碳纤维单向布加固砼技术在旧桥改建中的应用

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一、概述 
    碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%。此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短和耐久性好等特点。 
    美国、日本等国于二十世纪八十年代开始进行实验研究，目前已经大量使用此技术。据有关资料统计，仅日本1997年用于加固修复的碳纤维布使用量就达70万m2。我国近两年来，科研单位和院校在这方面的研究和应用做了大量工作，生产出一系列的碳纤维复合材料，使工程降低了费用，同时也取得了较成熟的设计方法和施工经验，为广泛推广该技术创造了有利条件。 
    二、立交桥改建工程设计简介 
    健翔立交桥位于北京的北四环路与八达岭高速路相交处，于1998年建成。桥梁上部结构为6跨、L＝18m预应力砼简支梁。中央设隔离带，两侧为双向机动车道，两外侧为非机动车道，全宽55m。随着城市交通量的增长，立交桥现有的宽度已不能满足交通量的需要，为确保四环路成为城市快速路，需将现况桥梁向南、北两侧拓宽至72m，将现两外侧的非机动车桥改建为辅路桥，并新建非机动车桥。现况桥上部结构主梁和中墩盖梁，对应机动车道部分的荷载均按汽车—超20级、挂车—120设计，而对应非机动车道的上部结构主梁和中墩盖梁荷载均按汽车—15级、挂车—80进行设计，并且改建为辅路桥后要求荷载均为汽车—超20级、挂车—120。现非机动车桥的主梁拆除更换，但各中墩盖梁的机动车和非机动车中间未断开，为三跨一联的变截面普通钢筋砼连续结构。 
    经反复核算比较，为尽量减小盖梁正负弯矩区的补强加固工作量，一方面采用了减轻桥梁自重措施，将砼桥面改为轻质(容重为19KN/m3)砼桥面，另一方面加宽中墩盖梁下墩柱宽度，盖梁的正负弯矩及剪力均相应减小，这样对应机动车部分盖梁的现钢筋配置可满足设计要求，而对应辅路(现非机动车桥)部分盖梁按现配筋其应力与设计要求相差10～15%。为节省工程投资，且根据现四环路交通不允许中断的情况，经有关部门批准，确定将全桥的5排中墩盖梁的20个正负弯矩区进行补强加固处理，全桥盖梁加固面积395m2，其具体加固位置见图。 
    三、加固方案和材料的选定 
    1、加固方案的选定 
    各中墩盖梁原设计为隐形盖梁给加固工作带来较大的困难，最早提出采用喷射钢纤维砼和外包钢板的加固方案，因主梁梁端在跨间处距盖梁外侧面仅5cm，经计算比较与施工空间的限制上述两方案可行性较小，最后确定选用碳纤维复合材料进行补强加固。碳纤维布的极限抗拉强度高于普通钢筋的10倍以上，而弹性模量也与钢筋相近，较适合于钢筋砼结构的补强加固工程。另外施工简便，适用于要求施工周期短的加固工程。 
    2、材料的选定 
    近二、三年来，我国引进了美国、日本生产的碳纤维复合材料，进行了一些工程的加固，并取得了较好效益，但费用高影响推广应用。近期由于国产化系列的碳纤维复合材料的出现，为该工程材料的选用奠定了基础。经比较采用北京铁华大众科技发展有限公司的碳纤维布和配套树脂，其中碳纤维布采用的是国外进口优质丝，质量可靠稳定，费用较低。产品通过国家级质检部门的严格检验，各项性能指标已达到国外同类产品的水平。下面是碳纤维单向布和配套树脂的规格及与日本同类产品(日铁系列指标)性能对比结果(见表1～5)。 
    碳纤维单向布性能对比表 2 
    碳纤维单向布的规格表 1 
    CFC 日铁FTS 测试方法 
    牌号 单位面积碳纤维布的质量g/m2 拉伸强度 MPa 3730 
    3930 
    4050 3400 非标 
    CFC?20 200±10 拉伸模量 GPa 235 230 非标 
    CFC?25 250±10 抗剪强度 MPa 11?4 非标 
    CFC—30 300±10 粘结强度 MPa 2?56 JIS K5400 
    注：用于加固补强 
    表面处理树脂性能对比表 3 
    SE 日铁FP—NS 方法 
    粘结强度 MPa 2.2 2.9 JIS K5400 
