橋梁工程加固中碳纖維片材的應(yīng)用探討
2015-07-23
1. 前言
隨著國家經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，人們對橋梁的要求也不再只停留在滿足使用的層次上，人們追求的橋要在結(jié)構(gòu)上符合力學(xué)要求，外觀上符合美學(xué)需求。于是，新型橋、大型橋一座接著一座“面世”，其結(jié)構(gòu)、外觀也與世界領(lǐng)先水平接軌。在這種情況下我們是拆除所有舊橋去建新橋，還是積極的應(yīng)對橋梁“老齡化”的挑戰(zhàn)呢？答案明顯是后者！于是橋梁加固技術(shù)越來越受關(guān)注。橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)主要有：（1）增大構(gòu)件截面加固法；（2）增加輔助構(gòu)件，如增加混凝土構(gòu)件、增加體外預(yù)應(yīng)力等；（3）粘貼補(bǔ)強(qiáng)材料，如粘貼鋼板、粘貼碳纖維片材等。本文只詳述粘貼碳纖維片材的加固方法。
2. 材料特點(diǎn)及適用條件
碳纖維（CFRP）片材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、易于粘貼、不銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，其中碳纖維布抗拉強(qiáng)度可達(dá)普通鋼材的十倍以上。CFRP片材可用于抗彎、抗剪、抗壓（偏心受壓）及抗震等多種形式的加固。該方法適用于混凝土梁式橋、板式橋的抗彎和抗剪加固。對于配筋率較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的舊橋，加固效果尤為顯著；還適用于混凝土墩柱的抗剪、抗壓補(bǔ)強(qiáng)，抗震延性補(bǔ)強(qiáng)以及地震破壞后的修復(fù)等。相信在四川的災(zāi)后修復(fù)加固會有廣泛的應(yīng)用。
3. 加固類型
?。?）抗彎加固：抗彎加固通常是在構(gòu)件受拉面粘貼CFRP片材，當(dāng)條件不允許時(shí)也可以在構(gòu)件的側(cè)面粘貼。粘貼時(shí)，纖維方向應(yīng)與加固部位的受拉方向一致。通常在CFRP片材端部設(shè)置錨固措施，如U形CFRP壓條等。
?。?）抗剪加固：抗剪加固中CFRP片材的粘貼形式有多種，從纖維粘貼的方向來看，可垂直構(gòu)件軸線或與構(gòu)件成某一傾角，實(shí)際工程中通常取CFRP片材纖維方向與構(gòu)件軸線垂直；從橫截面包裹方式上看，通常有封閉包裹粘貼、U形粘貼、雙L形粘貼和側(cè)面粘貼等；從縱向粘貼方式來看。CFRP片材可裁剪成條帶間隔地粘貼，也可以整片地連續(xù)粘貼。此外，對于U形、L形及側(cè)面粘貼，還可在端部加CFRP片材壓條進(jìn)行錨固。
?。?）抗震加固：采用環(huán)向圍束粘貼對柱進(jìn)行受剪加固，纖維方向應(yīng)與柱軸向垂直。
4. 設(shè)計(jì)及計(jì)算
4.1設(shè)計(jì)原則。
4.1.1混凝土橋梁結(jié)構(gòu)自重大，加固時(shí)不能完全卸載，必須考慮二次受力。
4.1.2承載力極限狀態(tài)的驗(yàn)算中要考慮到可能發(fā)生的各種破壞形態(tài)。通常將破壞模式分為兩大類，即粘貼CFRP片材后能整體工作的構(gòu)件與粘貼CFRP片材后不能整體工作的構(gòu)件，如CFRP片材脫落等。
4.1.3正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算包括：（1）應(yīng)力的限制（2）應(yīng)變的限制（3）開裂的限制。
4.1.4由實(shí)驗(yàn)室條件下得到的經(jīng)驗(yàn)公式必須有科學(xué)的修正安全系數(shù)對這些公式進(jìn)行修正。
4.2抗彎加固設(shè)計(jì)及計(jì)算。
4.2.1基本假定。
5. 工程實(shí)例
5.1工程概況。
該橋全長176m，分新橋和舊橋。上游橋的舊橋建于上世紀(jì)80年代初，全寬7.6m，有11跨，每跨由5片16m的T梁組成。下游橋的舊橋建于上世紀(jì)90年代初，全寬9.03m，分跨同上游橋，每跨有6片16m的T梁。而新橋建于2007年，分布在舊橋兩邊。此次修復(fù)加固只在舊橋中進(jìn)行。舊橋原設(shè)計(jì)荷載為汽-20級，主梁的承載能力只能維持城-B的荷載要求，而下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的承載能力能滿足城-A級荷載要求。
