碳纖維加固技術(shù)在公路橋梁中應用的研究

1、第!*卷第#期!""%年*月沈陽工業(yè)大學學報MFG+!*NF+#E<)!""%EF<?6GFHIA=69K=?>9;HL=DAFGFJ:-JF:J文章編號：（）&"""$&*%*!""%"#$"#$"%碳纖維加固技術(shù)在公路橋梁中應用的研究魯麗華&，王洪濤!（；）&+沈陽工業(yè)大學建筑工程學院，遼寧沈陽&&""!#!+沈陽市城建房地產(chǎn)開發(fā)公司，遼寧沈陽&&""

2、!&摘要：橋梁加固問題在近幾年被廣泛關注，利用碳纖維加固橋梁在我國是一個比較新的方法，在介紹碳纖維的各項性能的基礎上，分析了碳纖維加固橋梁設計的基本假定，介紹了碳纖維的施工方法，并以某!介紹了碳纖維在橋梁加固中的具體應用)",跨徑橋梁的加固為例，關鍵詞：碳纖維；加固；橋梁文獻標識碼：/中圖分類號：-%.+(!隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁加固被廣泛例如：擴大橋梁斷面尺關注+加固的方法有多種，寸、外粘鋼板法、體外預應力加固法、改變體系加固法、碳纖維片材粘貼加固法等)從!"世紀0"年代末開始，在全世界范圍內(nèi)開始廣泛應用一種新型復合材料即纖維增強塑料（簡稱1），碳

3、纖維23正其中的一種)碳纖維復合材料（簡稱4是123）在上個世紀."年代末*"年代初被首先應用在航空航天領域，由于其高強度高模量，耐疲勞、耐腐蝕、耐久性好、低密度而深受重視)其材料形式有片材和板材兩種，在土木工程領域大多數(shù)是采用片材，也就是所說的碳纖維布)碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)，通常在結(jié)構(gòu)強度或剛度不足的部位粘貼這是一4123片材或4123布的方式進行加固，種新型的混凝土加固方法，且其施工工期短，外觀影響最小而得到廣泛重視)碳纖維布的應用范圍很廣，可用于抗拉加固，對于梁體某一截面抗彎承載力不足時，將碳纖維布沿著梁的方向粘貼在該截面受拉一側(cè))抗剪加固，可用于梁體或柱的剪力加固

4、)圍束加固，當橋墩的抗壓承載力不足時將碳纖維布走向垂直于橋墩的軸線方向粘貼，可提高抗壓能力)!"#耐久性實驗證明碳纖維與混凝土之間有很高的粘結(jié)強度，在經(jīng)過人工氣候的老化實驗后，其破壞仍始于混凝土，而非碳纖維。同時外包的碳纖維對混凝土還起到很好的保護作用使混凝土的耐久性也提高了)!"$抗疲勞性能好碳纖維是由晴綸或膠粘纖維經(jīng)處理去除非碳由于碳是一種熱穩(wěn)定及耐腐蝕材料，元素得到的)由碳元素為主要原料的碳纖維在較高的溫度下均可保持良好的物理力學性能，一般在%""8時其物理力學性質(zhì)仍可以保持不變)同時，其抗疲勞性*次疲勞周期以后碳纖維仍具能也很突出，在&&

5、quot;用于粘貼的環(huán)氧樹脂有較高的強度，如圖&所示)為分子鏈接結(jié)構(gòu)，且熟化緩慢，在動態(tài)載重作用下，強度不受影響，很適合橋梁加固)&碳纖維布的物理力學性能!"!高強度及高模量碳纖維布是一種高強度的柔性材料，它的抗拉強度幾乎是鋼材的十倍，達到#.""!%.""，彈性模量接近甚至超過鋼筋的彈性模量（鋼536筋為!，碳纖維為!），伸長率""736#"!*%"736可達到"&+.!)+!收稿日期：!""#$"%$"!作者簡介：魯麗華（，女，

