周學(xué)輝

摘 要：我國(guó)高速公路經(jīng)過(guò)20多年的建設(shè)，上世紀(jì)80、90年代建成的高速公路橋梁經(jīng)10多年的運(yùn)營(yíng)，出現(xiàn)了板底裂縫加大等病害。碳纖維材料所具有的高強(qiáng)度、高模量特性讓其在橋梁加固領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。文章在對(duì)于現(xiàn)有的橋梁加固方法進(jìn)行闡述后，對(duì)于碳纖維材料在橋梁加固的應(yīng)用及施工工藝進(jìn)行了淺析。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料；橋梁加固；應(yīng)用效果；粘貼

1 項(xiàng)目背景

云南某六車道高速公路，于1999年建成通車。隨著交通量的逐年增加，全線174座橋梁不同程度的出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害，分別有板底縱向裂縫、腹板斜裂縫、板底空洞、鋼筋外露、支座剪切變形、伸縮縫破壞等。文章重點(diǎn)淺析粘貼碳纖維材料加固方案的應(yīng)用。碳纖維材料作為新時(shí)期的增強(qiáng)材料有著良好的強(qiáng)度和韌性，因此在許多軍工、民用領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了良好的效果。因此其在橋梁加固中的合理應(yīng)用也可以對(duì)于我國(guó)現(xiàn)有橋梁的工程強(qiáng)度和使用壽命都有著良好的促進(jìn)作用。

2 橋梁加固方法簡(jiǎn)析

橋梁加固方法有很多，目前廣為采用的加固方法有補(bǔ)強(qiáng)法、鋼筋混凝土法、變更受力結(jié)構(gòu)、增設(shè)加固法等。

2.1 補(bǔ)強(qiáng)法

補(bǔ)強(qiáng)法主要是為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)有橋梁中存在的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性能不足等問題。在橋梁加固中的補(bǔ)強(qiáng)層加固法主要是在梁頂上加鋪一層鋼筋混凝土層。在這一過(guò)程中施工人員會(huì)首先鑿除舊橋面，從而能夠使其與原有主梁形成整體，并且達(dá)到增大主梁有效高度和抗壓截面強(qiáng)度的效果。其次，橋面補(bǔ)強(qiáng)法的應(yīng)用還能夠有效的改善橋梁橫向分布能力，并且能夠達(dá)到提高橋梁的承載能力的目的。與此同時(shí)，橋面補(bǔ)強(qiáng)法的應(yīng)用還能夠在梁底面或側(cè)面加大尺寸，然后增配主筋，從而能夠起到提高梁的有效高度和抗彎強(qiáng)度并且提高橋梁承載力的效果。

2.2 鋼筋混凝土法

鋼筋混凝土法是錨噴混凝土加固法和粘貼鋼板筋加固法的統(tǒng)稱。鋼筋混凝土法的應(yīng)用需要高速噴射機(jī)械的支持，在這一過(guò)程中施工人員可以通過(guò)將新混凝土混合料連續(xù)地噴射到已錨固好鋼筋網(wǎng)的受噴面上來(lái)使得凝結(jié)硬化形成鋼筋混凝土，并且增大橋梁的受力斷面和補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，最終有效的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。其次，鋼筋混凝土法的應(yīng)用還能夠使橋梁可以承受更大的外荷載作用，并且使其與結(jié)構(gòu)形成整體，以鋼板代替增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，達(dá)到提高梁的承載能力的目的。

2.3 變更受力結(jié)構(gòu)

變更受力結(jié)構(gòu)是可以卓有成效的對(duì)于舊橋進(jìn)行加固的方法。變更受力結(jié)構(gòu)實(shí)際上能夠有效的對(duì)舊橋進(jìn)行加固，并且在此基礎(chǔ)上恢復(fù)和提高舊橋的承載能力及通行能力，從而能夠起到延長(zhǎng)橋梁使用壽命的效果。其次，合理的變更受力結(jié)構(gòu)還能夠節(jié)省大量不必要的投資，并且可以收到良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，通過(guò)改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系，還能夠達(dá)到提高橋梁承載能力的目的。例如通過(guò)把簡(jiǎn)支梁與簡(jiǎn)支梁縱向加以連接，由簡(jiǎn)支變成連續(xù)，或在梁下增設(shè)鋼桁架等加勁或疊合梁等就能夠給起到卸載的作用。

