摘要：碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%。此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短和耐久性好等特点，近几年在公路的建设中得到了广泛的应用。
关键词：碳纤维；单向布；桥梁；加固
一、概述
碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%。此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短和耐久性好等特点。
美国、日本、德国等国于二十世纪八十年代开始进行实验研究，目前已经大量使用此技术。据有关资料统计，仅日本1997年用于加固修复的碳纤维布使用量就达70万平方米。我国近两年来，科研单位和院校在这方面的研究和应用做了大量工作，生产出一系列的碳纤维复合材料，使工程降低了费用，同时也取得了较成熟的设计方法和施工经验，为广泛推广该技术创造了有利条件。
二、聊城市冠县马颊河大桥改造案例
聊城市冠县马颊河大桥位于冠县闫营镇境内，于1998年建成。桥梁上部结构为6跨、L＝18m预应力砼简支梁。中央设隔离带，两侧为双向机动车道，两外侧为非机动车道，全宽35m。随着交通量的增长，桥梁现有的宽度已不能满足交通量的需要，为确保通行安全，需将现况桥梁向南、北两侧拓宽至55m，将现两外侧的非机动车桥改建为辅路桥，并新建非机动车桥。现况桥上部结构主梁和中墩盖梁，对应机动车道部分的荷载均按公路—一级设计。现非机动车桥的主梁拆除更换，但各中墩盖梁的机动车和非机动车中间未断开，为三跨一联的变截面普通钢筋砼连续结构。
经反复核算比较，为尽量减小盖梁正负弯矩区的补强加固工作量，一方面采用了减轻桥梁自重措施，将砼桥面改为轻质（容重为19KN/m3）砼桥面，另一方面加宽中墩盖梁下墩柱宽度，盖梁的正负弯矩及剪力均相应减小，这样对应机动车部分盖梁的现钢筋配置可满足设计要求，而对应辅路（现非机动车桥）部分盖梁按现配筋其应力与设计要求相差10～15%。为节省工程投资，且根据交通不允许中断的情况，经有关部门批准，确定将全桥的5排中墩盖梁的20个正负弯矩区进行补强加固处理，全桥盖梁加固面积395平方米。
三、加固方案和材料的选定
1、加固方案的选定
各中墩盖梁原设计为隐形盖梁给加固工作带来较大的困难，最早提出采用喷射钢纤维砼和外包钢板的加固方案，因主梁梁端在跨间处距盖梁外侧面仅5cm，经计算比较与施工空间的限制上述两方案可行性较小，最后确定选用碳纤维复合材料进行补强加固。碳纤维布的极限抗拉强度高于普通钢筋的10倍以上，而弹性模量也与钢筋相近，较适合于钢筋砼结构的补强加固工程。另外施工简便，适用于要求施工周期短的加固工程。
2、材料的选定
近二、三年来，我国引进了美国、日本生产的碳纤维复合材料，进行了一些工程的加固，并取得了较好效益，但费用高影响推广应用。近期由于国产化系列的碳纤维复合材料的出现，为该工程材料的选用奠定了基础。
经比较采用北京某公司的碳纤维布和配套树脂，其中碳纤维布采用的是国外进口优质丝，质量可靠稳定，费用较低。产品通过国家级质检部门的严格检验，各项性能指标已达到国外同类产品的水平。
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通过采用上述碳纤维复合材料对钢筋梁、板和柱等构件进行补强加固前、后不同类型的力学性能试验研究，以及对施工环境条件、施工工艺的防护层的探讨和研究，并经过反复的实验与检验证实产品质量稳定、优良，并在航天、航空和军事方面得到应用，现以批量生产。
四、施工工艺
为确保受弯钢筋盖梁结构的原受力钢筋与加固碳纤维能够同步工作，应该尽量缩短原盖梁钢筋与碳纤维的应力应变的差值，盖梁加固时需考虑卸载措施，这样可推迟将原盖梁结构的钢筋受力转给碳纤维的时间，积极地改善盖梁结构，并使得破坏时原钢筋和碳纤维各自进入极限状态，盖梁的总体强度显著得到提高。
盖梁加固时卸载措施：拆除原荷载标准低的主梁→碳纤维布粘贴加固→安装新标准荷载主梁。
加固施工工艺
1、对被加固砼表面作打磨处理，除去风化层，露出新茬，清除灰尘，保持清洁。
2、将表面处理树脂均匀涂刷在待施工的界面上，不得有遗漏处。
3、待表面树脂不粘手时，用修平树脂找平基面，做到基面平整无凹陷处。
4、待修平树脂不粘手已基本固化后，即可将浸渍树脂均匀涂刷在上面，厚度约3～5mm，不得有过厚、过薄或有遗漏处。
5、将碳纤维单向布展开、拉紧，平铺在涂有浸渍树脂的基面上，再用专用工具反复滚压，排除单向布与浸渍树脂间的空气，使单向布完全浸渍于树脂之中，要做到碳纤维单向布平、直，中间无空穴、无气泡。
6、第二层及以后单向布的铺设与第4、5二项的操作及要求相同。
7、在铺设滚压最后一层单向布后，应做一次最后的压平、整理，并再涂浸渍树脂，厚度约1～2mm。
8、加固层完全固化时间约7d，完全固化后即可根据设计要求，涂刷防护及装饰外用面漆。
选用的防护层具有优异的抗老化和耐介质腐蚀性能，可在-50℃～120℃温度的环境下长期使用，此材料已在中央电视塔、三峡工程西陵长江大桥等多项重点工程中使用，效果良好。
聊城市冠县马颊河大桥加固工程自2014年6月上旬开工，2014年7月上旬竣工历时约30天，碳纤维布与梁表面粘结良好，施工质量取得了满意的效果。
五、加固优点及探讨意见
1、碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备，其又很薄不需要较大的空间，尤其是在该工程加固空间紧张的情况下，更能显示这一优越性。
2、加固钢筋砼结构，采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的办法，也能取得类似于钢板的同样加固效果，但其结构重量未增加，外表也轻巧美观。
3、有极好的耐久性，由于加固只使用碳纤维和配套树脂，因而不会出现生锈，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能，碳纤维布有极好的抗化学作用。
4、在健翔立交桥加固工程中使用碳纤维复合材料加固中墩盖梁，经初步计算为工程节省投资约2500万元，减少了施工周期，还解决了施工中不中断交通的难题，取得了较大的经济效益和社会效益，受到了有关单位的好评。
5、为促进该项新技术、新材料的快速发展，建议有关单位应尽快组织力量，制定完整的设计、施工、质量检验和验收标准等技术规范。
综上所述，粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋砼结构行之有效的方法，值得推广应用。
参考文献：
[1]姜春荣.碳纤维加固技术在改建桥梁补强工程中的应用[J]，《中国新技术新产品》2010.08
[2]尤培波，毛爱兰，杨国洲.CFRP及其在加固混凝土板中的应用分析 [J]，《城市建设理论研究（电子版）》2013.20
论文作者:杨斌
论文发表刊物:《基层建设》2016年22期
论文发表时间:2016/12/6
标签：碳纤维论文; 钢筋论文; 树脂论文; 冠县论文; 结构论文; 工程论文; 聊城市论文; 《基层建设》2016年22期论文;