6、遼寧沈陽人，講師)&("$）圖&達到破壞時的疲勞強度次數(shù)19)&16;9<=>?=;A;9,=>BA=C=>?<D;=C:->沈陽工業(yè)大學學報第"&卷!"#具有方向性單層布沿著纖維的走向，強度及韌性都較高，而垂直方向強度及韌性都較低!拉力很小基本可以忽略不計!"碳纖維的材料選擇及施工注意事項$"!材料的選擇對于碳纖維布，應選擇雜質(zhì)少，沒有彎曲皺褶，編織均勻，文理清晰的材料，在選擇樹脂時則應根據(jù)三種不同的使用情況分別選擇：對界面膠應選擇粘稠度在#$!%&$()!*，粘結(jié)強

7、度大于+,)的樹脂；整平膠應選擇壓縮強度大于+$,)、拉伸剪切強度大于%$()的樹脂；粘結(jié)膠應選擇粘稠度在-$!+$()*、拉伸強度大于"+()，壓縮強度大于&$()，拉伸剪切強度大于%$()的樹脂!"$施工工藝及注意事項施工時選擇好粘貼位置后，首先應對混凝土構(gòu)件表面進行處理，裂縫處應灌入環(huán)氧樹脂（界面膠），等到樹脂硬化后，將欲粘貼截面打磨修飾平坦（如果有轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角處需磨成圓角，其曲率半徑不小于"$.），涂環(huán)氧樹脂砂漿，待硬化后再進行打磨平坦，清理粉塵!粘貼碳纖維片前用滾筒刷均勻地涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂，稱為下涂!貼片時，在纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣!待纖

8、維片施工-$/之后，用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂，稱為上涂!如沿片材長度方向有搭接，其搭接長度不小于%$.（沿寬度方向不需搭接）且其下涂時應在該部位多涂抹一些還氧樹脂!粘貼完以后應進行檢查，是否有粘貼不良，對于碳纖維發(fā)生皺褶彎曲處，因其強度無法發(fā)揮，需再進行補強!施工結(jié)束后應進行養(yǎng)護，其養(yǎng)護溫度不低于環(huán)氧樹脂的允許使用溫度，養(yǎng)護期一般在一到二周!對于有風吹、雨淋或可能人為擾動的地方應進行遮擋封閉養(yǎng)護!碳纖維布干了以后，為了防止紫外線照射，碳纖維發(fā)生老化，應在其上面再涂抹一層基于環(huán)氧基底的涂料或噴沙抹灰后涂刷常規(guī)涂料!設計的基本假定梁截面即將破壞時的受力圖形如圖"所示!碳纖維加固梁截

9、面滿足平截面假定：%）截面變形為小變形；"）不考慮混凝土的抗拉強度，截面達到承載能力極限狀態(tài)時，受拉區(qū)混凝土已開裂，其承受的圖"梁截面破壞時的受力圖012!"34)5*4678).9:4*89;146</8658*;:=9;85-）不考慮剪切變形（破壞截面的剪切變形與拉壓變形相比很?。?>）碳纖維片材和混凝土梁不發(fā)生滑移，即變形協(xié)調(diào)!這是碳纖維片材加固混凝土梁的前提與基礎，只有碳纖維片材與混凝土梁之間存在足夠的粘結(jié)力，兩者才能共同工作!+）碳纖維材料為線彈性材料，實驗證明其本構(gòu)關系可以表示為："9?A9#9?&）碳纖維片材的容許拉應變

10、不大于碳纖維片材極限拉應變的"-和$B$%兩者的較小值!由于受拉鋼筋的極限應變值取為$B$%，碳纖維片材的位置與鋼筋的合力作用點很近，其拉應變可近似取為鋼筋的拉應變即最大為$B$%!計算公式%）承載能力極限狀態(tài)梁截面在破壞時，受壓區(qū)混凝土被壓碎，受拉區(qū)鋼筋屈服，碳纖維變形達到容許拉應變值!也就是說，截面破壞仍然處在延性破壞，破壞前有明顯預兆!相當于受彎構(gòu)件正截面適筋破壞的范圍!這也就要求截面尺寸應滿足!C"!%#9$%"$"（7%&$B+"7）#(D)(（*%$&(*）#;+;);*式中#9為混凝土的軸心抗壓強度；"7

