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２００５年 四川公路設(shè)計(jì)院 鄭遠(yuǎn)鵠 吳士東晨光化工研究院 王 洪 楊旭明 摘要 碳纖維（GFRP）是一種高強(qiáng)度、高性能的新材料，碳纖維布加固橋梁和混凝土結(jié)構(gòu)，是近年發(fā)展起來的一種高新技術(shù)。它性能優(yōu)良，質(zhì)量可靠，施工便捷，設(shè)備簡單，不損傷梁體，不增加構(gòu)件重量，不留加固痕跡造價(jià)相對(duì)較低。本次通過設(shè)計(jì)、化工、科研、施工各方的密切合作，成功地將這一新材料、新技術(shù)運(yùn)用于隆納高速公路橋梁加固，掌握了全套加固技術(shù)。
一、 概況 隆納高速公路主線K70±340和匝道AKO±838.38兩座橋，均為跨徑13米的綱筋混凝土板橋，梁高55厘米，橋梁總寬分別為33.9米和25.75米，每橋由獨(dú)立的兩幅組成，幅寬為20.73米、13.17米、13.47米、12.28米。該兩橋原設(shè)計(jì)為預(yù)制安裝鋼筋混凝土鉸接板橋，后因施工條件變化，改為分幅全寬現(xiàn)澆鋼筋混凝土體板橋。鉸接板改為整體板后，橫向鋼筋仍按原鉸接板中構(gòu)造箍筋φ8設(shè)置。 結(jié)構(gòu)改變后，板寬大于或等于板跨，除縱向內(nèi)力外，還產(chǎn)生了板內(nèi)橫向變距，而橫向鋼筋太弱，就形成了大量縱向裂縫，需進(jìn)行橫向加固和封閉裂縫。 二、修復(fù)方案的選擇 本橋所處路段當(dāng)時(shí)尚未正式通車，要拆除重建也是一種補(bǔ)救措施，但業(yè)主基于社會(huì)影響，工期和造價(jià)，選擇了原橋加固的方法。 根據(jù)該橋情況，有3種修復(fù)加固方法可供選擇：
1、橫向預(yù)應(yīng)力加固 本橋兩側(cè)邊緣鉆孔或粘錨預(yù)應(yīng)力錨頭（錨座），用于粘結(jié)或有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼鉸線進(jìn)行橫向張拉，然后對(duì)錨頭和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線用砼封包，并進(jìn)行裂縫封閉。 此是一種主動(dòng)性的加固方法，它可以減少和消除板梁中前期已形成的橫向應(yīng)力，改善梁體應(yīng)力狀態(tài)，加固效果良好。缺點(diǎn)是該法要在梁體上鉆孔、打洞、鑿毛、植筋，對(duì)梁體和受力鋼筋有一定傷害，同時(shí)在梁底形成外露無粘接筋或混凝土肋，加固痕跡明顯，有損梁體美觀；該法加固工作量也較大。
2、粘貼鋼板法 在梁底和加強(qiáng)鋼板上鉆孔，將抗剪螺栓置入梁底鉆孔，通過鋼板與經(jīng)嚴(yán)格處治的梁底間的樹脂粘劑和螺栓對(duì)鋼板加壓，使加固鋼板與梁底面粘為一體，從而達(dá)到加固的目的。 此方法旨在改善和減小后期活載受力，對(duì)前期已產(chǎn)生的恒戴內(nèi)力無作用。 此方法所需材料采購方便，不需埋置預(yù)應(yīng)力錨具和進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，但此法梁體鉆孔極多，且須與鋼板鉆孔一一對(duì)應(yīng)，難度較大，對(duì)原梁體結(jié)構(gòu)有所損傷，且加固痕跡顯著，特別對(duì)于剛落成橋梁，有損業(yè)主形象。
3、粘貼碳纖維（GFRP） 在經(jīng)除去浮漿、打磨和整平的梁體表面，用樹脂類粘結(jié)劑橫橋向粘貼碳纖維布，從而達(dá)到修復(fù)加固的目的。 碳纖維布（GFRP）是一種高強(qiáng)度、高性能的新材料，用它加固梁體，不鉆孔、不植筋、不需特殊設(shè)備、不增加梁體重量，施工便捷、質(zhì)量可靠、封閉性能尤佳，除色澤微偏黑外，不留其它痕跡。業(yè)主接受了此種加固方法。
三、碳纖維加固材料性能