5.2存在的要主要問題。
由于蕉門橋位于交通主干道上，經(jīng)過多年的使用，出現(xiàn)不同程度的破損。抽檢的上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度推定值為31.8MPa～48.3MPa，碳化深度為2.3mm～5.3mm。多個測區(qū)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差大于5.0MPa，表明混凝土強(qiáng)度值離散性偏大；混凝土強(qiáng)度最小值為32.1MPa，測區(qū)內(nèi)混凝土強(qiáng)度平均值的最小值為37.7MPa。該橋測試跨在基本試驗(yàn)荷載下，部分指標(biāo)不滿足《試驗(yàn)方法》和《橋規(guī)》的要求，實(shí)測值與理論值相差較大，表明結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)較差，主梁最大裂縫達(dá)0.40mm，超過規(guī)范容許值的100%。因此該橋部分橋跨在整體受力性能上不能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。
5.3加固設(shè)計(jì)方案及相關(guān)計(jì)算。
5.3.1對舊橋病害進(jìn)行修復(fù)，主要加固內(nèi)容如下：
?。?）橋梁結(jié)構(gòu)表面病害處理：裂縫修補(bǔ)，露筋除銹，破損修補(bǔ)，梁體麻面修復(fù)；
?。?）對T梁梁體進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固：粘貼碳纖維布和碳纖維板，張拉體外預(yù)應(yīng)力；
?。?）附屬部件修復(fù)；
5.3.2加固計(jì)算。
5.4粘貼碳纖維布加固。
5.4.1施工工藝。
A.混凝土表面清洗，破損部位修復(fù)。
B.首先清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、碳化等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并用修復(fù)材料（環(huán)氧膠泥）將表面修復(fù)平整。
C.對裂縫進(jìn)行灌縫處理。此處采用壓灌改性環(huán)氧樹脂溶液來對裂縫進(jìn)行修復(fù)。
D.被粘貼混凝土表面用打磨機(jī)打磨平整，除去表層浮漿、油漬等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。
E.最后將混凝土表面清理干凈并保持干燥。
5.4.2表面處理及磨平：
在混凝土表面清洗完后，如有不平處就進(jìn)行找平處理。找平材料（環(huán)氧膠泥，也可用M20水泥砂漿）干燥后還要再次進(jìn)行打磨工作。因此，這個步驟并不是上步的重復(fù)。梁體表面平整工作是相當(dāng)關(guān)鍵的，因?yàn)樘祭w維布只在纖維方向抗拉能力強(qiáng)，而受折時(shí)就很脆弱。因而，若梁體表面不平整，就會使碳布的個別部位應(yīng)力集中。輕則導(dǎo)致受力不均，重則致使碳纖維布破損，從而大大降底承載能力。 5.4.3涂刷底膠：
底膠并不是用來使碳布和梁體粘結(jié)的膠，是為了使碳布和梁體能更好的粘結(jié)而刷的。等底膠指觸干燥后還要刷結(jié)構(gòu)膠，或稱浸漬膠粘劑。所以說在這里要涂兩層膠，且理論上兩層膠是要按廠家提供的工藝分開配制。涂刷底膠時(shí)要均勻涂抹，不得漏刷、流淌或有氣泡產(chǎn)生。
5.4.4粘貼碳纖維布：
這一步是關(guān)鍵，粘貼質(zhì)量直接影響加固質(zhì)量。所以要嚴(yán)格按照規(guī)范操作。
（1）按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。
?。?）按生產(chǎn)廠家提供的工藝條件配制結(jié)構(gòu)膠粘劑，并均勻涂抹于待粘貼部位。
?。?）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，使膠液充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。
