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碳纖維布在橋梁加固工程中的應(yīng)用
2012-03-23 來源:中國百科網(wǎng)
1、引言

   近年來,我國交通運輸事業(yè)迅速發(fā)展,許多現(xiàn)有橋梁已不能適應(yīng)現(xiàn)代交通的需要,這些問題不僅會影響到橋梁的正常使用,嚴(yán)重的還會給國家和人民的生命財產(chǎn)造成威脅。因此,如何采用最經(jīng)濟、合理的加固方案對現(xiàn)有舊橋進行加固,以使其滿足現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范要求,一直是擺在橋梁和材料科學(xué)研究人員面前的一個課題。目前,關(guān)于混凝土橋梁的加固方法主要有:①非結(jié)構(gòu)性加固,如對裂縫進行封閉或壓漿處理等;②結(jié)構(gòu)性加固,如采用體外預(yù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)粘貼鋼板、增設(shè)支撐加大截面等,但這些加固方法工期較長、施工復(fù)雜,有的還需要定期養(yǎng)護。最近幾年迅速發(fā)展的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù),使舊橋加固發(fā)生了根本性的變化。

  2、碳纖維布加固技術(shù)

  2.1碳纖維材料的特點

  碳纖維材料是一種新型的高強材料,最早應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域,國內(nèi)近年來才在土木工程中得到應(yīng)用與發(fā)展。作為一種新型高效的加固技術(shù),碳纖維加固技術(shù)具有如下特點:

  1)與傳統(tǒng)的其他加固方法相比,采用碳纖維布加固法不增加恒載及斷面尺寸,不影響結(jié)構(gòu)的外觀,不減小橋下凈空;

  2)該法施工簡便,操作簡單,可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀,具有隨型性的特點;

  3)通過環(huán)氧樹脂等材料與結(jié)構(gòu)有效粘結(jié),不需設(shè)置錨固螺栓等,不損傷原有結(jié)構(gòu);

  4)能有效地封閉混凝土表面的裂縫,提高混凝土構(gòu)件的整體剛度;

  5)碳纖維布具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性,應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時仍有較長的壽命;

  6)采用碳纖維布加固混凝土構(gòu)件時,可根據(jù)受力需要計算出粘貼層數(shù)。

  2.2碳纖維加固工藝流程及要點

  碳纖維加固結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用碳纖維材料的特性,將碳纖維布粘貼在結(jié)構(gòu)表面,從而起到對結(jié)構(gòu)的加強作用,其具體工藝流程如下。

  2.2.1施工前的準(zhǔn)備工作

  由于碳纖維用膠最適宜的溫度在20~25℃,施工前,每天測量氣溫3次,視氣溫高低,適當(dāng)調(diào)整施工日期。開始施工時,必須先將混凝土表面用砂輪打磨平整,凹陷、缺損處用修補膠補平,U形箍的轉(zhuǎn)角處打磨成R≥20 mm,裂縫須注入環(huán)氧樹脂進行修補,然后用無水酒精或丙酮沖洗混凝土表面,除去表面的粉塵,待表面干燥后方可涂刷粘貼劑。

  2.2.2粘貼碳纖維布

  混凝土表面干燥后,用滾筒或刷子均勻地將粘貼劑涂在混凝土上,粘貼面必須平整、光滑,待粘貼面干燥后方可在其上粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維布時,必須兩人密切配合,一人拉緊碳纖維布,一人用刮板從一側(cè)邊刮邊貼,保證不留氣泡,粘貼緊密。由于荷載主要是通過搭接區(qū)傳遞的,所以應(yīng)注意搭接區(qū)粘貼,做好標(biāo)記,保證搭接長度≥15 mm。碳纖維布粘貼好以后,至少要放置30 min,以保證環(huán)氧樹脂的充分滲透。

  2.2.3養(yǎng)護工作

  碳纖維布粘貼好后,用聚乙烯板等進行養(yǎng)護,養(yǎng)護時間要≥48 h,養(yǎng)護過程中注意不要與施工面接觸。為了保證耐久性,可在表面再涂刷一道粘結(jié)樹脂、粉刷20 mm厚的M15水泥砂漿或噴砂保護,并且力求外觀顏色與原有梁體混凝土顏色一致。

