碳纤维材料加固小桥涵结构技术的应用

赫腾飞 赵文娟

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075024)



碳纤维材料加固小桥涵结构技术的应用

赫腾飞 赵文娟

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075024)

位于偏远和经济不发达地区的广大混凝土小桥涵来说，因设计荷载标准低，建造水平差、管理制度严重松懈加之年久失修，已经不能适应日益增长的交通量需要.采用碳纤维材料加固技术对其进行维修加固不仅能够节省大量投资，还能获得不错的社会效益，而且通过维修加固，可以降低安全隐患风险，还能提高公路承载与通行能力.

碳纤维材料;加固;小桥涵

我国交通运输部综合规划司在2015年做出的分析公报《2015年交通运输行业发展统计公报》[1]中的数据，中小型桥梁占到了桥梁总体的90.38%，其中的绝大多数属于混凝土桥梁,且大多位于偏远地区和经济不发达地区的中小型混凝土桥涵，这些桥梁失修、失养、损坏严重，多数不能适应当今的交通需要.因此选择经济实用、方便快捷、后期养护难度低且费用少的加固方法对这小桥涵进行维修加固，对一些经济不发达的省市县区来说，具有很强的现实意义.而利用碳纤维材料加固法是一种经济合理、技术简单、可靠性强、适用范围广对施工人员素质要求不高的维修加固技术，具有较强的研究和推广利用价值.

1 碳纤维材料加固技术

1.1 碳纤维材料的发展及应用

上个世纪50年代，碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)由美国研发制造[2]，并且广泛应用与航天、军工等高科技领域，后来才逐步发展到汽车、船舶、交通、化工和土木工程等民用领域.随着技术的发展碳纤维材料在世界范围内土木工程领域内开始有了广泛和深入的研究，在结构加固工程中得到了广泛应用和推广并取得了显著的经济效益，欧美等国已经具有完善的规程、指导以及施工标准.

我国自上个世纪世纪末引入此项技术，因日美控制着碳纤维材料的关键技术，我国今日仍未掌握其核心技术，据日本2015年5月26日《读卖新闻》报道，碳纤维出口中国仍属于政治敏感话题[3].但是，我国对于碳纤维材料技术的研究正处在一个积极活跃的阶段，期间大量的研究成果相继问世，在追赶世界先进发达国际的路途中脚步正在加快.

1.2 碳纤维材料加固小桥涵结构的特点

在小桥涵加固中，碳纤维材料加固技术可以有效的降低施工过程中的施工难度，有利于培养技术工人的熟练度，同时也可以减少施工过程中的操作空间的占用.更重要的是，碳纤维材料加固小桥涵可以充分的利用材料独有的贴合性和适应性，对于不同类型节点、不规则部位进行加固.使碳纤维材料与需要加固粘帖的混凝土构件表面紧密的链接在一起，使他们共同受力，共同承受荷载；共同变形，共同承受挠度变化.

2 碳纤维材料加固小桥涵结构实例

2.1 工程概况

该桥涵为河北某高速公路的一座通道，该通道分左、右两幅，由中央隔离带隔开，两幅板梁均为整体现浇板，尺寸相同，跨径8 m，板宽13.5 m，板厚0.4 m，桥面铺装层厚0.2 m，每幅均为单向三车道，桥面宽11.75 m，桥下净宽7.5 m，净空3.5 m.

图2.1 单幅通道标准断面图

2.2 板梁病害状况

表2.1 通道病害检测情况

图2.2 右幅主梁距外3 m纵向裂缝，贯穿主梁

2.3 病害成因分析

初步判断，图2.2中的裂缝主要因为板梁的横向宽度过大改变了梁体单向板受力的形式，在荷载作用下产生的超过了自身梁体的抗弯能力造成的.目前大部分裂缝宽度并未超过0.15 mm,也未发现渗水等现象,只有少处裂缝超过0.15 mm且出现了滴水、渗水和外析晶体现象，说明大部分梁体裂缝处于可控状态且未贯穿，之后少部分出现了贯穿现象，对于已经贯穿的部分，我们需要重点处理，防止其继续深入造成整个截面贯穿，导致后期腐蚀加剧造成结构的耐久性丧失.

