浅析粘贴碳纤维布在装配式中小桥涵梁板病害加固中的应用

浅析粘贴碳纤维布在装配式中小桥涵梁板病害加固中的应用

蔡承志

蔡承志福建省第二公路工程有限公司福建福州350007

摘要：桥涵病害是一个常见问题，时刻关注到人民的生命安全，需要对其加固进行研究。在我国，装配式中小桥涵加固技术在病害诊断、方案选择、加固设计方面存在着许多不足，文章仅对装配式中小桥涵梁板病害加固进行研究，为广大施工工作都提供借鉴，以保证装配式中小桥涵的稳定。

关键词：粘贴碳纤维；装配式；中小桥涵；梁板病害；加固

装配式中小桥涵由于其适用范围广、施工效率高、材料选用便捷、总体成本较低，在我国得到了广泛的应用，但随着交通量的、单车承载量的增大，装配式中小桥涵的病害逐渐显现，出现了空心板、桥梁铺装、铰缝、桥面桥梁等诸多类型的病害，文章在深入研究梁板病害发生、发展的情况下，对中小桥涵梁板粘贴碳纤维布加病害加固方式进行探究。

1粘贴碳纤维布概述

板桥主梁的病害主要表现在板底出现各种裂缝，裂缝问题是工程界最关心的课题之一，因为裂缝的出现牵涉到结构外观的破损、力筋的腐蚀及结构功能的丧失等各方面。结构的破损和倒塌大多也是从裂缝的扩展开始的，所以人们对裂缝往往产生了一种破坏前奏的恐惧感。从近代强度理论的发展中可以看到，裂缝的扩展是结构破坏的初始节点，应引起高度重视。因此，对桥梁结构的裂缝进行分析是很有必要，也是很有意义的。

从广义上说，裂缝是固体材料中的某种不连续现象，在学术上属于结构材料强度理论范畴。桥梁结构的裂缝是因为结构材料的物理力学特性或荷载作用，而使得结构的某些部位所受的应力大于结构自身的抗力而宏观的表现为裂缝。

装配式板桥的裂缝主要表现为板底横向裂缝。集中在这一区域的为受力裂缝，主要是由于行车道铺装层破坏，铰缝构造失效后，荷载横向分布不均匀使单板受力过大并开裂。在其它区域也出现宽度在1mm以上的裂缝，这些裂缝不是由活载引起的，而是在施工过程中，由于混凝土早期强度低及吊装不当引起的。

碳纤维加固适用于受弯加固、受剪加固和围束加固等，以提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受拉构件的轴向抗拉承载力，提高构件的刚度以及延性等，同时，还可用于控制混凝土构件裂缝宽度的发展及已有裂缝的封闭。用碳纤维加固板桥属受弯加固。加固时，在板桥的受拉区粘贴碳纤维，纤维方向与加固处的受拉方向一致，同时，碳纤维两端应有适当的粘结延伸长度。采用碳纤维布粘贴加固后梁的开裂荷载变化较小，极限承载力有较大程度的提高，是一种比较可行的简易方便的加固方式。

纤维加固混凝土梁是由混凝土、粘贴于梁受拉侧的碳纤维材料以及梁和碳纤维之间的粘结胶层构成的一个复合体系。在这个体系当中，混凝土梁依然是受力的主体，碳纤维协助混凝土梁内的钢筋受力，而粘结胶层起到这两者之间力的传递作用。碳纤维片材端部，粘结界面应力存在较大的集中，当正应力和剪应力组合后超过胶层粘结强度或混凝土的抗拉强度时，就会发生碳纤维端部的剥离破坏。粘结界面应力受到粘结胶层的厚度、刚度以及碳纤维厚度和截断点位置等因素的影响。

采用碳纤维加固桥梁构件时，碳纤维片的抗拉强度，弹性模量等性能指标必须符合设计规定和产品标准，粘结剂要有足够的粘结性能，施工过程中各部位使用的环氧树脂胶结料的种类、型号，应根据施工时的温度、湿度进行选择，并要正确掌握主剂和固化剂的配比，使渗透性、粘稠度、固结速度等方面能满足不同季节施工的需要。

