淺談在橋梁梁體加固中碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

 淺談在橋梁梁體加固中碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

　　摘要：纖維復(fù)合材料是一種高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕的新型高性能結(jié)構(gòu)材料。近十年來(lái)碳纖維復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在工程中得到了很好的應(yīng)用，尤其在橋梁加固方面，具有重要理論意義和廣闊應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；加固；施工

　　1.橋梁加固的重要性和意義:

　　交通設(shè)施是保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，鋼筋混凝土橋梁作為交通設(shè)施的重要組成部分，起到至關(guān)重要的作用。我國(guó)中小型橋梁建設(shè)過(guò)程中，20世紀(jì)60年代以析架橋?yàn)橹鳎?0年代以雙曲拱橋?yàn)橹鳎?0年代以T型、橋面板的拼裝橋?yàn)榇�表，其中要�?0年代初建設(shè)的橋梁質(zhì)量最差，由于勘察、設(shè)計(jì)、施工、時(shí)間等等原因，加上公路交通量不斷增加，代表車型不斷趨于重型化，公路橋梁負(fù)荷日趨加重;加之舊橋部分老化，破損或受原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的限制，普遍存在橋梁承載力不足的情況，許多現(xiàn)有橋梁已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代交通的要求，這些問(wèn)題不僅影響到橋梁的正常使用，嚴(yán)重的還會(huì)給國(guó)家和人民帶來(lái)巨大的損失，為了適應(yīng)現(xiàn)代交通的需要，滿足橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求，必須對(duì)橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

　　全國(guó)現(xiàn)有大中型鋼筋混凝土橋梁、高層建筑數(shù)以萬(wàn)計(jì)，需要加固維修的也成千上萬(wàn)。截止1998年底，我國(guó)共有公路橋210822座，其中臨時(shí)橋梁3053座，危橋4105座，而位于國(guó)、省道上的臨、危橋分別為405座和1253座，分別占臨時(shí)橋梁、危橋總數(shù)的13%和31%。與交通部《公路科學(xué)養(yǎng)護(hù)和規(guī)劃化管理》(1991-2000)要求有很大的差距。這些有問(wèn)題的結(jié)構(gòu)急需診斷與維修加固。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅廣東省就有大中型鋼筋混凝土橋梁20000多座，現(xiàn)在需要加固的舊危橋就有2500多座。

　　新世紀(jì)土木工程的發(fā)展在很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料的應(yīng)用和發(fā)展。對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋增強(qiáng)材料，應(yīng)尋找一種強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料;對(duì)于既有結(jié)構(gòu)的加固、維修和改造，應(yīng)以具有比強(qiáng)度大、施工快捷、施工后結(jié)構(gòu)承載力明顯提高等優(yōu)異的物理力學(xué)性能材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材。因此，利用性能優(yōu)異的纖維復(fù)合材料對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固是21世紀(jì)土木工程領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。FRP用于土木建筑己是國(guó)際土木工程界的一個(gè)熱點(diǎn)，由于其優(yōu)異的材料及其使用性能，其應(yīng)用范圍與使用量正以驚人的速度增長(zhǎng)。FRP作為一種新型的有發(fā)展?jié)摿Φ慕ㄖ�材料，并不是要取代傳統(tǒng)的建筑材料一鋼材與混凝土，而是作為傳統(tǒng)建材的一個(gè)重要補(bǔ)充，CFRP也同樣如此。

　　2傳統(tǒng)加固方法簡(jiǎn)介

　　傳統(tǒng)的加固方法主要有:1.粘貼鋼板加固法;2.增大截面加固法;3.體外預(yù)應(yīng)力加固法;4.改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法。

　　2.1粘貼鋼板加固法

　　橋梁梁體出現(xiàn)承載力不足或縱向主筋出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的情況下，主梁一般會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的橫向裂縫。采用錨栓及粘結(jié)劑，將鋼板錨固并粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)邊緣或薄弱部位，使鋼板與橋梁結(jié)構(gòu)成為整體，形成一個(gè)由混凝土、粘結(jié)劑及鋼板組成的了相復(fù)合系統(tǒng)以共同受力，達(dá)到提高橋梁承載力的目的。

　　這種加固方法的特點(diǎn)是:(1)不需要破壞被加固的原結(jié)構(gòu)的尺寸;(2)施工工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量較容易控制;(3)施工工期短。

　　2.2增大截面加固法

　　當(dāng)梁柱等構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性能不足時(shí)，通常采用增大構(gòu)件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。此法即在梁底面或側(cè)面加大鋼筋混凝土截面(增配主筋)，柱的截面加大(增加柱截面鋼筋)，使梁抗彎截面加大，柱承壓面積加大，提高梁、柱等的承載力。該法廣泛用于梁橋及拱橋拱肋的加固。

