碳纖維單向布加固砼技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用

9/9碳纖維單向布加固砼技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用摘要:碳纖維單向布與配套樹脂材料是加固維修鋼筋砼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的新材料、新工藝。在北京北四環(huán)路健翔立交橋改建中，為使原鋼筋砼蓋梁設(shè)計(jì)荷載由汽車—５級(jí)提高為汽車-超２0級(jí),采用了此技術(shù)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。用此新技術(shù)、新材料加固的工作量之大在北京市政、公路工程尚屬首例，同時(shí)也取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益.本文對該材料性能與施工工藝等有關(guān)技術(shù)問題做一介紹。

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關(guān)鍵詞：碳纖維單向布加固砼技術(shù)應(yīng)用?

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一、概述???

碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布,按設(shè)計(jì)要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過對梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對比試驗(yàn),力學(xué)性能顯著得到提高，據(jù)試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5~8％.此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比,具有自重小、施工簡便、施工周期短和耐久性好等特點(diǎn)。

美國、日本等國于二十世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),僅日本19９7年用于加固修復(fù)的碳纖維布使用量就達(dá)70萬ｍ2。我國近兩年來,科研單位和院校在這方面的研究和應(yīng)用做了大量工作,生產(chǎn)出一系列的碳纖維復(fù)合材料，使工程降低了費(fèi)用,同時(shí)也取得了較成熟的設(shè)計(jì)方法和施工經(jīng)驗(yàn)，為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。

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二、立交橋改建工程設(shè)計(jì)簡介????健翔立交橋位于北京的北四環(huán)路與八達(dá)嶺高速路相交處，于1998年建成。橋梁上部結(jié)構(gòu)為６跨、L＝18m預(yù)應(yīng)力砼簡支梁。中央設(shè)隔離帶,兩側(cè)為雙向機(jī)動(dòng)車道，兩外側(cè)為非機(jī)動(dòng)車道,全寬5５m.隨著城市交通量的增長，立交橋現(xiàn)有的寬度已不能滿足交通量的需要,為確保四環(huán)路成為城市快速路，需將現(xiàn)況橋梁向南、北兩側(cè)拓寬至72ｍ,將現(xiàn)兩外側(cè)的非機(jī)動(dòng)車橋改建為輔路橋，并新建非機(jī)動(dòng)車橋.現(xiàn)況橋上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁，對應(yīng)機(jī)動(dòng)車道部分的荷載均按汽車-超20級(jí)、掛車-120設(shè)計(jì),而對應(yīng)非機(jī)動(dòng)車道的上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁荷載均按汽車-15級(jí)、掛車—80進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且改建為輔路橋后要求荷載均為汽車—超20級(jí)、掛車-１20?，F(xiàn)非機(jī)動(dòng)車橋的主梁拆除更換,但各中墩蓋梁的機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車中間未斷開，為三跨一聯(lián)的變截面普通鋼筋砼連續(xù)結(jié)構(gòu)。

?經(jīng)反復(fù)核算比較，為盡量減小蓋梁正負(fù)彎矩區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)加固工作量，一方面采用了減輕橋梁自重措施,將砼橋面改為輕質(zhì)(容重為19KN/ｍ3）砼橋面,另一方面加寬中墩蓋梁下墩柱寬度，蓋梁的正負(fù)彎矩及剪力均相應(yīng)減小，這樣對應(yīng)機(jī)動(dòng)車部分蓋梁的現(xiàn)鋼筋配置可滿足設(shè)計(jì)要求,而對應(yīng)輔路(現(xiàn)非機(jī)動(dòng)車橋)部分蓋梁按現(xiàn)配筋其應(yīng)力與設(shè)計(jì)要求相差10～1５％。為節(jié)省工程投資,且根據(jù)現(xiàn)四環(huán)路交通不允許中斷的情況,經(jīng)有關(guān)部門批準(zhǔn),確定將全橋的５排中墩蓋梁的20個(gè)正負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理,全橋蓋梁加固面積３９5m2,其具體加固位置見圖.

???三、加固方案和材料的選定??

1加固方案的選定

???各中墩蓋梁原設(shè)計(jì)為隱形蓋梁給加固工作帶來較大的困難,最早提出采用噴射鋼纖維砼和外包鋼板的加固方案，因主梁梁端在跨間處距蓋梁外側(cè)面僅５cm，經(jīng)計(jì)算比較與施工空間的限制上述兩方案可行性較小，最后確定選用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋的1０倍以上，而彈性模量也與鋼筋相近,較適合于鋼筋砼結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固工程.另外施工簡便,適用于要求施工周期短的加固工程。?

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2材料的選定

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近二、三年來，我國引進(jìn)了美國、日本生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費(fèi)用高影響推廣應(yīng)用。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn),為該工程材料的選用奠定了基礎(chǔ).經(jīng)比較采用北京鐵華大眾科技發(fā)展有限公司的碳纖維布和配套樹脂，其中碳纖維布采用的是國外進(jìn)口優(yōu)質(zhì)絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，費(fèi)用較低。產(chǎn)品通過國家級(jí)質(zhì)檢部門的嚴(yán)格檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。下面是碳纖維單向布和配套樹脂的規(guī)格及與日本同類產(chǎn)品(日鐵系列指標(biāo))性能對比結(jié)果（見表1~５）.

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碳纖維單向布性能對比表2

??碳纖維單向布的規(guī)格表1?

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ＣFＣ日鐵ＦTＳ測試方法?

