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桥梁结构碳纤维加固技术与应用

（一）前言

中国桥梁工程的发展已具有相当规模，公路交通量不断增加，行车密度及车辆载重越来越大，公路桥梁负荷日趋加重。有一部分公路桥梁是中国20世纪80年代以前修建的，因其设计荷载标准偏低，普遍存在承载力不足的问题。但也有不少人疑薄薄一层的碳纤维布，加固真的能达到预期的效果吗。而20世纪80年代以后修建的，其中已有不少桥梁暴露出缺陷，更有一些在远没有达到设计寿命时出现耐久性能严重退化的现象，影响其承载能力和使用寿命。因此，采用适当的加固和改造技术措施，***和提高桥梁的承载能力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，以适应现代化交通运输的需要变得十分迫切。

（二）碳纤维材料特性

碳纤维增强塑料是碳纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而制成的，其力学特点是应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有优异的物理力学性能。加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。其原理与粘贴钢板加固相似，均是在结构的受拉侧粘贴抗拉材料，以起到与结构共同受力，增强配筋的作用。碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度标准值应大于3000MPa，弹性模量大于2.0×l05MPa.综合材料的物理、力学特性分析，要想大限度地发挥材料自身的优势，适宜将CFRP材料作为桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别适用于纯受拉构件，工程实践也证明了这一点。目前，用于桥梁加固的碳纤维材料主要是承受拉应力，约束裂缝的开展。

（三）碳纤维加固补强的施工工艺

1、根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理

(1)将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；

(2)裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；

(3)将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；

(4)清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

2、底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内）

(1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；

(2)用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；

(3)底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；

(4)注意在气温小于5℃，相对湿度大于85，砼表面含水率在8%以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。

3、环氧结构胶对构件表面残缺的修补

(1)构件表面凹陷部位应用环氧结构胶填平，修复至表面平整；

(2)内角（段差、起拱等）要用环氧结构胶填补使之平顺。

4、贴碳纤维

(1)为了防止碳纤维受损，在碳纤维运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折；

(2)碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；

(3)按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；

(4)贴碳纤维时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。

5、养护

粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。

6、涂装

根据需要可在树脂固化后加固补强构件表面，涂刷耐火涂层和色彩。

（四）碳纤维加固处理要点

在进行结构加固处理前，先对梁板采取有效地卸载和支顶措施，然后按以下施工工序进行加固施工。

1、破损面混凝土表面处理：清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。

2、按设计要求对破损面钢筋处理后用环氧树脂裂缝胶进行灌缝或封闭处理，并保证钢筋保护层厚度不小于15mm.利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不洁物清除干净，使构件加固表面平整、干燥无粉尘。（6）固化养护与拆卸夹具：应碳纤维布在施工环境温度和材料特性合理控制固化时间，当施工环境温度低于25℃时，固化时间相对延长。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm.

3、涂刷底层树脂：用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面指触干燥时即进行下一道工序施工。

4、找平处理：表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有菱角。

5、粘贴碳纤维片材：将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位，并用橡胶滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面接触干燥时即可进行下一层的粘贴。对混凝土粘贴面的脆化疏松层，应采用硬质金刚石磨轮打磨掉且完全露出新面，并用钢丝刷清楚输送浮层。如超过60min，则应等12h后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。

6、在后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。

7、必要时进行表面防护及外观处理。

（五）注意事项

1、碳纤维片材选择注意事项

碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固质量。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。在做拉拔时由于需要实验人员到现场进行试验，需要施工单位提前与实验室人员定好时间，并且在试验期间，需要监理在旁边进行见证。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固质量的关键。

2、碳纤维（片材）粘贴注意事项

①在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线***。

②按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm.

③将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。

④擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm.

⑤将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm.

⑥需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。

⑦施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。

⑧施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4％。

⑨树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。

⑩为了保证粘贴的质量，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。

（六）对碳纤维加固补强技术的展望

碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在较多优点：

1、施工简便迅速，无需模板、夹具、支撑等；

2、不增加结构重量，碳纤维片重量200g/m2～300g/m2，设计厚度0.111mm～0.167mm，加上环氧树脂的重量也很轻，对结构自重影响可忽略不计；

3、能适应各种结构外形的补强；

4、可以多层粘贴。可根据设计要求，在一个部位重叠粘贴。

（七）结束语

随着我国高等级公路的迅速发展，高速公路桥梁通车里程也在不断增长，桥梁由于各种原因造成承载力降低、混凝土强度降低或需要提高抗震能力和修补桥梁裂缝，都可以应用碳纤维布补强技术。

加固纤维板材介绍

纤维加固技术是在上世纪八十年代兴起的新兴技术，由于纤维复合材料优异的机械性能和化学性能，已备受工程界的青睐，并在工程加固中广泛应用。其中以玄武岩纤维、芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维四种纤维增强材料运用为广泛。突出的力学性能是碳纤维双向布替代钢材成为体育器材制作的优良材料。然而各种纤维材料的力学性能参数各有差别，其可设计性和加工性也各不一样。