11、為混凝土的界限相對受壓區(qū)高度；$%$為混凝土截面的有效面積；+;為碳纖維片材的彈性模量；#;為碳纖維片材的應變值；);為碳纖維片材的截面面積；,為混凝土截面的受壓區(qū)高度；!C為梁的彎距設計值。從上式可以看出，碳纖維加固混凝土梁是有條件的-如果加固后截面彎距設計值不滿足上式，則碳纖維片材及梁內(nèi)鋼筋將達不到設計強度，而且破壞前也將無明顯預兆，這是設計者應盡量避$>*-第.期免的!魯麗華等：碳纖維加固技術(shù)在公路橋梁中應用的研究.&基礎為鉆孔樁,主梁截面如圖.所示；梁內(nèi)主鋼筋、，其抗拉設計強度為.有兩種分為"!/+!-$"，抗壓設計強度為.混凝土設計強度012-$01

12、2,為3，在完工驗收時發(fā)現(xiàn)在橋梁的底部某截面.$出現(xiàn)了較大的橫向裂縫，最大已達到$已%&4(，經(jīng)超過了允許值。經(jīng)過正截面、斜截面抵抗強度驗算，發(fā)現(xiàn)在該截面處鋼筋面積改變較大（由!改變?yōu)?）業(yè)主經(jīng)過反復論證-+!%)5(.+/%65(,決定采用碳纖維補強,其費用雖然在各補強方法）計算公式!（）$%&""!#$）#+,()#%&%$&(*（%）&+,&)*$&工程實例某公路一跨線橋連續(xù)梁，橋跨為!橋面$(，寬度為)橋面凈寬為)%)&(，%&(設計荷載為汽，掛*+截面形式為單箱單室，梁高為*超!$!$,橋墩為

13、柱式橋墩，支座采用盆式橡膠支座，+%-(，中是較高的，但其施工工期及封路時間都很短，最終被采用,圖.橋梁橫斷面圖78,.3:;<5#8;=;>?:8<99!"#使用材料碳纖維布采用AB3C6$C.$厚層型碳纖維布&其抗拉設計強度為-&，$3D!%.E+$012，設計厚度為$寬度為$012%+4(，%!&(。在箱梁底部沿縱向粘貼+如圖-所示,$條，圖-碳纖維布置圖78,-32:?;=>8?<:F2;H#9G!"$加固效果加固后做靜載實驗，用.在加固$#重車加載，截面粘貼應變片，經(jīng)觀測，截面符合平截面假定，裂縫沒有繼續(xù)開展實

14、驗截面的撓度均小于規(guī)定的最小值，碳纖維布處于彈性工作狀態(tài)，工作狀態(tài)良好,卸載后殘余應變及殘余撓度均很?。ň∮谶@些均表明加固效果明顯,+$-）,在受拉一側(cè)，可以利用材料的抗拉作用，提高截面的承載力,但并不是在任何情況下起作用，只有在結(jié)構(gòu)變形較大的情況下才可以充分發(fā)揮材料的抗拉作用,參考文獻：德爾蒙特I碳纖維和石墨纖維復合材料技術(shù)0+,李仍元，過梅麗，呂錫慈譯,北京：科學出版社，+)/6,（0<:#I,JK<5;(;8#<(2#<:82F#<5K=;F;>52:?;=L9G;0：，,M<88=N58<=5<1:<>8?<:2

15、=9:2K8#<>8?<:"9L）+)/6,楊勇新，王敬，張小冬，等,碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐!久性能初步研究碳工技術(shù)，（）：I,!$!.*!&,4結(jié)束語碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)，將碳纖維片材粘貼?Z沈陽工業(yè)大學學報第=Z卷（!，"#&"#()"#,-./#2"341#56473$!%，$%*+01:"341#;#6#7736#21#237-78-3.2-.37/.3"4696-$0+，（）：）<72)#191=>>=?=A+$0陳瑜，關建光，徐福泉，等+碳纖維布加固混凝土構(gòu)件?

