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2012/3/28 碳纤维布在桥梁加固工程中的应用

本文由民安加固公司提供。

1、引言

近年来,我国交通运输事业迅速发展,许多现有桥梁已不能适应现代交通的需要,这些问题不仅会影响到桥梁的正常使用,严重的还会给国家和人民的生命财产造成威胁。因此,如何采用最经济、合理的加固方案对现有旧桥进行加固,以使其满足现行桥梁设计规范要求,一直是摆在桥梁和材料科学研究人员面前的一个课题。目前,关于混凝土桥梁的加固方法主要有:①非结构性加固,如对裂缝进行封闭或压浆处理等;②结构性加固,如采用体外预应力在结构的受拉区粘贴钢板、增设支撑加大截面等,但这些加固方法工期较长、施工复杂,有的还需要定期养护。最近几年迅速发展的碳纤维复合材料(CFRP)加固技术,使旧桥加固发生了根本性的变化。  2、碳纤维布加固技术

2.1碳纤维材料的特点  碳纤维材料是一种新型的高强材料,最早应用于航空航天等高科技领域,国内近年来才在土木工程中得到应用与发展。作为一种新型高效的加固技术,碳纤维加固技术具有如下特点:  1)与传统的其他加固方法相比,采用碳纤维布加固法不增加恒载及断面尺寸,不影响结构的外观,不减小桥下净空;  2)该法施工简便,操作简单,可适应不同构件形状,具有随型性的特点;  3)通过环氧树脂等材料与结构有效粘结,不需设置锚固螺栓等,不损伤原有结构;  4)能有效地封闭混凝土表面的裂缝,提高混凝土构件的整体刚度;  5)碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性,应用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境时仍有较长的寿命;  6)采用碳纤维布加固混凝土构件时,可根据受力需要计算出粘贴层数。  2.2碳纤维加固工艺流程及要点  碳纤维加固结构技术是利用碳纤维材料的特性,将碳纤维布粘贴在结构表面,从而起到对结构的加强作用,其具体工艺流程如下。  2.2.1施工前的准备工作  由于碳纤维用胶最适宜的温度在20~25℃,施工前,每天测量气温3次,视气温高低,适当调整施工日期。开始施工时,必须先将混凝土表面用砂轮打磨平整,凹陷、缺损处用修补胶补平,U形箍的转角处打磨成R≥20 mm,裂缝须注入环氧树脂进行修补,然后用无水酒精或丙酮冲洗混凝土表面,除去表面的粉尘,待表面干燥后方可涂刷粘贴剂。  2.2.2粘贴碳纤维布  混凝土表面干燥后,用滚筒或刷子均匀地将粘贴剂涂在混凝土上,粘贴面必须平整、光滑,待粘贴面干燥后方可在其上粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维布时,必须两人密切配合,一人拉紧碳纤维布,一人用刮板从一侧边刮边贴,保证不留气泡,粘贴紧密。由于荷载主要是通过搭接区传递的,所以应注意搭接区粘贴,做好标记,保证搭接长度≥15 mm。碳纤维布粘贴好以后,至少要放置30 min,以保证环氧树脂的充分渗透。  2.2.3养护工作  碳纤维布粘贴好后,用聚乙烯板等进行养护,养护时间要≥48 h,养护过程中注意不要与施工面接触。为了保证耐久性,可在表面再涂刷一道粘结树脂、粉刷20 mm厚的M15水泥砂浆或喷砂保护,并且力求外观颜色与原有梁体混凝土颜色一致。  3、工程实例

3.1工程概况  广州港务局西基桥建于1985年,全桥长143.5m,设计活载为汽车-15级,挂车-80。桥面总宽9m,按两车道设计。桥面两侧各设宽1 m的人行道,人行道下布置水管及高、低压电缆。上部结构由3联连续板梁组成,各跨跨度均为8 m,共17跨。主梁为空心板梁,沿纵向分为3块,施工时由湿接缝连接。桥墩采用排架墩形式,大部分桥墩由两根桩组成,在各联内有一制动墩,由4根斜桩组成。墩身桩截面为宽50cm的正方形。桩与梁体固结形成连续刚构。该桥立面布置见图1。

西基桥建成后,随着时间的延续及港务局的不断发展,通行于西基桥上的车辆轴重已经远远大于桥梁设计活载汽车-15、挂车-80等级,大桥各部位均出现程度不同的损伤,为了确保桥梁的安全使用及港口的运输,课题组在对该桥进行了现状评估、极限荷载确定试验与研究的基础上,得出必须对其进行加固处理的结论,详细内容见文献。  3.2碳纤维加固处理方案  西基桥梁部为钢筋混凝土结构,经检测:几乎每孔梁跨底面均出现了横桥向分布的裂缝,有的裂缝长达2 m左右,甚至贯通二块桥面板,裂缝宽度在0.2mm左右。裂缝主要分布在靠近跨中的一段区域内,属于典型的梁底下缘受拉裂缝;部分帽梁底面出现了类似梁跨底面的受拉裂缝。出现此类裂缝是由于:①梁部和帽梁均为钢筋混凝土结构,在使用过程中出现此类裂缝不可避免;②西基桥设计活载等级为汽车-15级,而实际运营活载已远超过此等级,这是引起此类裂缝宽度较宽的直接原因。考虑到不中断运营以及施工工艺尽量简单等因素,采用碳纤维布加固法对桥跨结构及帽梁进行加固。  3.2.1加固设计  在碳纤维布加固设计中,假定:①受拉区混凝土的作用忽略不计;②梁受弯时,混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定;③碳纤维材料采用线弹性应力----应变关系:σсƒ=Eсƒ×εсƒ。  参考相关资料,加固方案中碳纤维布所需用量采用下列公式进行计算:

式中:△M——提载前后的弯矩增加量;  rs——钢筋安全系数;  Rg——钢筋抗拉设计强度;  Ag——加固补强所需钢筋面积;  h——截面高度;  x——混凝土受压区高度。  从而可计算得到所需碳纤维布(规格见表1)截面面积:  Acf=Ag(Rg/Rcf)  (2)  式中:Acf——所需碳纤维布截面积;  Rcf——碳纤维布抗拉设计强度。  3.2.2加固施工  在确定了加固部位及计算出所需碳纤维布面积之后,按前述施工流程及注意事项组织人员精心施工。为确保施工质量,每天施工结束前必须对粘贴部位进行检查,若发现局部空鼓现象,要注胶修补,严重的必须重新粘贴。加固后的桥跨及帽梁布置图分别见图2和图3。

4、结语  由于桥梁设计过程中受远期规划、施工等因素的影响,目前国内许多现有桥梁已不能满足使用要求,需要进行现状评估、加固处理等。本文在对西基桥整体性能进行了现状评估的基础上,提出对该桥跨结构及帽梁进行碳纤维加固处理的方案,既不影响水陆交通,又节约了施工周期。实践证明,碳纤维布加固桥梁工程的优越性是非常明显的,在土木工程加固补强中具有广泛的应用前景。