赫騰飛 趙文娟

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075024)

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碳纖維材料加固小橋涵結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用

赫騰飛 趙文娟

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075024)

位于偏遠(yuǎn)和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的廣大混凝土小橋涵來說，因設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低，建造水平差、管理制度嚴(yán)重松懈加之年久失修，已經(jīng)不能適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通量需要.采用碳纖維材料加固技術(shù)對(duì)其進(jìn)行維修加固不僅能夠節(jié)省大量投資，還能獲得不錯(cuò)的社會(huì)效益，而且通過維修加固，可以降低安全隱患風(fēng)險(xiǎn)，還能提高公路承載與通行能力.

碳纖維材料;加固;小橋涵

我國(guó)交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司在2015年做出的分析公報(bào)《2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]中的數(shù)據(jù)，中小型橋梁占到了橋梁總體的90.38%，其中的絕大多數(shù)屬于混凝土橋梁,且大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的中小型混凝土橋涵，這些橋梁失修、失養(yǎng)、損壞嚴(yán)重，多數(shù)不能適應(yīng)當(dāng)今的交通需要.因此選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用、方便快捷、后期養(yǎng)護(hù)難度低且費(fèi)用少的加固方法對(duì)這小橋涵進(jìn)行維修加固，對(duì)一些經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的省市縣區(qū)來說，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.而利用碳纖維材料加固法是一種經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、適用范圍廣對(duì)施工人員素質(zhì)要求不高的維修加固技術(shù)，具有較強(qiáng)的研究和推廣利用價(jià)值.

1 碳纖維材料加固技術(shù)

1.1 碳纖維材料的發(fā)展及應(yīng)用

上個(gè)世紀(jì)50年代，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)由美國(guó)研發(fā)制造[2]，并且廣泛應(yīng)用與航天、軍工等高科技領(lǐng)域，后來才逐步發(fā)展到汽車、船舶、交通、化工和土木工程等民用領(lǐng)域.隨著技術(shù)的發(fā)展碳纖維材料在世界范圍內(nèi)土木工程領(lǐng)域內(nèi)開始有了廣泛和深入的研究，在結(jié)構(gòu)加固工程中得到了廣泛應(yīng)用和推廣并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，歐美等國(guó)已經(jīng)具有完善的規(guī)程、指導(dǎo)以及施工標(biāo)準(zhǔn).

我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)世紀(jì)末引入此項(xiàng)技術(shù)，因日美控制著碳纖維材料的關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)今日仍未掌握其核心技術(shù)，據(jù)日本2015年5月26日《讀賣新聞》報(bào)道，碳纖維出口中國(guó)仍屬于政治敏感話題[3].但是，我國(guó)對(duì)于碳纖維材料技術(shù)的研究正處在一個(gè)積極活躍的階段，期間大量的研究成果相繼問世，在追趕世界先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)際的路途中腳步正在加快.

1.2 碳纖維材料加固小橋涵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

在小橋涵加固中，碳纖維材料加固技術(shù)可以有效的降低施工過程中的施工難度，有利于培養(yǎng)技術(shù)工人的熟練度，同時(shí)也可以減少施工過程中的操作空間的占用.更重要的是，碳纖維材料加固小橋涵可以充分的利用材料獨(dú)有的貼合性和適應(yīng)性，對(duì)于不同類型節(jié)點(diǎn)、不規(guī)則部位進(jìn)行加固.使碳纖維材料與需要加固粘帖的混凝土構(gòu)件表面緊密的鏈接在一起，使他們共同受力，共同承受荷載；共同變形，共同承受撓度變化.

2 碳纖維材料加固小橋涵結(jié)構(gòu)實(shí)例

2.1 工程概況

該橋涵為河北某高速公路的一座通道，該通道分左、右兩幅，由中央隔離帶隔開，兩幅板梁均為整體現(xiàn)澆板，尺寸相同，跨徑8 m，板寬13.5 m，板厚0.4 m，橋面鋪裝層厚0.2 m，每幅均為單向三車道，橋面寬11.75 m，橋下凈寬7.5 m，凈空3.5 m.

圖2.1 單幅通道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.2 板梁病害狀況

表2.1 通道病害檢測(cè)情況

圖2.2 右幅主梁距外3 m縱向裂縫，貫穿主梁

2.3 病害成因分析

初步判斷，圖2.2中的裂縫主要因?yàn)榘辶旱臋M向?qū)挾冗^大改變了梁體單向板受力的形式，在荷載作用下產(chǎn)生的超過了自身梁體的抗彎能力造成的.目前大部分裂縫寬度并未超過0.15 mm,也未發(fā)現(xiàn)滲水等現(xiàn)象,只有少處裂縫超過0.15 mm且出現(xiàn)了滴水、滲水和外析晶體現(xiàn)象，說明大部分梁體裂縫處于可控狀態(tài)且未貫穿，之后少部分出現(xiàn)了貫穿現(xiàn)象，對(duì)于已經(jīng)貫穿的部分，我們需要重點(diǎn)處理，防止其繼續(xù)深入造成整個(gè)截面貫穿，導(dǎo)致后期腐蝕加劇造成結(jié)構(gòu)的耐久性喪失.