2碳纤维加固的主要特点

作为一种新型高效的加固技术，与传统的加固方法，如豁贴钢板和喷射混凝土等加固技术相比，纤维片板材加固修复钢筋混凝土结构具有明显的优点：

l、常用的CFRP片材的密度为l750kg／m3，常用CFRP材料的比强度(抗拉强度／密度)大于1.5，而HRB400钢筋的比强度大于1.5，仅为CFRP片材的1/30～1/40。因此，与其他加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载和断面尺寸，不影响结构外观，不减小桥下净空。

2、该法施工简便，功效高，没有湿作业，不需要大型设备，不受空间限制，可以不中断桥面交通，且因碳纤维布的随型性极强的特点，可以适应不同构件的各种形状，板材可以根据加固构件的具体尺寸定制，也可以自行任意裁剪，无需裁剪钢板一样的专用切割工具。

3、加固时碳纤维布通过环氧树脂等粘结材料与原有构件有效粘结，不需设置锚栓及凿开混凝土等，不会损伤原构件。

4、由于碳纤维FRP材料具有优异的物理力学性能，因而在加固修复钢筋混凝土结构中可以充分发挥其高强度、高弹性模量等特点来提高钢筋混凝土结构的抗弯、抗剪等性能。

5、碳纤维布粘贴在混凝土表面，能有效封闭混凝土表面的裂缝，并能约束混凝土

结构裂缝的生成与扩展。

6、耐腐蚀性。试验表明，由于材料本身具有良好的耐腐蚀性能，因此加固后构件可以有效的抵抗酸、碱、盐引起的腐蚀，同时也免去了豁钢加固所需的定期防锈维护，节省了人力物力。

但是，碳纤维加固也存在一些缺点，主要表现为对结构表面平整度要求较高，且加固费用较高，施工专业化程度高。虽然它目前的材料价格有点偏高，但在考虑各项综合因素后，它仍是一种值得采用的加固方法。

3碳纤维加固机理

钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料之所以能有效结合在一起共同工作，主要的受力机理为：

1、钢材与混凝土有良好的粘结力，能够在受力后共同变形。

2、钢材与混凝土良好的化学相容性。因为在混凝土中具有一定的碱性性质，故不会使钢筋发生腐蚀，且由于钢筋被包裹在混凝土之中，更使钢筋有了一个可靠的保护而不致被腐蚀。

3、钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度，这是钢筋混凝土结构受力的基本机理，一般两者之比n=Eg／Eh≈10～15。

4、钢筋和混凝土具有相近的温度线膨胀系数，不会由于温度变化产生较大的温度内应力而破坏两者之间的粘结。

碳纤维材料的抗拉强度虽然很高(约为钢筋的10倍)，但是其弹性模量与钢筋相近，所以具有了以上一些与混凝土材料相容的材料特性，故将碳纤维材料应用于桥梁加固方面，是具有充分理论根据的。

从钢筋混凝土的使用经验来看，碳纤维用于混凝土的加固上不会有搭配问题，因此可用于弥补钢筋混凝土内钢筋抗拉不足的部分。同时，正如钢筋与混凝土之间的握裹一样，碳纤维借助胶黏剂与混凝土结合，其结合强度大于混凝土本身的抗剪强度，故可加强混凝土强度，并与碳纤维密切结合，有效传递剪力，使碳纤维与混凝土结合成一体，达到补强效果。

但是，纤维片材加固钢筋混凝土梁的主要破坏模式为剥离破坏，主要有两种形式：纤维片材端部剥离和中间裂缝引起的剥离破坏。剥离破坏是一种脆性破坏，一旦纤维片材开始剥离，梁很快就会达到破坏状态，破坏突然没有明显的预兆。因此，应对此加以重视。

4碳纤维用量计算

分析梁板的破坏特性可知，在极限状态下，受拉钢筋屈服、破坏由碳纤维布拉断诱发。参照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中抗弯设计计算的基本原理，并结合碳纤维的弹性模量与钢筋基本相等的事实，作如下计算假定：

