碳纤维在桥梁结构加固中的应用分析
2015-09-14
0 引言
随着我国改革开放和国民经济建设的飞速发展，车流量不断增加，面对随之增加的重型车辆，老式城市桥梁的承载能力捉襟见肘，拆除重建费用高对地方财政负担过大。据统计，我国现有的桥梁中有40%以上需要分期分批进行检测评估和加固维修。我国不断完善城市交通基础建设，这为桥梁加固带来了空前的发展机遇。
由此可见，加大对桥梁结构的维修加固的投入是公路交通行业发展到一定程度后的必然趋势。我国也将再今后的公路交通建设当中对桥梁的维修加固投入更多的资金。桥梁加固这一领域未来的发展道路会越来越宽广。
1 碳纤维的材料特性
碳纤维材料是人造高新材料，它具有优异的力学性能及稳定性。这种材料适用于混凝土结构的维修加固。碳纤维它是一种纤维状的碳材料。它是在经过几千度的高温下经特殊工艺制造出来的高科技材料产品。碳纤维材料具有耐老化、强度高、轻量质、抗腐蚀、物理性能极其稳定等优点。它的拉伸强度可以达到钢材的7-10倍，但是它的比重仅为钢材的25%不到。
碳纤维材料成品呈黑色细丝状，它的丝状直径仅有7μm，但是极易折断，不能单独使用。只有把碳纤维浸渍树脂后，采用特殊工艺将其制成纤维定向排列的复合材料后才能应用。一般成品片材又分为碳纤维布和碳纤维板。碳纤维布的随意性优于碳纤维板。
碳纤维材料根据生产工艺方式和原材料的不同，可以分为沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维。沥青基碳纤维是把煤焦油或石油沥青抽丝后经高温烧结而形成的纤维材料，属于高弹性模量型材料。聚丙烯腈基碳纤维是把聚丙烯腈基纤维在惰性气体中高温加热所获得的纤维材料，属高强度型材料。我们应根据工程实际选择合适的碳纤维材料，以达到最好的施工效益。
2 碳纤维材料加固的优越性
2.1 化学稳定性
碳纤维材料的化学稳定性能优异。该材料具有很强的抗酸性、抗碱性、抗盐性、抗紫外线和防水等功能。同时它也具有良好的适应温度稳定性。
2.2 物理力学性能
碳纤维材料的物理力学性能优异。该材料的优异的物理力学性能使它可以有效应用于结构物的抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的补强工程，并且可以取得优异的加固补强效果。
2.3 轻质、高强
碳纤维材料的质量轻、强度高，用它加固的结构体可通过装饰后，不留加固痕迹，不影响结构体外观。
2.4 施工工艺简单
粘贴碳纤维材料加固混凝土技术的施工工序非常简单、便捷。当它在加固施工时不需要启用大型工程器械，仅需要采用小型电动工具操作。所以它在施工时工种少，用工少，工期短，进度快等优点。
3 碳纤维加固的施工方法
①需要加固的混凝土结构基面要求：碳纤维布加固混凝土结构技术是依赖碳纤维布与结构表面的粘贴有效率，所以要求基面的混凝土强度等级不得低于C15。同时要求被加固混凝土结构具有良好的保护层，并且基面要求平整。
②碳纤维布的粘贴：碳纤维布加固混凝土构件时，要求采用薄布多层的粘贴方法，从而确保与粘结材料充分浸润。
对于受弯构件，最好在受拉区沿轴向粘贴碳纤维布进行加固，并且在主纤维方向的断面端部附近进行必要的锚固处理措施。
③碳纤维布的搭接与截断：粘贴碳纤维布加固混凝土时，最好不要沿主纤维方向的搭接，特别是用于受拉构件和弯拉构件受拉区的加固。
④工程中选用的碳纤维布及其配套粘结材料，必须有厂家所提供的材料检验证明和合格证。
4 碳纤维加固的质量控制
4.1 粘贴结材料的配合比控制
粘贴用胶结材料的配合比必须严格控制，它是粘贴加固质量和效果能否得到保证的关键环节，在配料时要求严格按使用配合比备料，在有条件的地方最好先进行粘结试验，将配合比不能达到加固设计对胶结材料的使用要求时，不允许应用于施工。
4.2 施工温度控制
环氧树脂在低温条件下固化比较缓慢，一般直选择在15o-28o的温度条件下进行施工。如果遇到在气温较低时施工，必须采取加温养护措施，譬如用紫外线灯烘烤。
4.3 应保持成型所需要的压力
混凝土梁板加固时，大多数都是在梁的底面进行，由下而上进行粘贴。如果成型时施加的压力不足，就会造成与混凝土之间粘合不够紧密，导致补强层材料发生脱落，会影响加固的效果。
4.4 粘贴控制
涂胶要求涂抹均匀，为避免形成空洞或脱胶，要用力将产生的气泡挤出刮平，否则将会影响到混凝土结构的加固效果，导致某些部位粘结不好，造成在混凝土结构使用过程中这些部位出现应力集中的现象，引起混凝土结构的破坏。
5 碳纤维加固的实例
5.1 项目概况
塘沥中桥地处东莞市凤岗镇塘沥村旁，位于东莞市S250公路上。该桥上部结构为钢筋混凝土简支T梁，跨径组合为3×16m，，桥宽31m。原桥设计活载标准为为汽车-15级，挂车-80，人群荷载3.0kN/m²，由于交通发展需要，将设计活载提高为汽车-20级，挂车-100，人群荷载3.0kN/m²。
5.2 原桥结构承载能力验算
由此可见，该桥在提高车辆荷载等级以后，承载能力由富裕6.5%变到不足-6.6%，承载能力不足将影响行车安全，该桥梁需要进行加固维修提高承载能力。
5.3T梁加固措施
在全桥T梁在腹板底部外包粘贴碳纤维布加固。
5.4加固后承载能力验算
本次采用碳纤维布加固方法有效的提高T梁承载能力，满足桥梁提载的要求。
6 结论与建议
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，需要进行加固处理。新型材料碳纤维在我国引进和应用于粘贴碳纤维加固混凝土的技术时间不长，但其优异的性能在桥梁结构加固工程中得到充分的体现，该项技术将在越来越多加固项目中得到应用。
