对碳纤维加固桥梁应用技术的探讨

对碳纤维加固桥梁应用技术的探讨 对碳纤维加固桥梁应用技术的探讨 摘要：碳纤维材料加固具有快捷，有效，方便的特点。本文详细介绍了碳纤 维材料加固的优势和试验方法，并结合工程实例进行桥梁加固维修。 关键字：碳纤维；加固；桥梁 碳纤维材料加固修复混凝土结构技术是近年来发展起来的一项新型结构加固技术，是指在构件表面粘贴碳纤维材料，使碳纤维与混凝土牢固地粘结在一起并共同工作，达到加固结构，提高结构承载力和抗震性能，修补构件缺陷的目的。被广泛用于桥梁加固。 1 碳纤维材料的性能优势 碳纤维材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP）加固混凝土结构技术是一种新型、高效的结构加固技术。工程中采用的碳纤维加固混凝土结构技术是利用树脂胶结材料，将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，以达到结构加固补强及改善结构受力性能的目的。与传统的加固方法相比，碳纤维加固技术具有以下性能优势。 （1）高强度、高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10倍，弹性模量和钢材相近。因此，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到加固修补的目的。 （2）抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性， 解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题； 同时也免去了粘钢加固所需的定期防锈维护，节省维护费用。 （3）热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于0。这一特性是目前其他任何材料无可比拟的， 垂直于纤维方向的热膨胀系数虽然比较大， 但各向同性制品与其他材料相比又最小。 （4）施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以根据设计尺寸将其任意裁剪，操作简单，施工速度快。据有关资料统计，粘贴碳纤维的加固工效是粘贴钢板加固工效的48倍。 （5）施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95以上。 （6）对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。 2 试验过程 试验尺寸及配筋见图1、图2.混凝土的设计标号为C25, 受拉主筋为10的II级螺纹筋, 抗拉强度为340 MPa, 箍筋为I 级光圆钢筋, 设计强度为240MPa。加固所使用的碳纤维布性能指标如表1。 图1 试验T 梁尺寸图 图2 试验T 梁配筋图 表1 碳纤维布的性能指标 2.1 加载方法 试验对梁采用两点对称加载的方式, 在两个对称集中荷载之间形成纯弯段，这样有利于观察分析受弯构件在加载各阶段的应变、变形及裂缝开展等情况。试验采用逐级加载,开裂荷载由梁底应变片测值和刻度放大镜观测裂缝相结合的方法确定。 2.2 测点布置 试验测试的主要内容是控制截面的挠度、应变和梁裂缝的观测. 挠度的测点选在1/4 跨、1/2 跨、3/4 跨,以便测出挠曲变形的特征曲线, 试验所用仪器为机电百分表。混凝土的拉压应变、钢筋应变和纤维应变通过应变片测量, 应变片布置见图3。 图3 测量仪器布置图 2.3 测量过程 在每级加载完成后, 由千斤顶上的传感器测出当前的荷载值, 由静态数据采集仪自动扫描获得各测试截面挠度值, 混凝土应变值以及钢筋、纤维布的拉应变值。 当梁底开裂后, 用刻度放大镜对裂缝的开展做观察, 记录裂缝条数、开裂宽度、高度、开裂的形状等.对各片梁进行记录初始荷载P0, 记录挠度、应变值。待各测值稳定后, 梁底已明显有裂缝开展,且趋于稳定, 然后按操作粘贴碳纤维布养护7d 后, 继续加载直至破坏。 2.4 试验结果及分析 (1) 通过对各梁跨中截面上应变测点值的分析, 可以看出各级荷载作用下, 截面上应变较好的符合线性分布规律. 从图4、图5 可以看出, 当荷载步增加, T梁中和轴不断上升。荷载接近极限荷载时, T梁下部受拉区混凝土 开裂严重, 应变片被拉断. (2) 5片T梁的试验结果可以看出，T5 的屈服荷载略小于T2, 这是因为在初始荷载的作用下, 梁底已经开裂, 混凝土和钢筋已经有了初始应变, 同T2梁相比, 碳纤维布的应变小于粘贴表面混凝土的应变, 这被称为应变滞后现象。应变滞后使碳纤维布在加固后的加载前期未充分参与工作, 因此对屈服荷载提高程度减小了。但对于极限荷载的影响却很小, 因为对碳纤维布加固后的钢筋混凝土T梁, 很难发生受压区混凝土破坏, 一般都是碳纤维被拉断或与混凝土的剥离破坏, 而这种破坏与初始荷载的关系并不密切。 图4 T2梁应变分布 图5 T5梁应变分布 4工程应用 某桥梁位于市区，修建于80年代，桥全长152.50m，桥面净宽-12+22.0m人行道。设计荷载汽车-15级、挂车-80。由于经济发展，交通量增长迅速，以及汽车的撞击，桥梁不同部位出现了裂缝，主梁挠度增大，桥台支座处出现错位。经过对桥梁的静载和动载试验，得出结论：该桥梁原有设计荷载汽车-15级、挂 车-80已经不能满足现有交通量产生的荷载。根据碳纤维布加固的优越性，决定采用粘贴碳纤维布进行加固。通过加固，使得设计荷载提高到汽车-超20级、挂车-120。有效的提高了桥梁的承载能力，抑制了裂缝的展开。对加固后的桥梁进行静载试验跨中挠度对比如下（图3、图4）。 0 图4 粘贴碳纤维布加固后静载试验挠度图 由图可知，加固后静载试验的桥梁梁1/4 、1/ 2 、3/4处的挠度位移显著减小。 承载力得到提高。 5结论 经理论和试验研究得出以下结论： （1）碳纤维加固技术可以显著提高混凝土梁的抗剪承载力。 （2）碳纤维加固技术可以显著提高混凝土梁的抗弯承载力。 （3）通过粘结碳纤维加固混凝土结构的试验分析和工程应用， 表明碳纤维 加固方法是一种有效的混凝土结构加固技术，与其他传统的加固方法相比较，由于碳纤维具有良好的力学性能，高强高效、材质薄、重量轻、施工简便、耐腐蚀性好等优点，是加固混凝土结构的一种好方法，可以提高加固工程的经济效益和社会效益，值得大力推广，具有广阔的应用前景。 参考文献： 【1】CECS146：2003，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程S. 【2】曹双寅，滕锦光，陈建飞，等.外贴纤维加固梁斜截面纤维应变分布的试验研究J.土木工程学报，2003，36（11）：6-11.