??牌號(hào)單位面積碳纖維布的質(zhì)量g/m2拉伸強(qiáng)度MPa3730??

393０

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4０5０3４00非標(biāo)?

??CFC20200±10拉伸模量GPa235230非標(biāo)?

?CFＣ2525０±1０抗剪強(qiáng)度MＰa114非標(biāo)??

?CFC—３03０0±10粘結(jié)強(qiáng)度MＰａ256ＪISK5400?

??注：用于加固補(bǔ)強(qiáng)??

?表面處理樹脂性能對比表3

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??１SE日鐵FP-NS方法

粘結(jié)強(qiáng)度MPa2.2２。9JIＳＫ5４00

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注:用于被加固砼結(jié)構(gòu)的表面處理

???修平樹脂性能對比表4?

?浸漬樹脂性能對比表5?

??IE日鐵FE－E３Ｐ方法

?RE日鐵FE—2方法拉伸強(qiáng)度ＭPa57。５2９ＪISK７１1３??

壓縮強(qiáng)度MPａ7634ＪISK720８拉伸模量GPa9３.13９JISK７203??

?抗剪強(qiáng)度MＰa14．39.8JIＳＫ68５0抗剪強(qiáng)度MPａ8５。1ＪISK72０8??

?粘結(jié)強(qiáng)度MPa2。１２ＪＩSK５4０0粘結(jié)強(qiáng)度MPa１5。59．8ＪISK6850???

注:用于砼結(jié)構(gòu)表面修平注：用于碳纖維布的粘貼、浸漬,使其與砼結(jié)合成為一個(gè)牢固整體

通過采用上述碳纖維復(fù)合材料對鋼筋梁、板和柱等構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固前、后不同類型的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，以及對施工環(huán)境條件、施工工藝的防護(hù)層的探討和研究，并經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與檢驗(yàn)證實(shí)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)良，并在航天、航空和軍事方面得到應(yīng)用,現(xiàn)以批量生產(chǎn).????四、施工工藝

??為確保受彎鋼筋蓋梁結(jié)構(gòu)的原受力鋼筋與加固碳纖維能夠同步工作,應(yīng)該盡量縮短原蓋梁鋼筋與碳纖維的應(yīng)力應(yīng)變的差值，蓋梁加固時(shí)需考慮卸載措施，這樣可推遲將原蓋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋受力轉(zhuǎn)給碳纖維的時(shí)間，積極地改善蓋梁結(jié)構(gòu)，并使得破壞時(shí)原鋼筋和碳纖維各自進(jìn)入極限狀態(tài),蓋梁的總體強(qiáng)度顯著得到提高。蓋梁加固時(shí)卸載措施：拆除原荷載標(biāo)準(zhǔn)低的主梁→碳纖維布粘貼加固→安裝新標(biāo)準(zhǔn)荷載主梁.???

加固施工工藝??

?1對被加固砼表面作打磨處理，除去風(fēng)化層，露出新茬，清除灰塵，保持清潔。?

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２將表面處理樹脂均勻涂刷在待施工的界面上,不得有遺漏處。

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3待表面樹脂不粘手時(shí),用修平樹脂找平基面，做到基面平整無凹陷處。?

４待修平樹脂不粘手已基本固化后，即可將浸漬樹脂均勻涂刷在上面，厚度約3~5ｍm，不得有過厚、過薄或有遺漏處.

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?5將碳纖維單向布展開、拉緊，平鋪在涂有浸漬樹脂的基面上,再用專用工具反復(fù)滾壓,排除單向布與浸漬樹脂間的空氣，使單向布完全浸漬于樹脂之中，要做到碳纖維單向布平、直,中間無空穴、無氣泡。?

加固位置圖??

６第二層及以后單向布的鋪設(shè)與第4、5二項(xiàng)的操作及要求相同.

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?７在鋪設(shè)滾壓最后一層單向布后，應(yīng)做一次最后的壓平、整理，并再涂浸漬樹脂，厚度約1~2mｍ.

??8加固層完全固化時(shí)間約7ｄ,完全固化后即可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，涂刷防護(hù)及裝飾外用面漆。

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選用的防護(hù)層具有優(yōu)異的抗老化和耐介質(zhì)腐蝕性能，可在—５0℃~120℃溫度的環(huán)境下長期使用，此材料已在中央電視塔、三峽工程西陵長江大橋等多項(xiàng)重點(diǎn)工程中使用,效果良好。健翔立交橋加固工程自2000年6月上旬開工,200０年７月上旬竣工歷時(shí)約30天,碳纖維布與梁表面粘結(jié)良好，施工質(zhì)量取得了滿意的效果。

???五、加固優(yōu)點(diǎn)及探討意見?

1碳纖維布重量輕,施工時(shí)不用任何重型設(shè)備，其又很薄不需要較大的空間,尤其是在該工程加固空間緊張的情況下，更能顯示這一優(yōu)越性。

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?2加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)，采用粘貼強(qiáng)度高和高彈性模量的碳纖維的辦法，也能取得類似于鋼板的同樣加固效果，但其結(jié)構(gòu)重量未增加，外表也輕巧美觀。?

３有極好的耐久性，由于加固只使用碳纖維和配套樹脂,因而不會(huì)出現(xiàn)生銹,并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能,碳纖維布有極好的抗化學(xué)作用。?

??4在健翔立交橋加固工程中使用碳纖維復(fù)合材料加固中墩蓋梁，經(jīng)初步計(jì)算為工程節(jié)省投資約25