碳纖維單向布加固砼技術(shù)在舊橋改建中的應用

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一、概述 
    碳纖維單向布具有高強度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點。應用專用的樹脂和碳纖維布，按設計要求粘貼于砼表面，從而達到結(jié)構(gòu)物加固補強效果。通過對梁、板、柱等進行加固前后大量對比試驗，力學性能顯著得到提高，據(jù)試驗研究統(tǒng)計粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5～8%。此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比，具有自重小、施工簡便、施工周期短和耐久性好等特點。 
    美國、日本等國于二十世紀八十年代開始進行實驗研究，目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，僅日本1997年用于加固修復的碳纖維布使用量就達70萬m2。我國近兩年來，科研單位和院校在這方面的研究和應用做了大量工作，生產(chǎn)出一系列的碳纖維復合材料，使工程降低了費用，同時也取得了較成熟的設計方法和施工經(jīng)驗，為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。 
    二、立交橋改建工程設計簡介 
    健翔立交橋位于北京的北四環(huán)路與八達嶺高速路相交處，于1998年建成。橋梁上部結(jié)構(gòu)為6跨、L＝18m預應力砼簡支梁。中央設隔離帶，兩側(cè)為雙向機動車道，兩外側(cè)為非機動車道，全寬55m。隨著城市交通量的增長，立交橋現(xiàn)有的寬度已不能滿足交通量的需要，為確保四環(huán)路成為城市快速路，需將現(xiàn)況橋梁向南、北兩側(cè)拓寬至72m，將現(xiàn)兩外側(cè)的非機動車橋改建為輔路橋，并新建非機動車橋。現(xiàn)況橋上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁，對應機動車道部分的荷載均按汽車—超20級、掛車—120設計，而對應非機動車道的上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁荷載均按汽車—15級、掛車—80進行設計，并且改建為輔路橋后要求荷載均為汽車—超20級、掛車—120?，F(xiàn)非機動車橋的主梁拆除更換，但各中墩蓋梁的機動車和非機動車中間未斷開，為三跨一聯(lián)的變截面普通鋼筋砼連續(xù)結(jié)構(gòu)。 
    經(jīng)反復核算比較，為盡量減小蓋梁正負彎矩區(qū)的補強加固工作量，一方面采用了減輕橋梁自重措施，將砼橋面改為輕質(zhì)(容重為19KN/m3)砼橋面，另一方面加寬中墩蓋梁下墩柱寬度，蓋梁的正負彎矩及剪力均相應減小，這樣對應機動車部分蓋梁的現(xiàn)鋼筋配置可滿足設計要求，而對應輔路(現(xiàn)非機動車橋)部分蓋梁按現(xiàn)配筋其應力與設計要求相差10～15%。為節(jié)省工程投資，且根據(jù)現(xiàn)四環(huán)路交通不允許中斷的情況，經(jīng)有關(guān)部門批準，確定將全橋的5排中墩蓋梁的20個正負彎矩區(qū)進行補強加固處理，全橋蓋梁加固面積395m2，其具體加固位置見圖。 
    三、加固方案和材料的選定 
    1、加固方案的選定 
    各中墩蓋梁原設計為隱形蓋梁給加固工作帶來較大的困難，最早提出采用噴射鋼纖維砼和外包鋼板的加固方案，因主梁梁端在跨間處距蓋梁外側(cè)面僅5cm，經(jīng)計算比較與施工空間的限制上述兩方案可行性較小，最后確定選用碳纖維復合材料進行補強加固。碳纖維布的極限抗拉強度高于普通鋼筋的10倍以上，而彈性模量也與鋼筋相近，較適合于鋼筋砼結(jié)構(gòu)的補強加固工程。另外施工簡便，適用于要求施工周期短的加固工程。 
    2、材料的選定 
    近二、三年來，我國引進了美國、日本生產(chǎn)的碳纖維復合材料，進行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費用高影響推廣應用。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復合材料的出現(xiàn)，為該工程材料的選用奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)比較采用北京鐵華大眾科技發(fā)展有限公司的碳纖維布和配套樹脂，其中碳纖維布采用的是國外進口優(yōu)質(zhì)絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，費用較低。產(chǎn)品通過國家級質(zhì)檢部門的嚴格檢驗，各項性能指標已達到國外同類產(chǎn)品的水平。下面是碳纖維單向布和配套樹脂的規(guī)格及與日本同類產(chǎn)品(日鐵系列指標)性能對比結(jié)果(見表1～5)。 
    碳纖維單向布性能對比表 2 
    碳纖維單向布的規(guī)格表 1 
    CFC 日鐵FTS 測試方法 
    牌號 單位面積碳纖維布的質(zhì)量g/m2 拉伸強度 MPa 3730 
