinforcement of bridge structures was proposed. By analyzingthe normal stress component and shear stress component on any cross-section，combined with the Mohr Coulombstrength theory，the relative position of the Mohr circle and the shear strength line was determined to determine thestate of the intersection point. According to the geometric relationship between Mohr’s circle and shear strengthline，the limit equilibrium condition was determined，and the amount per unit area of the carbon fiber material wasdetermined. Taking the K225+150-K225+500 section of the # bridge as the research object，it can be seen throughengineering examples that the allowable safety factors for the reinforcement of the K225+150-K225+500 section an?alyzed by the research method were within the allowable range，and the maximum safety factor was 0.98，indicatinga safe reinforcement effect.

Key words：pasting carbon fiber materials；bridge structure；reinforcement；reinforcement ratio；concrete compres? sive strength

橋梁在交通運輸中扮演著至關重要的角色，橋梁的安全性和可靠性變得越來越重要。隨著時間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)損傷、老化等問題，嚴重影響其承載能力和使用壽命。為了保障橋梁的安全和可靠性，對其進行加固是至關重要的。提出的新型反壓系統(tǒng)在橋梁加固工程中應用研究，通過增加橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，提高其承載能力[1]。提出的體外預應力在橋梁加固工程中應用研究，通過在橋梁體外施加預應力，以改善其受力性能[2]。提出的水泥基灌漿材料在橋梁加固工程中應用研究，通過將高強度材料注入橋梁結(jié)構(gòu)中，以提高其承載能力和耐久性[3]。然而上述傳統(tǒng)的橋梁加固方法往往會增加結(jié)構(gòu)重量，改變結(jié)構(gòu)受力分布，且耐腐蝕性能較差。

基于上述存在的問題，應用粘貼碳纖維材料可以有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能，同時不會增加結(jié)構(gòu)重量，且具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

1橋梁結(jié)構(gòu)加固中碳纖維粘貼材料用量計算

在橋梁結(jié)構(gòu)加固中，受拉鋼筋的承載能力取決于粘貼碳纖維材料強度和剛度[4]。在極限狀態(tài)條件下，由于粘貼碳纖維材料拉斷而導致的受拉筋的屈服與失效機理較為復雜，涉及碳纖維材料、鋼筋以及結(jié)構(gòu)設計和施工等多個因素的綜合作用。

粘貼碳纖維材料與混凝土之間的粘接性能對于加固效果至關重要，在受拉過程中，粘貼碳纖維材料與混凝土之間的粘接力會隨著鋼筋屈服而逐漸降低，最終導致粘貼碳纖維材料拉斷[5]。因此，在加固橋梁結(jié)構(gòu)時，需要綜合考慮各種因素，確保加固效果的安全性和可靠性。

橋梁結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件破壞特性，如圖1所示。

橋梁結(jié)構(gòu)中的彎曲梁正截面失效是指在彎曲梁中沿其最大彎矩處發(fā)生的失效，這種失效形式與桿件的軸向方向成直角；橋梁結(jié)構(gòu)中的斜截面失效是指在剪切力最大、彎矩最大時，其與桿件軸向成直角的截面失效[6]。

構(gòu)件的破壞特性取決于配筋率和混凝土抗壓強度，其中配筋率計算公式，可表示為：

式中：Sa表示縱向受力鋼筋截面面積；da表示截面寬度；h表示截面高度[7-9]。a

混凝土受彎后，其受壓區(qū)內(nèi)的應力等效為一個矩形的應力塊體，在這種情況下，混凝土的抗壓強度可以表達為：

式中：N表示混凝土破壞荷載；S表示混凝土承壓面積[10]。b

通過以上分析可以看出，該結(jié)構(gòu)中的受彎筋和混凝土相互抵消的破壞模式。在混凝土抗壓強度超過其抗拉強度的情況下，首先屈服的是鋼筋；當混凝土的抗壓強度低于其所能承受的極限時，首先發(fā)生的是混凝土的破碎。