2.4 病害處治方法

通過現(xiàn)場(chǎng)考察及計(jì)算分析，擬采用先卸載后粘帖碳纖維布的施工方法進(jìn)行維修加固以解決直接粘帖碳纖維布存在的應(yīng)變滯后問題.

梁板加固如在非卸荷狀態(tài)下進(jìn)行，構(gòu)件截面將在承受荷載的狀態(tài)下處于某個(gè)初始應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài).加固后，如果沒有施加新的荷載，其截面應(yīng)力應(yīng)變不會(huì)發(fā)生變化，粘帖的碳纖維布也處于零應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài).只有當(dāng)荷載增量作用下產(chǎn)生更大變形和裂縫后，粘帖的碳纖維布才參與梁板共同受力.因此，采取這種方法黏貼碳纖維布雖然會(huì)是極限荷載提高，但是提高的程度有限，只有在達(dá)到主筋屈服強(qiáng)度之后才會(huì)將碳纖維材料自身特點(diǎn)發(fā)乎發(fā)揮出來，這個(gè)時(shí)候可能會(huì)造成受壓區(qū)混凝土在極限狀體下壓碎破壞.

如果構(gòu)件在卸荷狀態(tài)下進(jìn)行，可以解決上述問題，但是需要考慮二次受力的問題.通道現(xiàn)澆梁板在拆模后即在自重作用下產(chǎn)生初始應(yīng)力應(yīng)變，恒載作用下梁板產(chǎn)生變形如圖5.5所示：

圖2.3 通道梁板在恒載作用下變形圖

當(dāng)車輛通過時(shí)梁板產(chǎn)生變形如圖2.4所示：

圖2.4 通道梁板在恒載及車輛荷載作用下變形圖

對(duì)于梁板特定的某個(gè)初始彎矩M0，只要通過頂梁卸載(頂梁卸載前、后梁板產(chǎn)生變形如圖2.5所示)使梁板恢復(fù)至拆模前的無應(yīng)力狀態(tài)再粘帖碳纖維布，即可在碳纖維布粘結(jié)劑固化并拆除頂梁設(shè)施后使碳纖維布立即參與梁板共同受力，從而起到克服碳纖維布應(yīng)變滯后的問題，進(jìn)而阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展.

圖2.5 通道梁板頂梁前、后變形對(duì)比圖

在不中斷交通的情況下粘帖碳纖維布，梁板在車輛荷載作用下產(chǎn)生下?lián)虾驼駝?dòng)，嚴(yán)重影響粘結(jié)劑的固化，而在跨中增設(shè)剛性頂梁支撐墩后，梁板跨度減小，活載作用下梁板的振動(dòng)幅度明顯減小從而減少了行車擾動(dòng)對(duì)粘結(jié)劑的固化影響.

2.5 病害處治施工工藝

卸載粘帖碳纖維布的基本思路是：利用頂升裝置在施加與恒載反方向的荷載，消除梁體變形，并且使其產(chǎn)生一定的反向變形，在該變形狀態(tài)下粘貼碳纖維.當(dāng)粘結(jié)劑固化達(dá)標(biāo)后，再逐級(jí)卸載撤走頂升設(shè)備.

1)施工工藝流程.

按照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定施工程序:頂梁支架施工→構(gòu)件表面處理→裂縫處治→施加上頂力→涂刷底層涂料→粘貼面修補(bǔ)整平→粘貼碳纖維片材→養(yǎng)護(hù)→逐級(jí)卸載反力→表面涂裝→完工質(zhì)量驗(yàn)收.

2)頂升力及控制位移計(jì)算.

確定施加上頂力，施加的反向荷載并防止產(chǎn)生初始的塑性變形.通過計(jì)算確定上頂力.

圖2.6 計(jì)算圖式

3)計(jì)算原則為：

(1)確保構(gòu)件上緣拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，最好為0；

(2)確?？刂茢嗝媪后w變形為0.

首先假設(shè)跨種控制斷面上緣應(yīng)力бs=0 MPa，即Mz=0 kN·m,由此建立方程組

X1=X2

g1·L=X1+X2+N

式中:X1、X2為支座反力； N為上頂力；g1為恒載集度(取g1=0.6*13.5*25=202.5kN/m)； L為梁的計(jì)算跨徑(L=8m).

解方程組得:上頂力N=810kN.按照計(jì)算原則(2)的要求選取了一些整數(shù)值，利用midas軟件反算梁體的幾何變形進(jìn)行比較.下面分別以N=810kN,900kN,1000kN為例進(jìn)行比較，如表2.2所示.

表2.2 各上頂力作用下跨中截面內(nèi)力值

注：M值以上緣受壓為正，受拉為負(fù)，δs值以受壓為正，受拉為負(fù)；f值以下?lián)蠟檎?，上撓為?fù).