2.4 病害处治方法

通过现场考察及计算分析，拟采用先卸载后粘帖碳纤维布的施工方法进行维修加固以解决直接粘帖碳纤维布存在的应变滞后问题.

梁板加固如在非卸荷状态下进行，构件截面将在承受荷载的状态下处于某个初始应力应变状态.加固后，如果没有施加新的荷载，其截面应力应变不会发生变化，粘帖的碳纤维布也处于零应力应变状态.只有当荷载增量作用下产生更大变形和裂缝后，粘帖的碳纤维布才参与梁板共同受力.因此，采取这种方法黏贴碳纤维布虽然会是极限荷载提高，但是提高的程度有限，只有在达到主筋屈服强度之后才会将碳纤维材料自身特点发乎发挥出来，这个时候可能会造成受压区混凝土在极限状体下压碎破坏.

如果构件在卸荷状态下进行，可以解决上述问题，但是需要考虑二次受力的问题.通道现浇梁板在拆模后即在自重作用下产生初始应力应变，恒载作用下梁板产生变形如图5.5所示：

图2.3 通道梁板在恒载作用下变形图

当车辆通过时梁板产生变形如图2.4所示：

图2.4 通道梁板在恒载及车辆荷载作用下变形图

对于梁板特定的某个初始弯矩M0，只要通过顶梁卸载(顶梁卸载前、后梁板产生变形如图2.5所示)使梁板恢复至拆模前的无应力状态再粘帖碳纤维布，即可在碳纤维布粘结剂固化并拆除顶梁设施后使碳纤维布立即参与梁板共同受力，从而起到克服碳纤维布应变滞后的问题，进而阻止裂缝的进一步发展.

图2.5 通道梁板顶梁前、后变形对比图

在不中断交通的情况下粘帖碳纤维布，梁板在车辆荷载作用下产生下挠和振动，严重影响粘结剂的固化，而在跨中增设刚性顶梁支撑墩后，梁板跨度减小，活载作用下梁板的振动幅度明显减小从而减少了行车扰动对粘结剂的固化影响.

2.5 病害处治施工工艺

卸载粘帖碳纤维布的基本思路是：利用顶升装置在施加与恒载反方向的荷载，消除梁体变形，并且使其产生一定的反向变形，在该变形状态下粘贴碳纤维.当粘结剂固化达标后，再逐级卸载撤走顶升设备.

1)施工工艺流程.

按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》[4]规定施工程序:顶梁支架施工→构件表面处理→裂缝处治→施加上顶力→涂刷底层涂料→粘贴面修补整平→粘贴碳纤维片材→养护→逐级卸载反力→表面涂装→完工质量验收.

2)顶升力及控制位移计算.

确定施加上顶力，施加的反向荷载并防止产生初始的塑性变形.通过计算确定上顶力.

图2.6 计算图式

3)计算原则为：

(1)确保构件上缘拉应力小于混凝土的抗拉强度，最好为0；

(2)确保控制断面梁体变形为0.

首先假设跨种控制断面上缘应力бs=0 MPa，即Mz=0 kN·m,由此建立方程组

X1=X2

g1·L=X1+X2+N

式中:X1、X2为支座反力； N为上顶力；g1为恒载集度(取g1=0.6*13.5*25=202.5kN/m)； L为梁的计算跨径(L=8m).

解方程组得:上顶力N=810kN.按照计算原则(2)的要求选取了一些整数值，利用midas软件反算梁体的几何变形进行比较.下面分别以N=810kN,900kN,1000kN为例进行比较，如表2.2所示.

表2.2 各上顶力作用下跨中截面内力值

注：M值以上缘受压为正，受拉为负，δs值以受压为正，受拉为负；f值以下挠为正，上挠为负.