1、碳纖維布 本項(xiàng)目所用碳纖維布為連續(xù)纖維單向排列的布狀碳纖維制品，厚度0.1毫米、寬度100毫米，其基本物理力學(xué)指標(biāo)如下表： 表1 碳纖維布基本力學(xué)指標(biāo) *注：本工程采用該碳纖維布。 碳纖維材料是一種具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，它具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和位伸模量，其單層（100毫米寬）碳纖維復(fù)合材料的極限抗拉力可達(dá)32KN，滿足了橋梁加固修復(fù)的結(jié)構(gòu)要求；同時(shí)，由于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，它具有不燃燒、耐腐蝕和使用壽命長的特點(diǎn)，極適宜于橋梁、高層建筑的結(jié)構(gòu)加固。 本次工程采用的碳纖維材料，出廠檢驗(yàn)指標(biāo)：拉伸彈性模量272Gpa/0.1mm，拉伸斷裂載荷4.5KN/層·10mm、拉伸伸長率1.73%。抽樣自檢指標(biāo)：拉伸斷裂載荷5.74KN/層·10mm（含膠粘劑部分強(qiáng)度）。
2、粘結(jié)劑及復(fù)合樹脂 本工程采用晨光化工研究院研制的系列建筑結(jié)構(gòu)粘合劑及施工工藝，根據(jù)不同部位、不同作用、不同氣候、不同情況，選用不同型號(hào)產(chǎn)品。性能指標(biāo)見表2。 表2 膠粘劑的性能指標(biāo) 碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)砼結(jié)構(gòu)，膠粘劑的選擇和使用是非常重要的。碳纖維能否充分發(fā)揮出應(yīng)有的力學(xué)性能，能否緊密地與砼表面貼合和傳遞所受的應(yīng)力，能否與碳纖維材料相容并形成穩(wěn)定高強(qiáng)的復(fù)合材料，與膠粘劑的品種和綜合性能關(guān)系甚大。膠粘劑除了應(yīng)具有較高的力學(xué)性能外，不同用途的膠粘劑還應(yīng)具備不同的特點(diǎn)：如底膠應(yīng)具備較低的粘度，通過毛細(xì)作用滲透到砼結(jié)構(gòu)中，形成“爪”式粘接結(jié)構(gòu)；找平膠應(yīng)具備良好的觸變性；最主要的粘碳纖維膠，不僅要具有好的滲透性以利于浸透碳纖維，同時(shí)還應(yīng)具有一定的初粘力，以防碳纖維布塌落而形成空洞或空隙，另一方面，由于碳纖維布粘貼加固是由多種膠粘劑共同作用而成，不同的膠粘劑之間的閑親和力或相容性必須良好。總之，對(duì)于膠粘劑而言，其粘接強(qiáng)度（包括粘接拉伸強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度等）的指標(biāo)是最主要的。 表3 幾種膠粘劑相互粘接力性能 膠粘劑自檢測(cè)試，TH81抗拉強(qiáng)度55.5Mpa，抗壓強(qiáng)度67Mpa，剪切強(qiáng)度21.2Mpa（鋼～鋼）；TH71-1剪切強(qiáng)度20.4Mpa（鋼～鋼）；TH81-1粘接拉伸強(qiáng)度45.1Mpa，剪切強(qiáng)度31.9Mpa（鋼～鋼）。 四、施工工藝 本工程施工工藝見圖1，施工流程示意圖： 五、碳纖維布加固的評(píng)述
1、碳纖維布加固與鋼板加固效果相同，它不能主動(dòng)去改變結(jié)構(gòu)前期受力，但可與原結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)后期恒載和活載，滿足結(jié)構(gòu)受力需要。
2、粘貼碳纖維布加固是一種新型、高效的結(jié)構(gòu)修復(fù)加固技術(shù)，它高強(qiáng)、高效，對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷，外觀無影響，荷載不增加，適用范圍廣，施工便捷、質(zhì)量可靠，深受業(yè)主們的喜愛。
3、粘貼碳纖維布能改善裂縫分布狀況和裂縫寬度。試驗(yàn)證明，粘貼碳纖維布后，裂縫間距減小，變密、變均勻，裂縫寬度減窄。這是結(jié)構(gòu)者所期望的。
4、碳纖維布封閉性能優(yōu)良。特別是本工程所采用的性能優(yōu)良的TH系列封縫粘合結(jié)構(gòu)膠形成的復(fù)合材料，具有很高的強(qiáng)度的封閉性能，不會(huì)在結(jié)構(gòu)破壞前開裂，其牢固地罩在結(jié)構(gòu)表面，防止有害氣體和物質(zhì)腐蝕鋼筋。 本次是對(duì)縱向裂縫進(jìn)行加固，但同時(shí)對(duì)橫向裂縫起到了封閉作用，保護(hù)了縱向受力主筋。 本次加固的兩座小橋粘貼面積690平方米，施工工期一月，全面實(shí)現(xiàn)了業(yè)主意圖和工期要求，已于二OOO年十一月通過業(yè)主、質(zhì)檢、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理組織的質(zhì)量驗(yàn)收，獲得各方一致好評(píng)。