CFRP在橋梁加固中的應(yīng)用綜述

(重慶交通大學(xué) 重慶 400047)

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國(guó)的橋梁工程發(fā)展已經(jīng)具有相當(dāng)大的規(guī)模，但是伴隨我國(guó)的交通量的快速增長(zhǎng)和標(biāo)準(zhǔn)車輛的逐步重型化不少的橋梁出現(xiàn)了問題。一方面是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)不能預(yù)見社會(huì)的高速發(fā)展，按照原設(shè)計(jì)橋梁的承載了不能滿足要求以及部分橋梁在遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命便出現(xiàn)了耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象；另一方面時(shí)由于早期局限于設(shè)計(jì)、施工水平，使得橋梁暴露出不少的缺陷。故橋梁的加固處理是必要的。目前關(guān)于混凝土橋梁的常用加固方法有橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、增大截面與配筋加固法、錨噴混凝土加固法、增加橫向聯(lián)系加固法、增設(shè)主梁加固法、改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法、粘貼鋼板加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼碳纖維布加固法等[1]。本文主要介紹使用碳纖維布加固已有橋梁的方法。

一、CFRP的介紹

(一)CFRP類別

CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)首先運(yùn)用于航天工程，在80年代初開始對(duì)應(yīng)用于土建工程進(jìn)行研究.由于其優(yōu)秀的力學(xué)性能，被應(yīng)用于PC橋梁的張拉、建筑物的外墻、既有橋梁的加固等方面。碳纖維復(fù)合材料的種類較多,其中用于混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的大致可分為三類。按力學(xué)性能分為高模量(I型)、高強(qiáng)度(Ⅱ型)和中等模量(Ⅲ型)3種；按形式分為長(zhǎng)纖維和短纖維2種,其中長(zhǎng)纖維由材料的形狀分為片材、棒材、型材和特殊構(gòu)造用材料4種;按原絲種類分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維和瀝青基碳纖維2種。

(二)CFRP的基本力學(xué)性能

使用CFRP進(jìn)行加固作為當(dāng)前橋梁加固的熱門研究方向的原因在于它具有優(yōu)良的力學(xué)性能。首先，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度高，一般為2000—7000 MPa，順纖維方向的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橋梁工程中常用的HRB400鋼筋(1860Mpa)，但是CFRP各項(xiàng)異性，均勻性比較鋼板要差，抗剪強(qiáng)度低；其次，CFRP的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、密度均低于普通鋼筋和高絞線，其中密度只有鋼筋的1/5左右，十分便于施工安裝；同時(shí)，根據(jù)抗疲勞性能好,瑞士聯(lián)邦材料試驗(yàn)研究所曾對(duì)l9絲CFRP纜索做過測(cè)試,其平均應(yīng)力達(dá)到550MPa時(shí),200萬次循環(huán)荷載應(yīng)力幅度可達(dá)900MPa,是鋼材的4倍[2]；此外，碳纖維復(fù)合材料還具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、耐疲勞、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能電磁屏蔽性好等優(yōu)良特性。

目前，在橋梁加固中，CFRP的主要是通過與構(gòu)件協(xié)同作用承受拉應(yīng)力，并對(duì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行約束，避免裂縫二次發(fā)展。

二、CFRP加固橋梁

(一)CFRP加固橋梁的原理

碳纖維復(fù)合材料加固橋梁技術(shù)是利用樹脂類材料把CFRP粘結(jié)于橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，與橋梁結(jié)構(gòu)形成復(fù)合體協(xié)同工作，從而達(dá)到加固的作用。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)受到彎矩作用時(shí)，會(huì)使構(gòu)件的受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，若是將碳纖維復(fù)合材料粘貼于受拉區(qū)表面，構(gòu)件受到彎矩作用時(shí)，若該彎矩過大，使鋼筋出現(xiàn)伸長(zhǎng)，混凝土將出現(xiàn)裂縫，則貼于構(gòu)件表面的碳纖維復(fù)合材料會(huì)受力，阻止裂紋發(fā)生，或者阻止已有裂紋的進(jìn)一步延伸。另一方面，在構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼CFRP將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件截面的受壓區(qū)域高度增加，進(jìn)而提高受彎構(gòu)件的承載能力。