　　2.3體外預(yù)應(yīng)力加固法

　　對(duì)于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁或板，采用對(duì)受拉區(qū)施以體外預(yù)加力加固，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載的作用，從而能較大幅度地提高粱的承載力。

　　體外預(yù)應(yīng)力加固法優(yōu)點(diǎn)是:

　　(1)在自重增加很小的情況下，能夠大幅度改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高承重結(jié)構(gòu)的剛度、抗裂性能;

　　(2)由于承重結(jié)構(gòu)自重增加小，故對(duì)墩臺(tái)及基礎(chǔ)受力狀況影響很小�？晒�(jié)省對(duì)墩臺(tái)及基礎(chǔ)的加固;

　　(3)對(duì)橋梁營(yíng)運(yùn)影響較小，可在不限制通行的條件下加固施工;

　　(4)預(yù)應(yīng)力加固法既可作為橋梁通過(guò)重車的臨時(shí)加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級(jí)的措施。

　　1.4改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法

　　這類方法是通過(guò)改變橋梁的受力體系，達(dá)到提高承載力的目的。例如在簡(jiǎn)支梁橋下增設(shè)支架或橋墩，或?qū)⒑?jiǎn)支梁間加以連接以形成連續(xù)梁體系梁，以及在梁體下增設(shè)疊合或加勁梁等方法，都可達(dá)到提高承載力的目的。該法機(jī)動(dòng)性能好，是解決臨時(shí)通行超重車輛常用的加固方法。

　　2碳纖維加固技術(shù)

　　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料加固法是將碳纖維片材浸含在樹脂系粘貼劑中，粘貼于混凝土構(gòu)件受拉區(qū)表面，使其與混凝土基體成為整體，共同變形和受力，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。

　　2.1碳纖維的性能

　　2.1.1碳纖維的分類

　　碳纖維有以下兩種分類方法:

　　1按力學(xué)性能劃分類:

　　(1)高模量(I型)碳纖維拉伸模量很高，可達(dá)380-640GPa，但極限伸長(zhǎng)率較低，約0.3%-0.5%。

　　(2)高強(qiáng)度(II型)碳纖維拉伸強(qiáng)度在3000MPa左右，工藝好的產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度可達(dá)4000MPa以上。

　　(3)中等模量((III型)碳纖維拉伸模量一般在200-300GPa之間，極限伸長(zhǎng)率在1.5%-2.0%，綜合力學(xué)性能適于加固混凝土結(jié)構(gòu)，在加固工程中最為常用。

　　2按纖維材料不同分類:

　　(1)碳纖維(CFRP);

　　(2)玻璃纖維(GFRP);

　　(3)芳綸纖維(AFRP)o

　　3按排列方向不同分類:

　　(1)單向纖維片材;

　　(2)雙向纖維片材。

　　表2.1纖維材料表

　　2.1加固用碳纖維的力學(xué)性能指標(biāo)

　　碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)可參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》GB/T3354測(cè)定，主要力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)滿足下表的要求:

　　表2.2碳纖維片材主要力學(xué)性能指標(biāo)

　　盡管纖維的種類和成型工藝不同，所有纖維復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是相同的:受拉時(shí)彈性上升直至脆裂，這個(gè)是CFRP材料的一個(gè)重要特征。

　　由圖2.1可以看出，纖維復(fù)合材料是脆性材料，而我們知道鋼筋是延性材料，用于對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固時(shí)，纖維復(fù)合材料的脆性性能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生以下兩點(diǎn)重要影響:

　　第一，纖維復(fù)合材料不像鋼筋那樣具有延性，其脆性性能會(huì)限制加固后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性:第二，F(xiàn)RP材料的脆性性能限制了應(yīng)力重分布。這些因素影響外貼FRP材料的加固設(shè)計(jì)，不能簡(jiǎn)單和鋼筋等強(qiáng)度代換。要深入研究并考慮FRP材料的脆性性能，對(duì)現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正。

　　2.2粘結(jié)劑等粘結(jié)材料的性能

　　用于碳纖維加固中的粘結(jié)材料應(yīng)包含底層樹脂、整平材料及浸漬或粘貼樹脂。粘結(jié)材料的性能必須滿足規(guī)程要求，粘結(jié)材料的性能與粘結(jié)質(zhì)量與加固效果密切相關(guān)，如粘結(jié)材料的性能達(dá)不到要求，必然導(dǎo)致加固效果降低，甚至?xí)�引起加固失效�?/p>

　　底層樹脂的作用是增強(qiáng)混凝土表面層，提高混凝土與找平材料或粘結(jié)樹脂界面的粘結(jié)強(qiáng)度，其正拉粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于2.5MPa，且不應(yīng)小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值幾。找平材料的作用是填充混凝上表面的空洞、裂隙等，使加固表面平整度符合工藝要求，并與底層樹脂及浸漬樹脂具有可靠的粘結(jié)強(qiáng)度，形成整體粘結(jié)體系，正拉粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于2.5MPa，且不應(yīng)小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值幾。當(dāng)混凝土表面平整度滿足要求時(shí)，可適量減少找平材料的用量。

