碳纤维加固钢筋混凝土桥梁关键设计及施工浅谈
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【摘要】碳纤维加固混凝土结构是一种新型的结构加固方法，并以其高强、轻质、高效、施工简便等显著优点而被广泛采用。论文在总结了纤维修复补强的原理和材料的性能的基础上，对碳纤维加固钢筋混凝土桥梁关键设计及施工进行了较为系统的总结。
【关键词】碳纤维加固；设计；施工
1 碳纤维加固的相关概述
1.1 纤维修复补强的原理
碳纤维是在几千度的高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品，碳纤维片是将碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成的纤维定向排列的复合片材。它具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等诸多优点。其拉伸强度约为钢材的7～10倍。由于碳纤维片分担了荷载，就降低了钢筋的应力，而使结构得到加固补强。修复补强所用材料主要为碳纤维和粘结剂两种，这两种材料的性能直接影响加固修复效果。
1.2 碳纤维材料的性能
1.2.1 碳纤维材料的物理力学性能。碳纤维片是以碳纤维为组分，以树脂为基体，通过一定的成型方法形成的单向排列的碳纤维的复合片材。它具有极其优越的品质:材料质轻高强，碳纤维片的抗拉强度比同截面钢材高7～10倍，用环氧树脂将它与结构物粘贴后形成一体，能可靠地与钢筋混凝土共同工作，获得优异的补强效果，而结构物自重的增加几乎可以忽略;其抗疲劳强度高，耐久性能好，耐磨损、抗老化等。
1.2.2 碳纤维材料的耐久性能。碳纤维片的物理力学性能是非常优越的，用于混凝土加固的效果是非常显著的，但是，长时间的加固效果及加固的持久性还有待进一步了解。因为，在实际应用中，人们期望混凝土构件加固后能持续使用很长时间。使用碳纤维片这种创造性的材料进行构件加固的技术，在土木工程领域及建筑结构领域受到密切关注。
2 碳纤维的加固设计
粘贴的碳纤维片材必须具有可靠的锚固，必要时也可采取附加锚固措施。对于由冲剪和支座承载力不足而需加固时，不应采用粘贴碳纤维片材的加固方法。1）当翼缘位于受压区的T形截面或I形截面受弯构件，在其受拉面采用碳纤维片材进行加固时，可按矩形截面相同的计算原则和现行国家规范中T形截面抗弯承载力的计算方法进行计算。对于箱形截面受弯构件正截面抗弯承载力的计算，可参照本条计算原则以及现行公路桥涵设计规范的有关规定进行计算。2）在正截面抗弯承载力计算时，尚应满足下列条件：加固后抗弯承载力的提高幅度不宜超过30%。加固后在荷载短期组合下，受拉钢筋拉应力不宜超过钢筋抗拉强度的设计值。3）当碳纤维片材粘贴于梁侧面受拉区进行受弯加固时，粘贴范围宜在自受拉区边缘起算的1/4梁高区域内。4）当梁、板结构进行正弯矩受弯加固时，碳纤维片材宜延伸至支座边缘。在碳纤维片材延伸的端部，以及梁格交叉的两侧宜设置构造碳纤维片U形箍或横向压条。5）当碳纤维片材的延伸长度不能满足上条规定的锚固长度要求时，应采取相应的附加锚固措施。对于梁，在碳纤维片材延伸长度范围内可设置碳纤维片U形箍作为附加锚固措施。6）对梁、板负弯矩区进行加固时，可凿除桥面铺装层后在顶面粘贴碳纤维片材，然后再恢复桥面铺装层。不应使加固的碳纤维片材直接与车轮接触兼作磨耗层。7）当沿柱轴方向粘贴碳纤维片材、对柱的正截面承载力进行加固时碳纤维片材应具有可靠的锚固措施。
3 碳纤维修复补强技术施工关键工艺
在碳纤维片加固施工前，应尽可能地卸去部分荷载，使碳纤维粘贴施工时结构或构件承受的荷载作用减小到最小程度。其加固施工工序为：混凝土基底处理一涂底层涂料一用环氧腻子进行残缺修补一贴碳纤维片―养护一涂装―完工验收。
3.1 混凝土基底处理
1）裂缝处理。宽度小于0.Znnll的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹封闭;大于0.2。的裂缝用环氧树脂灌缝，所使用的方法有压力灌胶法等。2）将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净，达到结构密实部位，并使其表面平整。3）检查外露钢筋是否锈蚀。如有锈蚀，需进行必要处理。4）对经剔凿清除处理的构件和露筋构件的残缺和不平整部分，用环氧砂浆进行修补、复原，达到表面平整。5）将构件表面凸出部分(混凝土构件交接部位、模板的段差等)打磨平整，修复后的段差要尽量平顺;棱角的部位，用磨光机磨成圆角，圆角半径须≥30mm。6）结构或构件表面打磨后，用吹风机将表面灰尘和杂物清理掉，或用水及酒精清洗，并使表面充分干燥。