根據(jù)上表可知，在三個(gè)上頂力分別作用下，它們產(chǎn)生的應(yīng)力值都不大，即使產(chǎn)生拉應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C40混凝土的抗拉強(qiáng)度Rt=1.71MPa；而隨著上頂力的增大，梁體的下?lián)现抵饾u減小.當(dāng)N=1000kN時(shí)，梁體底面基本保持在同一平面內(nèi)，并且它產(chǎn)生的拉應(yīng)力δs=0.8MPa

4)裂縫封閉處理.

在對(duì)裂縫進(jìn)行分析完畢之后就需要對(duì)其進(jìn)行封閉處理，處理時(shí)首先將裂縫用工具鑿成10mm×10mm“V”形槽，并清除干凈槽內(nèi)混凝土浮渣、浮土及松散層，在槽內(nèi)均勻涂刷一遍封縫膠后用環(huán)氧膠泥將“V”形槽填充并保證其表面平整.

5)裂縫灌膠處理.

采用粘度小、可灌性好，固化后抗?jié)B性強(qiáng)，收縮變形小，具有一定的抗拉抗壓強(qiáng)度，固化時(shí)間可控的無毒或低毒材料.施工工藝流程如下：

圖2.7 混凝土裂縫壓力注漿法工藝流程圖

(1)裂縫的檢查和標(biāo)注.對(duì)需要處理范圍內(nèi)的所有裂縫性質(zhì)和特點(diǎn)進(jìn)行檢查、分析、記錄和標(biāo)記.

(2)灌漿法施工.將裂縫封閉并預(yù)留出入口，漿液用灌縫器壓入、填滿.

(3)灌漿前對(duì)裂縫周邊處理.采用專用工具將裂縫處及表面附近的浮渣，松散層等清除，再用規(guī)定的有機(jī)溶液，清理其兩側(cè)各25mm左右范圍內(nèi)，完成之后保持干凈、干燥.

(4)粘貼注漿口、封閉裂縫表面.采用規(guī)定粘結(jié)劑粘貼注漿口與裂縫.注漿口的間距根據(jù)縫長(zhǎng)確定，具體情況具體考慮一般都在30～40cm左右，且必須劉志進(jìn)漿口和排氣孔并保證對(duì)中、牢靠、暢通.

(5)裂縫表面封閉.采用采用環(huán)氧膠泥進(jìn)行封閉，保證混凝土裂縫內(nèi)充滿漿體且不會(huì)大量外滲.

(6)壓力試驗(yàn).密封結(jié)束夠，待其密封膠干燥之后，進(jìn)行壓氣試驗(yàn)，防止密封不嚴(yán)，壓氣試驗(yàn)氣壓控制在0.2～0.4Mpa.

(7)灌漿操作.灌漿由低到高進(jìn)行，當(dāng)高位端的灌漿嘴在排出氣體后噴出漿液與壓入的漿液濃度相同時(shí)停止注漿，最后用環(huán)氧膠泥將灌漿嘴處抹平.

(8)質(zhì)量檢查.為保證施工質(zhì)量，作業(yè)后及時(shí)檢查、及時(shí)糾錯(cuò)、及時(shí)補(bǔ)救.

3 結(jié) 語

采用碳纖維材料加固中小型橋涵結(jié)構(gòu)的技術(shù)可以大大的改善小橋涵的破壞形態(tài)，提高小橋涵的開裂荷載、屈服強(qiáng)度以及承載力.工程實(shí)踐表明，采用這種方法加固效果比較好，加固后通道的承載力顯著提高，裂縫閉合作用顯著，具有施工精度高、方便、快捷、簡(jiǎn)單等特點(diǎn).

[1]2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[J].交通運(yùn)輸部縱橫規(guī)劃司，2015

[2]許鶴鳴.碳纖維[M].北京：科學(xué)出版社，1979

[3]網(wǎng)易.美日對(duì)中國(guó)進(jìn)行封鎖：啥材料都不能給中國(guó).網(wǎng)易新聞[OL].2015.5.2

[4]碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2003

The Application of Carbon Fiber Reinforced Small Bridge Culvert Structure Technology

HETeng-fei,ZHAOWen-juan

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075024 China)

Due to the low standard of design load,poor construction level,the management system seriously loose and disrepair,many small concrete bridges in remote and economically underdeveloped areas cannot adapt to the increasing traffic need.The maintenance and reinforcement of carbon fiber reinforced materials can not only save a great deal of investment, but also get a good social benefit.Through the maintenance and reinforcement,the risk of potential safety problems can be reduced,and the highway capacity and traffic capacity can be improved.For some economically underdeveloped provinces and counties,this approach is of certain practical significance.

CFRP;reinforcement;small bridge and culvert

2016-04-21

碳纖維材料在中小型混凝土橋梁維修加固中的研究，2015年度張家口市級(jí)科技計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(1521004B)

赫騰飛(1983-)，男，講師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程.

U 442.54

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