2.4 增設(shè)加固法

增設(shè)加固法的應(yīng)用關(guān)鍵在于對(duì)于橋梁進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐貙捙c改建，來(lái)達(dá)到提升地基安全性能的效果。增設(shè)加固法的應(yīng)用首先需要現(xiàn)有橋梁具有足夠承載能力的情況下才可以采用增設(shè)承載力高和剛度大的新縱梁。在這一過(guò)程中新梁與舊梁相連接，并且能夠共同受力。其次，增設(shè)加固法的應(yīng)用還可以確保下部構(gòu)造無(wú)病害，在這一前提下施工人員可以在原主拱圈腹面下增設(shè)一層新拱圈。

3 碳纖維材料在橋梁加固中應(yīng)用

碳纖維材料在橋梁加固中的應(yīng)用可以期待良好的工程效果，以下從材料特性、現(xiàn)有橋梁加固、加固計(jì)算方法、加固工藝應(yīng)用等方面出發(fā)，對(duì)于碳纖維材料在橋梁加固中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

3.1 材料特性

碳纖維材料在橋梁加固中應(yīng)用的第一步是對(duì)于材料的特性有著足夠的了解。碳纖維材料的應(yīng)用以及有接近50年。西方先進(jìn)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)首先開始將這一材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件中。而我國(guó)在將碳纖維應(yīng)用于工程和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域始于20世紀(jì)80年代初期。在這一過(guò)程中碳纖維材料所具有的強(qiáng)大的力學(xué)特點(diǎn)開始逐漸的被認(rèn)知和推廣。碳纖維材料具有應(yīng)力應(yīng)變曲線完全線彈性，實(shí)際上是不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)的。其次，由于碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。高彈性模量碳纖維的抗拉強(qiáng)度比鋼材大68倍并且彈性模量比鋼材大2.5倍。本項(xiàng)目采用的碳纖維材料的技術(shù)指標(biāo)如下：

抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)置信水平C=0.99、保證率為95%的要求確定

碳纖維布與膠粘劑粘貼結(jié)合后形成的復(fù)核材料技術(shù)性能指標(biāo)如下表：

3.2 現(xiàn)有橋梁加固

碳纖維材料在橋梁加固中加固和維修主要有兩種方式。一是對(duì)混凝土梁的加固或維修，二是對(duì)橋墩柱或橋面進(jìn)行加固或維修。外貼鋼板法加固維修混凝土梁常有鋼板脫離、生銹、腐蝕等問題，且對(duì)于大跨度橋梁會(huì)增加橋的自重，而碳纖維材料粘貼方法不但適用范圍大，操作簡(jiǎn)單，而且加固維修效果良好。碳纖維材料可以粘在混凝土的頂或底板上以提高曲強(qiáng)度和剛度，也可貼在梁的腹板上以提高其抗剪切強(qiáng)度。使用CFRP板加固混凝土梁可使其強(qiáng)度提24%～80%。對(duì)于橋梁墩柱的加固或維修主要可以通過(guò)碳纖維纏繞技術(shù)進(jìn)行。粘貼碳纖維材料技術(shù)操作簡(jiǎn)單，所需施工空間小，節(jié)約成本。根據(jù)碳纖維布的品質(zhì)不同，其厚度、幅寬和卷材長(zhǎng)度也有所不同。

3.3 加固計(jì)算方法

碳纖維材料在橋梁加固中應(yīng)用的關(guān)鍵在于做好加固計(jì)算方法。采用碳纖維布加固舊橋，首先需要采用的計(jì)算方法是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)近似的換算成為相應(yīng)比例的鋼筋，接下來(lái)才能根據(jù)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型來(lái)進(jìn)行加固數(shù)據(jù)分析。在碳纖維布加固用量計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)Acf=As（Ry/Rcf）這一公式，需要對(duì)于As鋼筋面積、Ry抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度、Rcf碳纖維抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行套用與計(jì)算。其次，在加固計(jì)算過(guò)程中計(jì)算人員還需要考慮到必要的錨固長(zhǎng)度和搭接長(zhǎng)度所需面積，以及必要的邊、角廢料等裁剪損耗。

