碳纤维布加固现浇板桥

碳纤维布加固现浇板桥

２００５年 四川公路设计院 郑远鹄 吴士东晨光化工研究院 王 洪 杨旭明 摘要 碳纤维（GFRP）是一种高强度、高性能的新材料，碳纤维布加固桥梁和混凝土结构，是近年发展起来的一种高新技术。它性能优良，质量可靠，施工便捷，设备简单，不损伤梁体，不增加构件重量，不留加固痕迹造价相对较低。本次通过设计、化工、科研、施工各方的密切合作，成功地将这一新材料、新技术运用于隆纳高速公路桥梁加固，掌握了全套加固技术。
 一、 概况 隆纳高速公路主线K70±340和匝道AKO±838.38两座桥，均为跨径13米的纲筋混凝土板桥，梁高55厘米，桥梁总宽分别为33.9米和25.75米，每桥由独立的两幅组成，幅宽为20.73米、13.17米、13.47米、12.28米。该两桥原设计为预制安装钢筋混凝土铰接板桥，后因施工条件变化，改为分幅全宽现浇钢筋混凝土体板桥。铰接板改为整体板后，横向钢筋仍按原铰接板中构造箍筋φ8设置。 结构改变后，板宽大于或等于板跨，除纵向内力外，还产生了板内横向变距，而横向钢筋太弱，就形成了大量纵向裂缝，需进行横向加固和封闭裂缝。 二、修复方案的选择 本桥所处路段当时尚未正式通车，要拆除重建也是一种补救措施，但业主基于社会影响，工期和造价，选择了原桥加固的方法。 根据该桥情况，有3种修复加固方法可供选择：
1、横向预应力加固 本桥两侧边缘钻孔或粘锚预应力锚头（锚座），用于粘结或有粘结预应力钢铰线进行横向张拉，然后对锚头和有粘结预应力钢绞线用砼封包，并进行裂缝封闭。 此是一种主动性的加固方法，它可以减少和消除板梁中前期已形成的横向应力，改善梁体应力状态，加固效果良好。缺点是该法要在梁体上钻孔、打洞、凿毛、植筋，对梁体和受力钢筋有一定伤害，同时在梁底形成外露无粘接筋或混凝土肋，加固痕迹明显，有损梁体美观；该法加固工作量也较大。
2、粘贴钢板法 在梁底和加强钢板上钻孔，将抗剪螺栓置入梁底钻孔，通过钢板与经严格处治的梁底间的树脂粘剂和螺栓对钢板加压，使加固钢板与梁底面粘为一体，从而达到加固的目的。 此方法旨在改善和减小后期活载受力，对前期已产生的恒戴内力无作用。 此方法所需材料采购方便，不需埋置预应力锚具和进行预应力张拉，但此法梁体钻孔极多，且须与钢板钻孔一一对应，难度较大，对原梁体结构有所损伤，且加固痕迹显著，特别对于刚落成桥梁，有损业主形象。
3、粘贴碳纤维（GFRP） 在经除去浮浆、打磨和整平的梁体表面，用树脂类粘结剂横桥向粘贴碳纤维布，从而达到修复加固的目的。 碳纤维布（GFRP）是一种高强度、高性能的新材料，用它加固梁体，不钻孔、不植筋、不需特殊设备、不增加梁体重量，施工便捷、质量可靠、封闭性能尤佳，除色泽微偏黑外，不留其它痕迹。业主接受了此种加固方法。
三、碳纤维加固材料性能
1、碳纤维布 本项目所用碳纤维布为连续纤维单向排列的布状碳纤维制品，厚度0.1毫米、宽度100毫米，其基本物理力学指标如下表： 表1 碳纤维布基本力学指标 *注：本工程采用该碳纤维布。 碳纤维材料是一种具有独特的化学结构的高分子聚合物，它具有优异的抗拉强度和位伸模量，其单层（100毫米宽）碳纤维复合材料的极限抗拉力可达32KN，满足了桥梁加固修复的结构要求；同时，由于其独特的化学结构，它具有不燃烧、耐腐蚀和使用寿命长的特点，极适宜于桥梁、高层建筑的结构加固。 本次工程采用的碳纤维材料，出厂检验指标：拉伸弹性模量272Gpa/0.1mm，拉伸断裂载荷4.5KN/层·10mm、拉伸伸长率1.73%。抽样自检指标：拉伸断裂载荷5.74KN/层·10mm（含胶粘剂部分强度）。
2、粘结剂及复合树脂 本工程采用晨光化工研究院研制的系列建筑结构粘合剂及施工工艺，根据不同部位、不同作用、不同气候、不同情况，选用不同型号产品。性能指标见表2。 表2 胶粘剂的性能指标 碳纤维复合材料加固修复砼结构，胶粘剂的选择和使用是非常重要的。碳纤维能否充分发挥出应有的力学性能，能否紧密地与砼表面贴合和传递所受的应力，能否与碳纤维材料相容并形成稳定高强的复合材料，与胶粘剂的品种和综合性能关系甚大。胶粘剂除了应具有较高的力学性能外，不同用途的胶粘剂还应具备不同的特点：如底胶应具备较低的粘度，通过毛细作用渗透到砼结构中，形成“爪”式粘接结构；找平胶应具备良好的触变性；最主要的粘碳纤维胶，不仅要具有好的渗透性以利于浸透碳纤维，同时还应具有一定的初粘力，以防碳纤维布塌落而形成空洞或空隙，另一方面，由于碳纤维布粘贴加固是由多种胶粘剂共同作用而成，不同的胶粘剂之间的闲亲和力或相容性必须良好。总之，对于胶粘剂而言，其粘接强度（包括粘接拉伸强度，剪切强度等）的指标是最主要的。 表3 几种胶粘剂相互粘接力性能 胶粘剂自检测试，TH81抗拉强度55.5Mpa，抗压强度67Mpa，剪切强度21.2Mpa（钢～钢）；TH71-1剪切强度20.4Mpa（钢～钢）；TH81-1粘接拉伸强度45.1Mpa，剪切强度31.9Mpa（钢～钢）。 四、施工工艺 本工程施工工艺见图1，施工流程示意图： 五、碳纤维布加固的评述
1、碳纤维布加固与钢板加固效果相同，它不能主动去改变结构前期受力，但可与原结构共同承担后期恒载和活载，满足结构受力需要。
2、粘贴碳纤维布加固是一种新型、高效的结构修复加固技术，它高强、高效，对结构无损伤，外观无影响，荷载不增加，适用范围广，施工便捷、质量可靠，深受业主们的喜爱。
3、粘贴碳纤维布能改善裂缝分布状况和裂缝宽度。试验证明，粘贴碳纤维布后，裂缝间距减小，变密、变均匀，裂缝宽度减窄。这是结构者所期望的。
4、碳纤维布封闭性能优良。特别是本工程所采用的性能优良的TH系列封缝粘合结构胶形成的复合材料，具有很高的强度的封闭性能，不会在结构破坏前开裂，其牢固地罩在结构表面，防止有害气体和物质腐蚀钢筋。 本次是对纵向裂缝进行加固，但同时对横向裂缝起到了封闭作用，保护了纵向受力主筋。 本次加固的两座小桥粘贴面积690平方米，施工工期一月，全面实现了业主意图和工期要求，已于二OOO年十一月通过业主、质检、设计、施工、监理组织的质量验收，获得各方一致好评。