    3930 
    4050 3400 非標 
    CFC?20 200±10 拉伸模量 GPa 235 230 非標 
    CFC?25 250±10 抗剪強度 MPa 11?4 非標 
    CFC—30 300±10 粘結(jié)強度 MPa 2?56 JIS K5400 
    注：用于加固補強 
    表面處理樹脂性能對比表 3 
    SE 日鐵FP—NS 方法 
    粘結(jié)強度 MPa 2.2 2.9 JIS K5400 
    注：用于被加固砼結(jié)構(gòu)的表面處理 
    修平樹脂性能對比表 4 
    浸漬樹脂性能對比表 5 
    IE 日鐵FE-E3P 方法 
    RE 日鐵FE—2 方法 拉伸強度 MPa 57.5 29 JIS K7113 
    壓縮強度 MPa 76 34 JIS K7208 拉伸模量 GPa 93.1 39 JIS K7203 
    抗剪強度 MPa 14.3 9.8 JIS K6850 抗剪強度 MPa 85.1 JIS K7208 
    粘結(jié)強度 MPa 2.1 2 JIS K5400 粘結(jié)強度 MPa 15.5 9.8 JIS K6850 
    注：用于砼結(jié)構(gòu)表面修平 注：用于碳纖維布的粘貼、浸漬，使其與砼結(jié)合成為一個牢固整體 

    通過采用上述碳纖維復合材料對鋼筋梁、板和柱等構(gòu)件進行補強加固前、后不同類型的力學性能試驗研究，以及對施工環(huán)境條件、施工工藝的防護層的探討和研究，并經(jīng)過反復的實驗與檢驗證實產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)良，并在航天、航空和軍事方面得到應用，現(xiàn)以批量生產(chǎn)。
    四、施工工藝 
    為確保受彎鋼筋蓋梁結(jié)構(gòu)的原受力鋼筋與加固碳纖維能夠同步工作，應該盡量縮短原蓋梁鋼筋與碳纖維的應力應變的差值，蓋梁加固時需考慮卸載措施，這樣可推遲將原蓋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋受力轉(zhuǎn)給碳纖維的時間，積極地改善蓋梁結(jié)構(gòu)，并使得破壞時原鋼筋和碳纖維各自進入極限狀態(tài)，蓋梁的總體強度顯著得到提高。蓋梁加固時卸載措施：拆除原荷載標準低的主梁→碳纖維布粘貼加固→安裝新標準荷載主梁。 
    加固施工工藝 
    1、對被加固砼表面作打磨處理，除去風化層，露出新茬，清除灰塵，保持清潔。 
    2、將表面處理樹脂均勻涂刷在待施工的界面上，不得有遺漏處。 
    3、待表面樹脂不粘手時，用修平樹脂找平基面，做到基面平整無凹陷處。 
    4、待修平樹脂不粘手已基本固化后，即可將浸漬樹脂均勻涂刷在上面，厚度約3～5mm，不得有過厚、過薄或有遺漏處。 
    5、將碳纖維單向布展開、拉緊，平鋪在涂有浸漬樹脂的基面上，再用專用工具反復滾壓，排除單向布與浸漬樹脂間的空氣，使單向布完全浸漬于樹脂之中，要做到碳纖維單向布平、直，中間無空穴、無氣泡。 
    6、第二層及以后單向布的鋪設與第4、5二項的操作及要求相同。 
    7、在鋪設滾壓最后一層單向布后，應做一次最后的壓平、整理，并再涂浸漬樹脂，厚度約1～2mm。 
    8、加固層完全固化時間約7d，完全固化后即可根據(jù)設計要求，涂刷防護及裝飾外用面漆。 
    選用的防護層具有優(yōu)異的抗老化和耐介質(zhì)腐蝕性能，可在-50℃～120℃溫度的環(huán)境下長期使用，此材料已在中央電視塔、三峽工程西陵長江大橋等多項重點工程中使用，效果良好。健翔立交橋加固工程自2000年6月上旬開工，2000年7月上旬竣工歷時約30天，碳纖維布與梁表面粘結(jié)良好，施工質(zhì)量取得了滿意的效果。
    五、加固優(yōu)點及探討意見 
    1、碳纖維布重量輕，施工時不用任何重型設備，其又很薄不需要較大的空間，尤其是在該工程加固空間緊張的情況下，更能顯示這一優(yōu)越性。 
    2、加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)，采用粘貼強度高和高彈性模量的碳纖維的辦法，也能取得類似于鋼板的同樣加固效果，但其結(jié)構(gòu)重量未增加，外表也輕巧美觀。 
    3、有極好的耐久性，由于加固只使用碳纖維和配套樹脂，因而不會出現(xiàn)生銹，并具有耐酸、堿、鹽和大氣環(huán)境腐蝕等性能，碳纖維布有極好的抗化學作用。 
    4、在健翔立交橋加固工程中使用碳纖維復合材料加固中墩蓋梁，經(jīng)初步計算為工程節(jié)省投資約2500萬元，減少了施工周期，還解決了施工中不中斷交通的難題，取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益，受到了有關(guān)單位的好評。 
    5、為促進該項新技術(shù)、新材料的快速發(fā)展，建議有關(guān)單位應盡快組織力量，制定完整的設計、施工、質(zhì)量檢驗和驗收標準等技術(shù)規(guī)范。 
    綜上所述，粘貼碳纖維復合材料新技術(shù)是加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)行之有效的方法，值得推廣應用。