　　浸漬樹脂是粘貼碳纖維布的主要粘結(jié)材料，其作用是使碳纖維絲束之間以及與混凝土之間充分粘結(jié)，以共同承受混凝土結(jié)構(gòu)的荷載。樹脂兼作FRP復(fù)合材料的基體和FRP與混凝土之間的膠粘劑，膠粘劑的作用特別值得關(guān)注，若粘結(jié)過(guò)弱會(huì)引起界面的破壞。當(dāng)樹脂的粘結(jié)作用及其重要時(shí)，如梁的受彎、受剪加固，一般選用環(huán)氧樹脂作為膠粘劑，需要進(jìn)行加固的混凝土結(jié)構(gòu)，其混凝土強(qiáng)度往往相對(duì)較低，而環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度較高，因此界面的破壞往往發(fā)生在混凝土中。粘結(jié)樹脂是粘貼碳纖維板的主要粘結(jié)材料。

　　3碳纖維復(fù)合材料加固的施工工藝介紹

　　碳纖維復(fù)合材料的加固施工工藝是非常重要的。因?yàn)槭┕べ|(zhì)量直接影響加固效果，施工質(zhì)量的優(yōu)良與否，體現(xiàn)材料的參數(shù)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，纖維復(fù)合材料跟混凝土表面是否粘結(jié)牢固，變形是否協(xié)調(diào)，邊界條件的差異大小，對(duì)加固的效果影響非常大。

　　3.1一般施工工藝流程如下:

　　1施工準(zhǔn)備階段

　　認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)施工圖，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)和被加固混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，擬定出施工方案和施工計(jì)劃;對(duì)使用的碳纖維片材配套樹脂和機(jī)具等做好施工前的準(zhǔn)備工作。

　　2表面處理

　　應(yīng)清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整，并按設(shè)計(jì)要求對(duì)裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。被粘貼的混凝土表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝上結(jié)構(gòu)新面。轉(zhuǎn)角粘貼處應(yīng)進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm，混凝土表面應(yīng)清理干凈并保持干燥。

　　3涂刷底層樹脂及找平處理

　　嚴(yán)格按照產(chǎn)品生產(chǎn)商提供的工藝規(guī)定配制底層樹脂，采用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面。在底層樹脂表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序的施工。嚴(yán)格按照產(chǎn)品生產(chǎn)商提供的工藝規(guī)定配制找平材料。對(duì)混凝土表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，不應(yīng)有棱角。轉(zhuǎn)角處應(yīng)采用找平材料修理成為光滑的圓弧，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm。

　　4粘貼碳纖維布材

　　(1)按照設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布;

　　(2)根據(jù)產(chǎn)品供貨方的工藝規(guī)定配制浸漬樹脂，并均勻涂抹于粘貼部位;

　　(3)將碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置，采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布;

　　(4)多層粘貼時(shí)應(yīng)重復(fù)上述步驟，并宜在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進(jìn)行下一層粘貼;

　　(5)粘貼結(jié)束后，在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

　　5表面防護(hù)

　　按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定做好表面防護(hù)的處理工作，并確保防護(hù)材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結(jié)。

　　3.2施工注意事項(xiàng)

　　(1)氣溫在5℃以下、相對(duì)濕度RH>85%、混凝土表面含水率在8%以上、有結(jié)露的可能時(shí)，無(wú)有效措施不得施工;

　　(2)由于碳纖維片為電的良導(dǎo)體，應(yīng)使其遠(yuǎn)離電源;

　　(3)施工用各種樹脂遠(yuǎn)離明火，并避免陽(yáng)光直射;

　　(4)施工及檢查人員應(yīng)穿防護(hù)工作服，配戴口罩、手套、防護(hù)眼鏡等防護(hù)用品;

　　(5)施工現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)情況良好;

　　(6)當(dāng)各種膠附在皮膚上時(shí)，用肥皂水沖洗，若進(jìn)入眼內(nèi)要立即用水沖洗或接受醫(yī)生治療;

　　(7)現(xiàn)場(chǎng)需做好防火等安全消防措施。

　　4小結(jié)

　　纖維材料結(jié)合環(huán)氧樹脂集體材料和粘結(jié)材料而成的FRP能充分發(fā)揮其質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)施工工藝較傳統(tǒng)施工方法方便，縮短工期，在混凝土結(jié)構(gòu)加工的應(yīng)用前景相當(dāng)好。未來(lái)纖維材料和環(huán)氧樹脂的價(jià)格下降，F(xiàn)RP在土木工程中的應(yīng)用將更加廣泛，使用量更加大。

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