3.2 涂底层涂料
1）把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，用搅拌器搅拌均匀;一次调和量应在可使用时间内用完。2）用滚筒刷均匀地将底层涂料涂刷于混凝土表面，指触干燥后(一般养护3～24小时)才能进行下一道工序的施工。3）底层涂料指触干燥或固化后，表面上的凸起部分(一般类似结露的露珠一样)要用砂布或角磨机磨平。)构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，并修复至表面平整、顺滑。4）内角(段差、起拱等)要用环氧腻子填补，使之平顺。用腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。5）纤维片材长度方向的接头必须搭接10mm以上。该部位应多涂树脂，脱泡、树脂操作按正常进行。在片材宽度方向不需要搭接。6）贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用环氧树脂，称为下涂。贴片时，在纤维片和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使树脂渗浸进纤维中。7）纤维片施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂，称为上涂。最后一层碳纤维的上涂应涂刷均匀、周边整齐。
3.3 养护
1）碳纤维片施工后，应进行养护，保证养护期间的温度不低于环氧树脂的允许使用温度。2）养护期一般在1～2周内。3）对于有风吹、有雨淋或可能存在人为扰动的地方应进行遮挡封闭养护。
3.4 涂装
补强加固作业完成后，碳纤维材料表面可根据需要，涂刷各种性能和不同颜色的涂装，增加补强的效果。对以上各道工序均有严格的操作要求，操作手必须进行专业的培训，必须具有上岗证。承包单位应具有一定的经验和专业资质证明，以确保“粘贴结合面”的可靠工作。碳纤维在施工中经常发生的一种现象就是“空鼓”。关于“空鼓”的产生是难免的，主要由于粘贴表面的不平整(构件表面混凝土蜂窝、麻面、凹陷、凸出等)，以及粘贴操作中在纤维片和树脂之间的空气未能全部逸出所致，因而当全部工序完成后将会在内部存留一定数量的气泡，在温度作用下而导致了“空鼓”的产生。检查方法可用小锤逐处敲击听音而以便确定“空鼓”的数量和范围(空鼓的数量和面积)。当上涂完成后3.0小时至4天内进行“空鼓”处理。日本规范要求(我国尚未发布相应的规范)，对于直径在10mm以上，30mm以下的空鼓，每平方米不超过10个，如果超过10个或直径超过30“者，则为不合格，需进行补修。具体补修方法应根据具体情况而定，可以采用:(l)注入环氧树脂法;(2)割刀切入填充树脂法;(3)割去不良部分重新粘贴法。
3.5 施工注意事项
1）气温在 5℃以下、相对湿度 RH> 85%、混凝土表面含水率在 8%以上、有结露的可能时，无有效措施不得施工。2）由于碳纤维片为电的良导体，应使其远离电源。3）施工用各种树脂远离明火，并避免阳光直射。4）施工及检查人员应穿防护工作服、配戴口罩、手套、防护眼镜等防护用具。5）施工现场通风状况良好。6）当树脂粘附在皮肤上时，应立即用肥皂水冲洗，溅入眼内用清水清洗或及时就医。
4 结语
总之，碳纤维加固是一种非常便捷的加固方法，安全可靠，不中断交通，不改变结构外形，不增加结构重量。通过本文的研究，完善了碳纤维加固的设计计算方法，发展了碳纤维加固的施工技术，为碳纤维加固技术在桥梁工程中的推广应用积累了宝贵的经验。
参考文献：
[1] 谢剑，赵彤，王亨，碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯承载力设计方法的研究，建筑技术，2002，33(6)，411~413。
[2]杨建中，熊光晶等.混杂纤维加固混凝土方柱的轴心受压试验研究[J]建筑结构2003，5:59~61。
[3]廖娟，过载桥梁的碳纤维布加固试验与理论研究，浙江大学，2008
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