1、玄武岩纤维

玄武岩纤维是一种新型的矿物纤维，是由玄武岩原材料经高温熔线拉丝而制成的。高强度和模量较高，可与混凝土的相容，它的价格是在芳纶纤维和玻璃纤维之间。由于其原材料来自天然玄武岩，产品性能非常大，也已经以多种形式成为加固材料在工程中应用。

2、芳纶纤维

芳纶纤维具有高强度、高模量、低延伸率、电绝缘性好、抗冲击性好、柔软可加工性、施工简便的优良性能。在许多方面和碳纤维是互补的，也是一种重要的纤维增强材料。碳纤维加固胶一些重要的操作要点：（1）施工环境通风干燥必不可少，粘贴面洁净是***基本的操作要求、打磨要粗糙彻底，油污的地方要用清水清洗干净。芳纶纤维可单独使用，也可与碳纤维、玻璃纤维等混合使用。国外芳纶纤维的应用十分广泛，然而在我国，芳纶纤维作为结构加固材料在我国的应用仍处于起步阶段。

3、碳纤维

碳纤维作为加固材料，具有一定的固有缺陷，如抗冲击强度低、抗剪强度低、导电性强，会产生电磁干扰，应用范围有限。由于其具有高强度、高模量、结构简单等优良的力学性能，在建筑工程使用中仍得到了广泛的应用。当然，如果与其他加固方法结合采用，如增大截面、受压区加固，还能在更大程度上提高承载力。中国每年碳纤维年消耗量占世界总产量的四分之一，碳纤维是增长快的、发展潜力的是纤维增强复合材料。

4、玻璃纤维

玻璃纤维包括高强度玻璃纤维和无碱玻璃纤维，玻璃纤维的延伸率以及抗拉强度低，价格便宜，但弹性模量查，耐碱性差，受盐腐蚀性差，施工操作差。因此应用范围受限制较多，适用于加固要求低的场合。

维修碳纤维布加固的局限性

维修碳纤维布加固技术也一样，有它的局限性

1、维修碳纤维布的价格不低，对于部分有预算限制的加固工程比较局限。

2、粘贴维修碳纤维布的时候，如果收到的力超过了极限值会出现断裂。

3、目前碳纤维布市场鱼龙混杂，普通难以辨别优劣，还需要***人士区分。

碳纤维布材料会有应力滞后的缺点，导致性能浪费，只能发挥20%。

给建筑让个路，建筑平移已不是难事！

1. 双梁式轨道梁做法挖去原基础两侧的填土, 暴露全部基础。在原基础两侧底部各浇筑 1 根钢筋混凝土梁(下轨道梁)，在水平方向一直延伸到房屋新基础的位置。下轨道梁达到一定强度后，在梁上安装滚轴( 直径 50~100mm 的钢棒) 。在安装好的滚轴上支模浇筑2根钢筋混凝土梁(上轨道梁)，把原基础夹持住。为使夹持牢固, 浇筑上轨道梁前，先将原基础沿轴线方向的两侧各切去 10~20mm，以便与上轨道梁能够良好地连接。并在左右两侧上轨道梁之间每隔1~2m浇筑1根钢筋混凝土联系梁，保证其整体刚度。待上、下轨道梁达到设计强度后, 再在上、下轨道梁之间适当位置把房屋上部结构与原基础切断。2.平移轨道的设置方法该法让建筑物整体平移过程在平移轨道上进行，轨道的构造通常分为滑动机构和滚动机构，滑动机构的牵引过程比较稳定，但目前尚未找到一种理想的强度高、硬度大、摩擦系数小的材料;滚动机构是由上轨道梁、下轨道梁及位于其间的许多个滚轴构成，轨道梁在建筑物平移过程中承担着上部建筑物传来的荷载和可变荷载，因此轨道梁的设计非常重要，其强度、刚度若出现问题,  建筑物将会产生裂缝、***，甚至危及人身安全。采用电锤钻孔时应保证钻孔中心线与混凝土梁面垂直，钻孔中心位置偏差不超过3mm。3. 单梁式轨道梁做法挖土至基础底面，将柱的原***基础表面凿毛，在***基础之间浇筑下轨道梁。下轨道梁底面坐落在坚硬土层或岩石层上，从而防止不均匀沉降。下轨道梁在水平方向一 直延伸到房屋新基础的位置。 下轨道梁达到一定强度后，在梁上安装滚轴。 将柱根部四周剔凿露出主筋，在安装好的滚轴上绑筋、支模、浇筑上轨道梁，上轨道梁主筋夹住柱的主筋，浇筑后，柱与上轨道梁连成一体。待上、下轨道梁达到设计强度后，再在上下轨 道梁之间将柱与原基础切断。至此，房屋的上部结构就脱离了原基础, 而支承在新浇筑的上轨道梁上建筑物的上部结构与原有基础的切断上下轨道梁施工完毕，混凝土强度达到设计要求，即可切断框架柱与原有基础的连接。