16、的粘貼構(gòu)造與錨固技術(shù)建筑科學，（）：+=>>>B=CAA>+（:)7#!，D."#D，%.EF，!"#$+<)79.721#513G"H$-61#"#/"#2)136#72)#19152"341#56473291-)6#$-$01+I32)6-72-.37,26H376#51326#1#237-78-3.2-.378$2，（）：）>>>B=AA>+7#27=混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范,中國建設工業(yè)出版C+北京：社，=>>=+（<,72)#62"98726562&

17、quot;-61#51321#237-78-3.2-.378+K76HJ：，6#.69/6#/.8-3.4968)6#1.8715:)6#"L$K$M0N$O=>>=+!"#$#()*+&,-*./-),)/.*,+)0)"")+1*2*/%&3%,)/.*,+/14&5-,/$)(313%3B，=PQP6H)."&IRDO1#H-"1$（，；BS,2)11915I32)6-72-.3"9;#6#7236#,)7#"#6T7386-15<72)#191,)7#&qu

18、ot;#BB>>=?:)6#"=S,)7#"#)"#73$0$Q0$00$0$:$，）U7"9;8-"-7*7T791G7#-P-/+,)7#"#B>>=B:)6#"J0$B：6-(",&+"<)7J31497G15-)7436/7376#51327G7#-)"8477#J"6/V6/7"-7#-61#6#3727#-7"38+Q86#2"3H$0$41#56473-1376#51327436/78-3.2-.3768

19、"#1T79G7-)1/6#1.321.#-3+<)68"73"#"9W7/-)74"862)H$0JJ00，1-)786815436/7376#51327G7#-486#"341#564736#-31/.27/-)721#8-3.2-61#G7-)1/152"341#56473J$0.$2，4"87/1#8-./6#-)747)"T6138152"341#56473"#/6#-31/.27/-)7"962"-61#15436/7376#51327G7#-.8

20、HJJ$0$6#"341#56473-"X6#>G7-7388"#"8"#7Y"G97+$2$=JJ：；7)*,$(+&,-*./-),)/.*,+)0)"-,/$)%43碳纖維加固技術(shù)在公路橋梁中應用的研究作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：魯麗華， 王洪濤魯麗華(沈陽工業(yè)大學,建筑工程學院,遼寧,沈陽,110023)， 王洪濤(沈陽市城建房地產(chǎn)開發(fā)公司,遼寧,沈陽,110021)沈陽工業(yè)大學學報JOURNAL OF SHENYANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY20

21、04，26(3)2次參考文獻(4條)1.德爾蒙特 J.李仍元.過梅麗.呂錫慈 碳纖維和石墨纖維復合材料技術(shù) 19872.楊勇新.王敬.張小冬 碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能初步研究期刊論文-碳工技術(shù) 2002(02)3.陳瑜.關建光.徐福泉 碳纖維布加固混凝土構(gòu)件的粘貼構(gòu)造與錨固技術(shù)期刊論文-建筑科學 2000(12)4.混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 2002相似文獻(10條)1.會議論文 楊小平.王成忠.張劍 加固混凝土結(jié)構(gòu)用碳纖維板材的研制及應用 2001介紹了碳纖維增強樹脂基拉擠板材及其原材料的結(jié)構(gòu)及性能,碳纖維板材突出的力學性能和優(yōu)良的耐腐蝕性能將成為建筑加固領域的換代產(chǎn)品.隨著碳纖維價格的下降和

22、碳纖維補強板材的國產(chǎn)化,該材料將大規(guī)模應用于建筑領域.2.會議論文 范世平.滕年保.周海濤 建筑加固新材料-碳纖維 2000該文介紹當前在建筑物加固中使用的最新材料-碳纖維的基本性能、使用方法，并介紹了在工程中應用實例。3.期刊論文 朱凱.孫寶俊.許尉華 碳纖維加固與軟件設計-碳纖維受彎加固 -工業(yè)建筑2003,33(11)針對目前加固行業(yè)碳纖維應用日益廣泛的現(xiàn)狀,根據(jù)<碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程>(CECS146:2003),簡述了鋼筋混凝土梁受彎加固的基本計算理論,并編制了軟件設計流程,應用VB實現(xiàn)了軟件設計;重點介紹了東大迪普加固軟件系統(tǒng)的碳纖維受彎加固模塊和計算方法,

