专业碳纤维加固旧桥的具体方法

据统计，截至2001年底，我国20年前修建桥梁13万座，30年以前修建的桥梁11.4万座，当时建设的标准都很低，而都又服役二、三十年，特别是大吨位车辆的发展，有很多桥梁已经不适应要求，只能限载通过。虽然已经有一部分旧桥得到了加固补强，但仍有很大一部分仍在使用。由于我国的经济状况和发达国家相比还比较落后，不可能投入更多的资金对旧桥梁进行重建，因此必须通过结构补强的办法对旧桥梁进行改造，使其达到使用要求。

目前我国已经积累了丰富的旧桥加固经验，总的说来大致有以下几种方法：加大截面加固法、外包型钢加固法、预应力加固法、粘贴钢板加固法、玻璃钢加固法、喷射混凝土加固法等。各种加固方法都有其优点，都得到了较好的实践运用。

近年来，纤维类材料在土木工程中的运用一直是国内外研究的热点。随着材料科技的发展，现在已经开发出来了许多高科技纤维材料。在所有的纤维材料中，碳纤维是迄今为止用于土木工程领域最早、技术最成熟，也是运用数量最大的一种高科技材料。随着碳纤维材料被应用于建筑业，碳纤维加固技术也应运而生。

本文简单地介绍了碳纤维的特点以及用其加固桥梁的技术特点，在此基础上介绍了用碳纤维补强加固桥梁的应用范围，最后简要介绍了用碳纤维加固桥梁的施工要点，对于桥梁加固的发展和实际运用具有一定的意义。

1　碳纤维的特点

碳纤维是以聚丙烯腈或者中间相沥青纤维为原料经过高温碳化制成。用于混凝土结构补强的碳纤维种类较多，可以按不同的分类方法进行划分。按形状分类，可分为：片材(包括布状和板状)；棒材；型材；短纤维。按力学性能可以分为：高模量纤维；高强度纤维和中等弹性模量纤维。

在结构补强过程中，碳纤维中的布状材料和棒材都运用较多。碳纤维布的基本力学性能可以通过实验确定，目前有许多检测方法，尚未形成统一的测试标准。但总的讲来，碳纤维布和碳纤维棒材有较高的拉伸强度，一般大于1800MPa；弹性模量较大，一般略大于钢材的弹性模量，大于220GPa，一般在300GPa～640GPa之间。延伸率较小，不大于2%。其中碳纤维棒材的强度稍小于碳纤维布，而弹性模量则稍大。

在结构补强中，需要把碳纤维布和碳纤维棒材用有一定强度的粘结胶粘贴到混凝土上，使其和混凝土共同工作，以达到补强的目的。

2　碳纤维加固桥梁的技术特点

由于碳纤维材料的强度和弹性模量都很高，在桥梁加固中，和其它的加固技术相比，具有以下的优势：

ａ)高强高效　由于碳纤维材料优异的物理力学性能，在对混凝土桥梁进行加固补强过程中，可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高桥梁或其构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固的目的。

ｂ)耐腐蚀性及耐久性好　碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀和耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题，特别是在腐蚀环境下进行加固更有优势。

ｃ)不增加构件的自重及体积　碳纤维布质量轻且厚度薄，经加固修补的构件，基本上不增加结构的自重和尺寸，也不会减少建筑物的使用空间。这对于桥下要求通航或者有通行要求的旧桥进行加固特别重要。

ｄ)适用面广　由于碳纤维布是一种柔性材料，可以任意地裁剪，所以这种加固技术可以广泛地运用于各种结构类型、各种结构形状和结构的各个部位，且不改变结构形状、不影响结构外观。对于桥梁的墩台、梁板等结构构件都能够顺利的进行加固。

ｅ)便于施工　将碳纤维材料用于加固混凝土桥梁，在施工时不需要大型的机械设备，占用施工场地少，没有湿作业，工效极高。

用碳纤维加固桥梁结构有十分显著的优点，然而用碳纤维加固桥梁结构的造价较高，建议在补强加固桥梁时和其它的加固方法进行综合对比、选择。

3　碳纤维布加固桥梁时的运用范围

上面谈到用碳纤维布可以对各种构件进行加固，具体到桥梁加固中，它主要的可以对承受弯矩和剪力的构件的正截面承载力进行补强，对斜截面承载力进行加强，对截面的承剪进行加强；另外，用碳纤维布还可以对受压构件进行加强。简单介绍一下。

3.1　正截面承载力加强

用碳纤维布加强受弯构件的正截面承载力时，一般采用如图1所示的粘贴方法。

图1　碳纤维布补强正截面   1—钢筋；2—粘贴碳纤维布

具体的，在梁的底部粘贴一层或者数层碳纤维布，其截面形式可做成图1ｂ的形式。如有可能，碳纤维布应该粘贴成如图的Ｕ型截面，这种截面正截面的承载力提高更大。粘贴层数可以参照《混凝土结构设计原理》的正截面承载力的计算方法进行计算定量。进行计算时，仍然采用平截面假设，适当考虑碳纤维布强度的折减(一般碳纤维的强度不能够完全发挥[2])，建议一般取其强度的60%为宜。