?。?）多層粘貼時(shí)重復(fù)上述步驟，并應(yīng)在纖維表面的結(jié)構(gòu)膠粘劑指觸干燥時(shí)立即進(jìn)行下一層粘貼。
?。?）在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹結(jié)構(gòu)膠粘劑。
5.4.5粘貼碳纖維板：
（1）按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維板，并按生產(chǎn)廠家提供的工藝條件配制結(jié)構(gòu)膠粘劑。
?。?）將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵。粘貼兩層時(shí)，底層碳纖維板的兩面均須擦拭干凈。
（3）擦拭干凈后立即涂刷結(jié)構(gòu)膠粘劑，膠層中央應(yīng)呈拱起狀，平均厚度不小于2mm。
?。?）將涂有膠液的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使膠液從兩邊擠出，保證密實(shí)無空洞。當(dāng)平行粘貼多條碳纖維板時(shí)，兩條板帶之間的空隙不應(yīng)小于5mm
?。?）粘貼兩層碳纖維板時(shí)，理論上要連續(xù)粘貼。當(dāng)不能立即粘貼時(shí)，再開始粘貼前要對底層碳纖維板重新進(jìn)行清理。
5.4.6施工注意事項(xiàng)。
?。?）CFRP片材為導(dǎo)電材料，施工CFRP片材時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電氣設(shè)備及電源，或采取可靠的防護(hù)措施。
?。?）施工過程中應(yīng)避免CFRP片材的彎折。
?。?）CFRP片材配套膠粘劑的原料應(yīng)密封儲存，遠(yuǎn)離火源，避免陽光直接照射。
（4）膠粘劑的配制和使用場所應(yīng)保持通風(fēng)良好。
（5）由于碳纖維布對光比較敏感，所以要采取相應(yīng)的避光措施。具體的作法是：CFRP片材儲存時(shí)應(yīng)避光；在粘貼完成后還要涂刷一層避光材料以起保護(hù)作用。
5.4.7檢驗(yàn)與驗(yàn)收。
（1）在開始施工之前，確認(rèn)CFRP片材及配套膠粘劑類粘貼的產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品質(zhì)量出廠檢驗(yàn)報(bào)告，各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)符合要求。
?。?）采用CFRP片材及配套膠粘劑類粘結(jié)材料對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)時(shí)，要嚴(yán)格按施工工藝及流程的有關(guān)條款進(jìn)行各工序隱蔽工程檢驗(yàn)與驗(yàn)收。如施工質(zhì)量不能滿足施工工藝及流程的有關(guān)條款要求時(shí)，立即采取補(bǔ)救措施或返工。
?。?）CFRP片材與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量，是用小錘輕輕敲擊或手壓CFRP片材表面的方法檢查，總有效面積不應(yīng)低于95%。當(dāng)碳纖維布的空鼓面積不大于10000mm2時(shí)，可采用針管注膠的方法進(jìn)行修補(bǔ)。當(dāng)空鼓面積大于10000mm2時(shí)，宜將空鼓部位的CFRP片材切除，重新搭接并粘貼等量的CFRP片材，搭接長度不應(yīng)小于100mm。
?。?）CFRP片材的實(shí)際粘貼面積不應(yīng)少于設(shè)計(jì)面積，位置偏差不應(yīng)大于10mm。
6. 結(jié)語
總的來說，粘貼CFRP片材以加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)還是相對較新的。粘貼CFRP片材加固混凝土橋梁，對于配筋較低或鋼筋銹蝕嚴(yán)重的梁、板進(jìn)行抗彎和抗剪加固，可以取得很好的效果，對于配筋率較高的梁、板，僅采用粘貼CFRP片材加固往往達(dá)不到要求的加固效果，此時(shí)可以考慮采用混合加固法。而對于混凝土墩柱，粘貼CFRP片材進(jìn)行抗壓或抗震加固效果顯著，對震后墩柱的修復(fù)也有較好的效果。