1、混凝土梁受弯后，变形规律符合平面假定；

2、钢筋为理想弹塑性材料；

3、混凝土的应力一应变关系采用《结构设计原理》的关系式，在极限状态下，受压区混凝土应力等效为矩形应力块，抗压强度仍采用；

4、忽略混凝土的抗拉强度；

5、在极限状态下，碳纤维的应力达到抗弯设计强度。

根据以上假定，受弯构件正截面承载能力计算图式如图1所示。

图1受弯构件正截面承载能力计算图

图中，Md为受弯构件计算截面上的最不利荷载效应计算值，不应超过截面承载能力(抗力)Mu。rc、rs分别为混凝土和钢筋的材料安全系数。计算时取用rc=rs=1.25。fCF为碳纤维的抗拉设计强度，碳纤维的安全系数采用rc。

由截面平衡条件∑X=0，得混凝土受压区高度X满足的公式为：

由截面上对受拉钢筋合力T作用点的力矩之和等于零，可得：

故可得碳纤维的用量计算公式为：ACF=As（Rg/fCF）

5粘贴碳纤维施工工艺

碳纤维粘贴加固施工中，碳纤维材料的粘贴工艺十分重要，碳纤维加固法的一般施工流程为：施工前的准备工作→混凝土表面的处理→清洗基面→配置底层树脂并涂刷→配置找平材料并整平→配置浸渍树脂并涂刷→粘贴碳纤维布→罩面防护处理。

在碳纤维加固施工过程中，要注意以下几个方面：

l、被加固构件的基面应平整且具有一定强度，一般基面混凝土强度不低于C15。

2、加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于l00mm，且搭接端部应平整无翘曲，多层搭接的各层接口位置不应在同一截面，每层接口位置的净距宜大于200mm。

3、应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性。

4、粘贴施工应在气温高于5℃且为晴天时进行。

5、施工人员应注意保护，施工现场应做好防火等安全措施㈣。

6纤维加固技术的工程应用

某立交桥修复补强：桥梁全长1080m，桥宽18m，跨径20～35m，上部结构为T型梁。由于交通量大等多种因素，桥面损坏严重，边梁腹板下缘的钢筋多被腐蚀，混凝土脱落，桥梁正负弯矩区均有明显的裂缝。考虑该桥位于市内交通要道，维修的工程量大，梁体裂缝损坏分布的面广，又须与桥面翻修同进行，工程必须在短期内完成等诸多因素，对梁体及下部结构的维修均采用了碳纤维布修补的方案。对裂缝严重、密集的部位，将裂缝注环氧树脂修补后，贴1～2层TXD-C-20型碳纤维布，帽梁及墩柱裂缝严重处采用碳纤维布粘贴，起补强作用叉起封闭作用，防止裂缝进一步扩展，延长结构的使用寿命。

7结论

绝大多数文献均为对完好无损的矩形实心截面或T型截面简支钢筋混凝土粱进行外贴碳纤维布的加固试验与理论分析。但是在实际工程中混凝土构件只有在损伤开裂后才进行加固，而且现有桥梁大部分均为空心构件，完全借用关于CFS加固矩形实心梁或T型粱的研究成果来描述CFS加固混凝土空心构件的弹塑性行为将会产生偏离实际的结果，鉴于此，对于损伤后空心构件的加固效果研究成果有如下几点：

(1)空心板粘贴碳纤维布加固后，受弯承载力显著提高，极限受弯承载力提高了12％～18％，抗弯承载力提高的程度随着加固方式的不同而有些变化，在预裂之后卸载再进行碳纤维布加固的板，其受弯承载力提高的幅度最高(为18％)。

(2)通过挠度对比分析，发现碳纤维布的使用并不能有效提高板的抗弯刚度，加固板的挠度(在未加固板的极限承载力范围内)与未加固板相比相差不大。

(3)对于预裂的加固板，在二次加载初期，碳纤维布能很好的阻止原先裂缝的扩展，随着荷载的增大，加固板相比未加固板的裂缝更加密集，说明了CFS的加固效果明显，延缓了裂缝的发展，改善了板的受力状态，有效的分散了应力，从而应力分布更加均匀，使裂缝的数量增加而宽度减小，提高了空心板的极限承载力。

参考文献：

[1]傅荣华.碳纤维布加固施工工艺及质量控制[J].公路,2004,11.

[2]阎宇峰.碳纤维布加固体系构造及施工工艺[J].山西建筑,2008,(2).

[3]3TGD62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].