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摘要：碳纖維單向布與配套樹脂材料是加固維修鋼筋砼結(jié)構(gòu)領域中的新材料、新工藝。在北京北四環(huán)路健翔立交橋改建中，為使原鋼筋砼蓋梁設計荷載由汽車—5級提高為汽車—超20級，采用了此技術(shù)進行加固補強。用此新技術(shù)、新材料加固的工作量之大在北京市政、公路工程尚屬首例，同時也取得了較大的經(jīng)濟效益。本文對該材料性能與施工工藝等有關技術(shù)問題做一介紹。

關鍵詞：碳纖維單向布加固砼技術(shù)應用

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?，F(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。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MPa3730

3930

40503400非標

CFC20200±10拉伸模量GPa235230非標

CFC25250±10抗剪強度MPa114非標

CFC—30300±10粘結(jié)強度MPa256JISK5400

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MPa2.22.9JISK5400

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MPa57.529JISK7113

壓縮強度MPa7634JISK7208拉伸模量GPa93.139JISK7203

抗剪強度MPa14.39.8JISK6850抗剪強度MPa85.1JISK7208

粘結(jié)強度MPa2.12JISK5400粘結(jié)強度MPa15.59.8JISK6850

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。

加固位置圖

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。