    注：用于被加固砼结构的表面处理 
    修平树脂性能对比表 4 
    浸渍树脂性能对比表 5 
    IE 日铁FE-E3P 方法 
    RE 日铁FE—2 方法 拉伸强度 MPa 57.5 29 JIS K7113 
    压缩强度 MPa 76 34 JIS K7208 拉伸模量 GPa 93.1 39 JIS K7203 
    抗剪强度 MPa 14.3 9.8 JIS K6850 抗剪强度 MPa 85.1 JIS K7208 
    粘结强度 MPa 2.1 2 JIS K5400 粘结强度 MPa 15.5 9.8 JIS K6850 
    注：用于砼结构表面修平 注：用于碳纤维布的粘贴、浸渍，使其与砼结合成为一个牢固整体 

    通过采用上述碳纤维复合材料对钢筋梁、板和柱等构件进行补强加固前、后不同类型的力学性能试验研究，以及对施工环境条件、施工工艺的防护层的探讨和研究，并经过反复的实验与检验证实产品质量稳定、优良，并在航天、航空和军事方面得到应用，现以批量生产。
    四、施工工艺 
    为确保受弯钢筋盖梁结构的原受力钢筋与加固碳纤维能够同步工作，应该尽量缩短原盖梁钢筋与碳纤维的应力应变的差值，盖梁加固时需考虑卸载措施，这样可推迟将原盖梁结构的钢筋受力转给碳纤维的时间，积极地改善盖梁结构，并使得破坏时原钢筋和碳纤维各自进入极限状态，盖梁的总体强度显著得到提高。盖梁加固时卸载措施：拆除原荷载标准低的主梁→碳纤维布粘贴加固→安装新标准荷载主梁。 
    加固施工工艺 
    1、对被加固砼表面作打磨处理，除去风化层，露出新茬，清除灰尘，保持清洁。 
    2、将表面处理树脂均匀涂刷在待施工的界面上，不得有遗漏处。 
    3、待表面树脂不粘手时，用修平树脂找平基面，做到基面平整无凹陷处。 
    4、待修平树脂不粘手已基本固化后，即可将浸渍树脂均匀涂刷在上面，厚度约3～5mm，不得有过厚、过薄或有遗漏处。 
    5、将碳纤维单向布展开、拉紧，平铺在涂有浸渍树脂的基面上，再用专用工具反复滚压，排除单向布与浸渍树脂间的空气，使单向布完全浸渍于树脂之中，要做到碳纤维单向布平、直，中间无空穴、无气泡。 
    6、第二层及以后单向布的铺设与第4、5二项的操作及要求相同。 
    7、在铺设滚压最后一层单向布后，应做一次最后的压平、整理，并再涂浸渍树脂，厚度约1～2mm。 
    8、加固层完全固化时间约7d，完全固化后即可根据设计要求，涂刷防护及装饰外用面漆。 
    选用的防护层具有优异的抗老化和耐介质腐蚀性能，可在-50℃～120℃温度的环境下长期使用，此材料已在中央电视塔、三峡工程西陵长江大桥等多项重点工程中使用，效果良好。健翔立交桥加固工程自2000年6月上旬开工，2000年7月上旬竣工历时约30天，碳纤维布与梁表面粘结良好，施工质量取得了满意的效果。
    五、加固优点及探讨意见 
    1、碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备，其又很薄不需要较大的空间，尤其是在该工程加固空间紧张的情况下，更能显示这一优越性。 
    2、加固钢筋砼结构，采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的办法，也能取得类似于钢板的同样加固效果，但其结构重量未增加，外表也轻巧美观。 
    3、有极好的耐久性，由于加固只使用碳纤维和配套树脂，因而不会出现生锈，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能，碳纤维布有极好的抗化学作用。 
    4、在健翔立交桥加固工程中使用碳纤维复合材料加固中墩盖梁，经初步计算为工程节省投资约2500万元，减少了施工周期，还解决了施工中不中断交通的难题，取得了较大的经济效益和社会效益，受到了有关单位的好评。 
    5、为促进该项新技术、新材料的快速发展，建议有关单位应尽快组织力量，制定完整的设计、施工、质量检验和验收标准等技术规范。 
    综上所述，粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋砼结构行之有效的方法，值得推广应用。