23、最后通過應用實例進行詳細說明.4.學位論文 湯勇 碳纖維與鋼板復合加固T形鋼筋混凝土梁試驗研究 2007碳纖維片材和粘鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)是當前國內(nèi)外建筑工程領域最常用的兩種混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。國內(nèi)外對混凝土結(jié)構(gòu)加固性能研究大多集中于單一材料加固后的應力應變關系、抗彎和抗剪承載力的提高、抗震性能的改善等，而對多種材料復合加固的情況研究較少。實際上，無論哪種加固材料都是有優(yōu)缺點的。復合加固技術(shù)的提出正是一種優(yōu)勢互補的有效措施。T形截面鋼筋混凝土梁在建筑結(jié)構(gòu)中應用非常廣泛。在試驗中研究了鋼板和碳纖維布復合加固5根T形鋼筋混凝土簡支梁，在鋼板和碳纖維布不同的加固面積以及粘貼方式情況下的受彎性能；記錄了梁

24、的跨中撓度、開裂荷載及混凝土、鋼筋、鋼板、碳纖維布的應變；觀察了加固后梁的破壞及裂縫開裂情況；得到了各組試件的承載力和撓度值；繪出了實測試驗數(shù)據(jù)曲線；得出了復合加固梁的裂縫、應力、應變、撓度的基本情況。 試驗結(jié)果表明鋼板和碳纖維復合加固有效提高了T形梁的承載能力，并具有足夠的變形能力。碳纖維布高強的特性在梁屈服后得到了充分顯示，在梁屈服前其強度和剛度與控制梁相比提高幅度較小，而屈服后強度和剛度得到顯著提高，梁的裂縫寬度也明顯減小。復合加固可較好地解決單一在受拉區(qū)加固造成的構(gòu)件延性降低的問題，并可以通過對鋼板及碳纖維粘貼量的調(diào)整實現(xiàn)在滿足一定剛度、延性要求的前提下提高構(gòu)件承載力的目的。對復合加固

25、梁正截面承載力進行了理論分析，得出了基本計算模式，建議了復合加固梁的承載力計算公式，并與實測數(shù)據(jù)進行了比較，吻合較好，證明提出的計算方法是可行的，可供工程參考使用。5.期刊論文 王業(yè)山.鹿鳳英.禹文明 粘貼碳纖維片加固鋼筋混凝土簡支梁橋 -山東交通科技2006(1)由于碳纖維片受力過程中特有的線彈性性質(zhì),粘貼加固計算時需判斷加固截面的應變狀態(tài).為便于一般工程技術(shù)人員掌握,結(jié)合鋼筋混凝土簡支T梁橋粘貼碳纖維片加固設計,應用碳纖維片加固受彎構(gòu)件正截面強度計算公式,介紹了該公式在加固設計及強度復核中的使用技巧及注意事項.同時,結(jié)合試驗研究成果,詳細說明了相關系數(shù)的取值依據(jù),以增強對計算公式的理解.加

26、固前后的荷載試驗結(jié)果表明,粘貼碳纖維片可大大提高主梁的抗彎剛度,增加主梁的承載潛力,有效抑制混凝土開裂.6.會議論文 斯陳東.徐勤.葉獻國.王法承 碳纖維材加固混凝土構(gòu)件的程序設計 2006碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是近年發(fā)展起來的綜合性能較好的加固技術(shù).介紹了該項技術(shù)的特點,加固梁、柱的理論計算方法和計算公式,根據(jù)這些理論計算公式用VisualC+編寫出碳纖維加固程序.論文介紹了該程序的設計思路,最后結(jié)合實際工程算例驗證了該程序的正確性和有效性.7.期刊論文 張軻.葉列平.岳清瑞.Zhang Ke.Ye Lieping.Yue Qingrui 體外預應力碳纖維索加固混凝土梁試驗研究 -工業(yè)建筑2008,38(4)碳纖維索體外預應力加固技術(shù)對于解決腐蝕、高濕等惡劣環(huán)境下的混凝土梁加固非常適用.通過對兩根體外預應力碳纖維索加固混凝土梁的試驗,對碳纖維索體外預應力的施加方法、加固梁的各項性能指標進行了對比分析,并對后續(xù)研究進行了展望.8.期刊論文 熊學玉.徐海峰.Xiong Xueyu.Xu Haifeng 負載下碳纖維與鋼板復合加固鋼筋混凝土梁抗彎承載力研究 -工業(yè)建筑2010,40(4)碳