根据上表可知，在三个上顶力分别作用下，它们产生的应力值都不大，即使产生拉应力也远远小于C40混凝土的抗拉强度Rt=1.71MPa；而随着上顶力的增大，梁体的下挠值逐渐减小.当N=1000kN时，梁体底面基本保持在同一平面内，并且它产生的拉应力δs=0.8MPa

4)裂缝封闭处理.

在对裂缝进行分析完毕之后就需要对其进行封闭处理，处理时首先将裂缝用工具凿成10mm×10mm“V”形槽，并清除干净槽内混凝土浮渣、浮土及松散层，在槽内均匀涂刷一遍封缝胶后用环氧胶泥将“V”形槽填充并保证其表面平整.

5)裂缝灌胶处理.

采用粘度小、可灌性好，固化后抗渗性强，收缩变形小，具有一定的抗拉抗压强度，固化时间可控的无毒或低毒材料.施工工艺流程如下：

图2.7 混凝土裂缝压力注浆法工艺流程图

(1)裂缝的检查和标注.对需要处理范围内的所有裂缝性质和特点进行检查、分析、记录和标记.

(2)灌浆法施工.将裂缝封闭并预留出入口，浆液用灌缝器压入、填满.

(3)灌浆前对裂缝周边处理.采用专用工具将裂缝处及表面附近的浮渣，松散层等清除，再用规定的有机溶液，清理其两侧各25mm左右范围内，完成之后保持干净、干燥.

(4)粘贴注浆口、封闭裂缝表面.采用规定粘结剂粘贴注浆口与裂缝.注浆口的间距根据缝长确定，具体情况具体考虑一般都在30～40cm左右，且必须刘志进浆口和排气孔并保证对中、牢靠、畅通.

(5)裂缝表面封闭.采用采用环氧胶泥进行封闭，保证混凝土裂缝内充满浆体且不会大量外渗.

(6)压力试验.密封结束够，待其密封胶干燥之后，进行压气试验，防止密封不严，压气试验气压控制在0.2～0.4Mpa.

(7)灌浆操作.灌浆由低到高进行，当高位端的灌浆嘴在排出气体后喷出浆液与压入的浆液浓度相同时停止注浆，最后用环氧胶泥将灌浆嘴处抹平.

(8)质量检查.为保证施工质量，作业后及时检查、及时纠错、及时补救.

3 结 语

采用碳纤维材料加固中小型桥涵结构的技术可以大大的改善小桥涵的破坏形态，提高小桥涵的开裂荷载、屈服强度以及承载力.工程实践表明，采用这种方法加固效果比较好，加固后通道的承载力显著提高，裂缝闭合作用显著，具有施工精度高、方便、快捷、简单等特点.

[1]2015年交通运输行业发展统计公报[J].交通运输部纵横规划司，2015

[2]许鹤鸣.碳纤维[M].北京：科学出版社，1979

[3]网易.美日对中国进行封锁：啥材料都不能给中国.网易新闻[OL].2015.5.2

[4]碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程[S].中国计划出版社，2003

The Application of Carbon Fiber Reinforced Small Bridge Culvert Structure Technology

HETeng-fei,ZHAOWen-juan

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075024 China)

Due to the low standard of design load,poor construction level,the management system seriously loose and disrepair,many small concrete bridges in remote and economically underdeveloped areas cannot adapt to the increasing traffic need.The maintenance and reinforcement of carbon fiber reinforced materials can not only save a great deal of investment, but also get a good social benefit.Through the maintenance and reinforcement,the risk of potential safety problems can be reduced,and the highway capacity and traffic capacity can be improved.For some economically underdeveloped provinces and counties,this approach is of certain practical significance.

CFRP;reinforcement;small bridge and culvert

2016-04-21

碳纤维材料在中小型混凝土桥梁维修加固中的研究，2015年度张家口市级科技计划自筹经费项目(1521004B)

赫腾飞(1983-)，男，讲师，硕士，研究方向：桥梁与隧道工程.

U 442.54

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