  3、工程實例

  3.1工程概況

  廣州港務(wù)局西基橋建于1985年,全橋長143.5m,設(shè)計活載為汽車-15級,掛車-80。橋面總寬9m,按兩車道設(shè)計。橋面兩側(cè)各設(shè)寬1 m的人行道,人行道下布置水管及高、低壓電纜。上部結(jié)構(gòu)由3聯(lián)連續(xù)板梁組成,各跨跨度均為8 m,共17跨。主梁為空心板梁,沿縱向分為3塊,施工時由濕接縫連接。橋墩采用排架墩形式,大部分橋墩由兩根樁組成,在各聯(lián)內(nèi)有一制動墩,由4根斜樁組成。墩身樁截面為寬50cm的正方形。樁與梁體固結(jié)形成連續(xù)剛構(gòu)。該橋立面布置見圖1。

  

  西基橋建成后,隨著時間的延續(xù)及港務(wù)局的不斷發(fā)展,通行于西基橋上的車輛軸重已經(jīng)遠遠大于橋梁設(shè)計活載汽車-15、掛車-80等級,大橋各部位均出現(xiàn)程度不同的損傷,為了確保橋梁的安全使用及港口的運輸,課題組在對該橋進行了現(xiàn)狀評估、極限荷載確定試驗與研究的基礎(chǔ)上,得出必須對其進行加固處理的結(jié)論,詳細內(nèi)容見文獻。

  3.2碳纖維加固處理方案

   西基橋梁部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),經(jīng)檢測:幾乎每孔梁跨底面均出現(xiàn)了橫橋向分布的裂縫,有的裂縫長達2 m左右,甚至貫通二塊橋面板,裂縫寬度在0.2mm左右。裂縫主要分布在靠近跨中的一段區(qū)域內(nèi),屬于典型的梁底下緣受拉裂縫;部分帽梁底面出現(xiàn)了類似梁跨底面的受拉裂縫。出現(xiàn)此類裂縫是由于:①梁部和帽梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在使用過程中出現(xiàn)此類裂縫不可避免;②西基橋設(shè)計活載等級為汽車-15級,而實際運營活載已遠超過此等級,這是引起此類裂縫寬度較寬的直接原因。考慮到不中斷運營以及施工工藝盡量簡單等因素,采用碳纖維布加固法對橋跨結(jié)構(gòu)及帽梁進行加固。

  3.2.1加固設(shè)計

  在碳纖維布加固設(shè)計中,假定:①受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計;②梁受彎時,混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定;③碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力----應(yīng)變關(guān)系:σсƒ=Eсƒ×εсƒ。

  參考相關(guān)資料,加固方案中碳纖維布所需用量采用下列公式進行計算:

  

  式中:△M——提載前后的彎矩增加量;

  rs——鋼筋安全系數(shù);

  Rg——鋼筋抗拉設(shè)計強度;

  Ag——加固補強所需鋼筋面積;

  h——截面高度;

  x——混凝土受壓區(qū)高度。

  從而可計算得到所需碳纖維布(規(guī)格見表1)截面面積:

  Acf=Ag(Rg/Rcf)

  (2)

  式中:Acf——所需碳纖維布截面積;

  Rcf——碳纖維布抗拉設(shè)計強度。

  3.2.2加固施工

  在確定了加固部位及計算出所需碳纖維布面積之后,按前述施工流程及注意事項組織人員精心施工。為確保施工質(zhì)量,每天施工結(jié)束前必須對粘貼部位進行檢查,若發(fā)現(xiàn)局部空鼓現(xiàn)象,要注膠修補,嚴(yán)重的必須重新粘貼。加固后的橋跨及帽梁布置圖分別見圖2和圖3。

  


  4、結(jié)語

   由于橋梁設(shè)計過程中受遠期規(guī)劃、施工等因素的影響,目前國內(nèi)許多現(xiàn)有橋梁已不能滿足使用要求,需要進行現(xiàn)狀評估、加固處理等。本文在對西基橋整體性能進行了現(xiàn)狀評估的基礎(chǔ)上,提出對該橋跨結(jié)構(gòu)及帽梁進行碳纖維加固處理的方案,既不影響水陸交通,又節(jié)約了施工周期。實踐證明,碳纖維布加固橋梁工程的優(yōu)越性是非常明顯的,在土木工程加固補強中具有廣泛的應(yīng)用前景。
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