假設作用在單元體上大小主應力分別為σa、σb；垂直于截面的應力與大主應力夾角為θ，當θ變化時，單元體上大小主應力也發(fā)生改變[11]。

任意截面上的法向應力分量，可表示為：

σ= （σa+σb） + （σa-σb）cos2θ任意截面上的剪應力分量，可表示為：

由莫爾-庫倫強度理論，判斷莫爾圓與抗剪強度線的相對位置判斷相交點的狀態(tài)[12]。法向應力分量、剪應力分量可用莫爾圓表示，如圖2所示。

設截面上的剪應力分量閾值為ιh，若莫爾圓與抗剪強度線相離，即ιlt;ι，則混凝土未被剪壞；若h 莫爾圓與抗剪強度線相切于相交點，即ι=ιh，則混凝土處于極限平衡狀態(tài)[13]；若莫爾圓與抗剪強度線相割，即ιgt;ιh，則混凝土已被剪壞。根據(jù)莫爾圓與抗剪強度線幾何關系，可以確定極限平衡條件。

在該條件下，計算橋梁結(jié)構(gòu)加固中的粘貼碳纖維材料的單位面積用量，計算公式為：

式中：ψ表示鋼筋屈服強度。通過式（5），可確定橋梁結(jié)構(gòu)加固中的粘貼碳纖維材料的單位面積用量。

2 碳纖維粘貼材料的用量與加固施工方法優(yōu)化

粘貼碳纖維材料是指在混凝土構(gòu)件的拉壓邊處，通過對其進行加固，取代原有的加固筋，增強其承載力，實現(xiàn)加固效果。粘貼碳纖維材料復合補強技術，就是在混凝土橋的底部、梁體或橋墩上粘貼一層摻有樹脂膠粘劑的粘貼碳纖維材料，并與混凝土形成一個整體，實現(xiàn)對混凝土橋面的增強。在確定粘貼碳纖維材料用量的前提下，設計橋梁結(jié)構(gòu)加固施工過程。

2. 1準備工作

檢查橋梁結(jié)構(gòu)表面是否干凈、干燥，并處理掉表面污垢、松散層等。同時準備好所需的碳纖維材料和粘貼材料。

2. 2混凝土表面及底面處理

鑿除待補鋼筋表面的剝落、疏松、蜂窩、銹蝕等部位，并用修補材料進行修補[14]；根據(jù)設計需要填塞或封堵裂縫，對待貼的砼表面進行磨光，在錨固加固區(qū)域各50毫米刻痕1次，以增強粘接作用；清除水泥表面，清除塵土，使其保持干燥。

在橋梁結(jié)構(gòu)表面涂抹底面處理劑，以增加碳纖維材料與結(jié)構(gòu)表面的粘接力。底面處理劑的涂抹要均勻、平滑，確保無漏涂、無氣泡。

2. 3涂刷底面膠

在粘貼完碳纖維材料后，涂刷底面膠環(huán)節(jié)要嚴格按照產(chǎn)品說明進行操作。底面膠可以增加碳纖維材料與結(jié)構(gòu)表面的粘接力和保護碳纖維材料不受外界環(huán)境的影響。

2. 4找平處理

在粘貼碳纖維材料橋梁結(jié)構(gòu)加固施工過程中，找平處理是重要的一步。首先，要確保橋梁結(jié)構(gòu)表面平整，無突出的鋼筋、水泥砂漿等，以確保碳纖維材料能夠與結(jié)構(gòu)表面完全貼合。其次，對于一些凹陷、裂縫等缺陷，需要進行修補和填充，常用的方法是使用環(huán)氧樹脂或水泥砂漿進行填充，填充時要確保密實、平滑，避免出現(xiàn)氣泡和空鼓。最后，在找平處理完成后，要進行表面處理，包括打磨、清洗等，以去除表面的雜質(zhì)和塵埃，并提高結(jié)構(gòu)表面的粗糙度，增加碳纖維材料與結(jié)構(gòu)表面的粘接力。