3.4 加固施工工藝

本項(xiàng)目橋梁加固采用的碳纖維材料為美國(guó)進(jìn)口芳玻韌布（TYFO SEH51 FRP）與高強(qiáng)環(huán)氧樹脂現(xiàn)場(chǎng)粘合形成復(fù)合纖維加固系統(tǒng)進(jìn)行加固。它是由芳綸凱芙拉（Kevlar-防彈衣材料）與特種玻纖（E-glass）編合的碳纖維布與配套專用樹脂現(xiàn)場(chǎng)粘合而成的強(qiáng)韌復(fù)合碳纖維材料，粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的外表面，并形成新的復(fù)合結(jié)構(gòu)。施工工藝步驟如下：

3.4.1 橋下搭設(shè)臨時(shí)操作支架。支架高度根據(jù)河底高程、原板梁底高程確定，板梁底下應(yīng)留有足夠的人員操作凈空。

3.4.2 原橋梁板底加固處理。鏟除待粘貼砼構(gòu)件表面砼松散體（或找平層），用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)破損的砼表面，使之平整，沒有尖角和突起物；粘貼前清除結(jié)構(gòu)表面的結(jié)露和凝水。

3.4.3 若粘貼碳纖維布部位存在空洞情況，需先采用環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)空洞。施工步驟如下：（1）用人工鑿除的方法將將缺陷周圍的松散、破損混凝土予以清除，露出新鮮混凝土粗骨料，并用工業(yè)酒精進(jìn)行清洗，再用空壓機(jī)將修補(bǔ)范圍吹凈，確保修補(bǔ)面潔凈干燥，要求做到無(wú)水濕、無(wú)污漬及灰塵，修補(bǔ)深度應(yīng)保證清除所有已破損的混凝土。（2）配制環(huán)氧砂漿時(shí)準(zhǔn)備好案秤、配膠用的干凈容器（一般用塑料盆）、丙酮（或酒精）、干棉紗、抹刀、膠料攪拌器等。將水按比例倒入合適的容器，邊攪拌邊按比例加入粉劑，用低速電動(dòng)攪拌器攪拌3分鐘，避免引入空氣。（3）為了使修補(bǔ)砂漿能與老混凝土良好地結(jié)合，在刮涂修補(bǔ)砂漿時(shí)，若厚度超過(guò)30mm，要采用分層施工。在施工時(shí)，表面處理要盡量平整，顏色盡量與原構(gòu)件表面顏色基本一致。（4）修補(bǔ)完后，夏季采用遮陽(yáng)防曬法，冬季采用加熱保溫法，養(yǎng)護(hù)溫度控制在20℃左右，養(yǎng)護(hù)期5天。

3.4.4 配制特種環(huán)氧樹脂和浸漬纖維布。（1）在環(huán)境溫度下按比例混合環(huán)氧樹脂組份A和組份B，并按規(guī)定轉(zhuǎn)速攪拌5分鐘，施工期間溫度控制在5℃～38℃之間。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所規(guī)定的纖維布尺寸裁剪SEH51纖維布，并將裁剪好的纖維布用配制好的TYFO環(huán)氧樹脂均勻涂濕。

3.4.5 復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)層的施工。（1）將待加固的板梁底表面涂刷一層混合好的樹脂做底層。（2）在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，將浸透的纖維布象貼墻紙一樣平整地貼在砼表面，并注意主纖維的走向。纖維布之間橫向（非主纖維方向），拼接不得小于10mm，縱向（主纖維方向）搭接長(zhǎng)度不得小于150mm，搭接須交錯(cuò)布置。（3）對(duì)復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)層進(jìn)行檢查，樹脂中的氣泡必須在樹脂硬化前排出，每一層纖維布必須與基層緊密附著。

3.4.6 復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)層的養(yǎng)護(hù)。在環(huán)境濕度和溫度下，粘貼后的復(fù)合纖維布24小時(shí)可達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%，48小時(shí)后方可進(jìn)行橋面系的加載施工。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)高速公路紛紛進(jìn)入大修期，碳纖維材料在橋梁加固中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其施工工藝和高強(qiáng)碳纖維材料的開發(fā)還處于一個(gè)不斷摸索與優(yōu)化的過(guò)程中。因此公路橋梁的工程技術(shù)人員需要根據(jù)現(xiàn)有橋梁加固應(yīng)用的實(shí)例來(lái)進(jìn)行材料特性與加固工藝的分析，最終能夠在此基礎(chǔ)上促進(jìn)我國(guó)橋梁加固整體水平的有效提升。

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