3.2　斜截面抗弯和截面承剪加强

用碳纤维布对斜截面抗弯加固、或者用以提高截面的抗剪能力时，一般可采用图2所示的粘贴方式。

一般，把碳纤维布剪成条状，粘贴在梁的侧面，粘贴方向最好和梁体内的主拉应力迹线相一致，这样碳纤维布能够充分发挥其抗拉效能，阻止混凝土的开裂，进而也可以提高梁的抗剪能力。

计算时，仍可以参照《混凝土结构设计原理》中对于弯起钢筋的抗弯和抗剪的考虑方式来考虑碳纤维布的作用，进而确定碳纤维布的用量。

图2　碳纤维布补强斜截面抗弯以及截面抗剪能力    1—碳纤维布

3.3　受压构件的加固

用碳纤维对受压的混凝土柱进行加强时，一般可以用如图3所示的粘贴方法。

在加固后的受压混凝土杆件中，碳纤维的作用类似于混凝土柱中箍筋的作用，因此计算时仍可以参照《混凝土结构设计原理》中对于箍筋的处理方法，对碳纤维布的作用进行量化，以确定粘贴的层数。另外，柱体可以全部用碳纤维包裹，也可以部分包裹，初期的研究证明部分包裹可能更具优势，如图3的立面图所示。

图3　混凝土受压构件的加固   1—粘贴的碳纤维布；2—混凝土柱体

用碳纤维布加固的混凝土柱不仅能够提高承载力，而且能够提高混凝土柱的延性[2]。因此，对处于地震活动较为频繁地区的桥梁墩台进行加固时，用它更具优势。

4　碳纤维布加固的施工要点

用碳纤维布加固桥梁时，应该按照以下步骤进行，并注意每一步的关键。

ａ)施工准备　充分分析、研究加固的桥梁或其构件的特点，并对使用的材料、配套树脂、机具做好准备工作。

ｂ)原结构混凝土基面处理　对粘贴的混凝土基面进行打磨处理。如果在潮湿环境，应该对表面进行干燥处理；应该清除表面的浮灰；应该把转角打磨成圆弧状；混凝土表面如有裂纹，应该首先封闭裂纹。表面处理关系到粘贴的效果，是碳纤维布能否和原结构共同工作的关键，应该予以足够重视。

ｃ)刷底层树脂　底层树脂的作用是保证碳纤维布和混凝土构件有足够的粘结，以使它们共同工作；底层树脂应该均匀、全面，避免厚度不一和局部漏刷。

ｄ)粘贴碳纤维布　用浸润树脂把碳纤维布粘贴平顺，挤出其中的气泡。如果为多层，重复前面步骤——再贴纤维布、再挤出气泡，最后覆上聚酯薄膜。

ｅ)粘贴的碳纤维布的表面处理　待树脂固化后，根据需要可以在碳纤维布的外面刷一层防晒漆或者防火漆，以减缓树脂的老化、或者增强结构的防火性。

5　碳纤维棒材加固桥梁结构的一般方法

碳纤维棒材对构件进行加固时，由于受到自身几何形状的影响，它主要的用于对受弯构件的正截面承载力进行补强，对斜截面承载力进行加强，对截面的承剪进行加强。下面将碳纤维棒材加固桥梁结构的一般方法简单介绍如下：

5.1　正截面承载力加强

用碳纤维棒材加强受弯构件的正截面承载力时，一般采用植筋的方法。

当受弯构件的正截面抗弯能力不能满足需要而采用碳纤维棒材加固时，首先凿除梁底的混凝土或者在梁底混凝土中凿出纵向的沟槽，将碳纤维棒材绑扎在结构原有的纵向主拉钢筋上，或者锚固在凿出的沟槽中，然后浇注环氧混凝土，封闭碳纤维棒材并使其和原有的混凝土结构粘结成整体。待环氧树脂固化后，结构加固工作就完成了。

碳纤维棒材的用量可以参照《混凝土结构设计原理》的正截面承载力的计算方法进行计算定量。进行计算时，仍然采用平截面假设，适当考虑碳纤维棒材强度的折减，另外注意选用和混凝土弹性模量和温变系数相当的环氧混凝土，以避免环氧混凝土在工作中由于受力或者温变因素和原结构脱离而达不到预期效果。

5.2　斜截面抗弯和截面承剪加强

用碳纤维棒材对斜截面抗弯加固、或者用以提高截面的抗剪能力时，一般也采用植筋方式。

加固时，可参照图2，在梁的侧表面、和梁体内的主拉应力迹线一致的地方，凿出沟槽(直接对抗剪加固时，沟槽也可和箍筋反向一致)，放入碳纤维棒材，然后运用环氧树脂混凝土封闭。加固后，碳纤维布棒材可发挥其抗拉效能，阻止混凝土的开裂，进而也可以提高梁的斜截面抗弯能力和截面抗剪能力。

计算时，仍可以参照《混凝土结构设计原理》中对于弯起钢筋的抗弯利抗剪的考虑方式来考虑碳纤维的作用，进而确定碳纤维棒材的用量，同时也应该注意环氧混凝土的选择。