需要注意的是，找平處理的質(zhì)量直接影響到粘貼碳纖維材料的效果，因此需要認真細致地進行此步驟。

2. 5切割并粘貼碳纖維材料

根據(jù)所需粘貼碳纖維材料的規(guī)格進行切割，切好的織物應成卷放置，不可攤開平放于地面。

粘貼碳纖維材料切割公式，可用如下公式表示：

式中：D表示粘貼碳纖維材料寬度；n表示所需h 數(shù)量[15]；Lh表示所需長度；Lu表示搭接長度。其中，搭接長度是為了保證粘貼后的強度和穩(wěn)定性，需要根據(jù)實際情況進行選擇；所需數(shù)量則根據(jù)實際所需的碳纖維材料數(shù)量進行計算。在切割完成后，對邊緣進行打磨，去除毛刺和尖銳部分，以確保粘貼后的平滑度和安全性。

將已浸好的樹脂配制好，并將其均勻地涂抹在待貼區(qū)域上。使用專用的一次性軟刷或?qū)Ｓ玫妮佪?，將泡沫擠出，并讓浸過的樹脂完全滲透到織物中，涂層時不能損壞纖維網(wǎng)；多層膠接、反復進行，直到手指觸摸到纖維布的表層后，再進行下一次粘貼，并在最后一層將浸過的樹脂均勻地涂在碳纖維材料的表層。

2. 6表面防護處理

表面防護處理可以保護碳纖維材料不受外界環(huán)境的影響，同時也可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀性。表面防護處理的具體步驟包括：在完成粘貼碳纖維材料和固化后，要對表面進行清理，去除表面的雜質(zhì)和塵埃，確保表面的干凈和干燥。根據(jù)設計要求，選擇合適的防護材料，如有機硅、聚氨酯等，按照產(chǎn)品說明進行涂刷。

使用粘貼碳纖維材料加固橋梁結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

具體的粘貼碳纖維材料用量要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的加固情況和設計要求來確定，在設計階段，通常會根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度等要求計算出所需的碳纖維材料用量。在施工階段，要根據(jù)設計要求進行選擇和粘貼，確保加固效果。

3工程實例應用分析

3. 1工程概況

以X大橋的K225+150-K225+500斷面為研究對象，現(xiàn)正進行維護和加強，X大橋總長2 501 m。經(jīng)過多年營運，該橋出現(xiàn)了裂縫，部分混凝土出現(xiàn)了破損和裸露，拱型、橫隔板、腹拱和邊墻都出現(xiàn)了不同程度的裂縫，經(jīng)過國家高速公路工程質(zhì)量監(jiān)督管理部門的檢查，這座橋被確定為危橋。為了確保公路上的行車安全，X大橋于2023年7月由縣政府進行了全面的養(yǎng)護和加強。

3. 2勘察數(shù)據(jù)分析

對K225+150-K225+500斷面加固容許安全系數(shù)范圍分析，如表1所示。將滿足表1的系數(shù)作為實驗標準，展開實驗分析。

3. 3加固應用效果分析

將新型反壓系統(tǒng)加固方法、體外預應力加固方法、水泥基灌漿材料加固方法和粘貼碳纖維材料加固方法的加固容許安全系數(shù)進行對比分析，對比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在這4種方法中使用體外預應力加固方法加固容許安全系數(shù)最小，其次是新型反壓系統(tǒng)加固方法、水泥基灌漿材料加固方法，粘貼碳纖維材料加固方法的容許安全系數(shù)最大，K225+150-K225+500斷面加固容許安全系數(shù)均在表1范圍內(nèi)，其中最大安全系數(shù)為0.98，具有安全加固效。

4結(jié)語

粘貼碳纖維材料作為一種新型加固方法，具有顯著優(yōu)勢，碳纖維材料具有高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕等特性，可以提供強大的抗拉能力，提高橋梁的承載能力和耐久性。粘貼碳纖維材料的施工相對簡單，不需要大型設備和大量人力，可以降低施工難度和成本。此外，碳纖維材料還可以增強結(jié)構(gòu)的抗震性能，對于保障橋梁的安全性和可靠性具有重要意義。

通過工程實例分析，粘貼碳纖維材料在橋梁結(jié)構(gòu)加固中具有顯著的優(yōu)勢和應用前景。與傳統(tǒng)方法相比，它可以有效解決傳統(tǒng)方法存在的問題，提高橋梁的加固效果和安全性。因此，在實際工程中，粘貼碳纖維材料應該被視為一種有效的橋梁結(jié)構(gòu)加固方法。

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