(二)CFRP加固橋梁的方法

1.CFRP加固橋梁傳統(tǒng)加固方法。直接粘貼是CFRP加固橋梁的一種常用方法，也就是用樹脂類材料把CFRP粘結(jié)于橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，是一種被動(dòng)加固法。具體方式主要有；1.沿構(gòu)件的主軸方向粘貼CFRP，使構(gòu)件的抗彎性能得到提高；2.沿構(gòu)件主軸垂直方向粘貼CFRP，使構(gòu)件抗剪承載力得到提高；同時(shí)，在主軸垂直方向粘貼CFRP可以改善加固位的延性，使抗震能力得到提高。該加固方法施工簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加的附加荷載較少，可適應(yīng)各種橋梁構(gòu)件。

CFRP加固的施工技術(shù)主要包括以下幾步：(1)基底處理，是在加固之前的施工預(yù)處理；(2)涂底層涂料，一是為了方便CFRP的粘貼，二是涂料滲透入加固結(jié)構(gòu)內(nèi)可以在一定程度上達(dá)到加固強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的作用；(3)粘貼CFRP；(4)養(yǎng)護(hù)；(5)表面涂裝。

2.預(yù)應(yīng)力CFRP加固方法。相較于傳統(tǒng)的直接粘貼CFRP的橋梁加固技術(shù)，還有一種較新的橋梁加固技術(shù)——預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)。這種技術(shù)能使固體的承載能力更大幅度提高，也能將碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良性能更多的發(fā)揮出來。但是這種方法更多的是在實(shí)驗(yàn)室研究室使用，應(yīng)用于實(shí)際工程中的很少。目前，預(yù)應(yīng)力CFRP在加固橋梁中有三種方法，即為反拱法(起拱法)、類似先張法和類似后張法[3]。

(三)CFRP加固橋梁的優(yōu)勢(shì)

同傳統(tǒng)加固方法相比較，CFRP加固方法有以下優(yōu)勢(shì)：(1)使用CFRP不會(huì)增加橋梁的自重，對(duì)橋梁截面尺寸的影響也很??；(2)隨型性很強(qiáng)，可以適用不同的構(gòu)件形狀；(3)施工十分方便，所需的工作面小，可在受到限制的空間進(jìn)行施工；(4)不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成二次損傷；(5)在混凝土表面粘貼CFRP可以有效的封閉裂縫，阻止裂縫的增大；(6)CFRP具備耐腐蝕的特性，故在一些易受到外界環(huán)境侵蝕的地方也可以使用。

(四)CFRP加固橋梁的不足

CFRP加固橋梁比較傳統(tǒng)加固方法有很多優(yōu)勢(shì)，但由于CFRP加固技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間較傳統(tǒng)加固技術(shù)短很多，缺少專業(yè)的施工隊(duì)伍，也缺少更多的實(shí)際工程來發(fā)現(xiàn)和解決問題，這導(dǎo)致進(jìn)行了加固之后的橋梁質(zhì)量的不到保證。常見的問題有材料本身的問題、施工工序的問題、施工條件控制的問題和施工后結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)的問題[4]。另一方面，實(shí)際結(jié)構(gòu)加固后原結(jié)構(gòu)受力主筋與CFRP補(bǔ)強(qiáng)材料之間卻存在分階段受力的特點(diǎn)，但是在現(xiàn)行的JTGTJ22—2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中確實(shí)按照兩者共同變形受力計(jì)算的，雖然在施工時(shí)會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，但仍然存在影響。同時(shí)，由于發(fā)展時(shí)間較短，缺少大量的實(shí)際工程做支撐，在理論和實(shí)驗(yàn)方面需要進(jìn)一步的研究，故CFRP材料應(yīng)用于橋梁加固還有一些需要進(jìn)一步解決的地方：首先，CFRP材料存在疲勞問題，這對(duì)加固的年限有影響；CFRP材料受爆曬、化學(xué)物質(zhì)的影響會(huì)出現(xiàn)老化的問題；在進(jìn)行了CFRP材料加固之后，由于CFRP的抗拉強(qiáng)度，可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的混凝土被壓碎而鋼筋未發(fā)生屈服，橋梁發(fā)生脆性破壞，這不僅是影響加固效果，這還是一個(gè)可能存在的安全隱患。要想CFRP材料加固橋梁能更進(jìn)一步的發(fā)展，這些問題有必要在深入的研究。

三、結(jié)論與建議

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固橋梁技術(shù)在施工時(shí)占用空間小、施工容易，并且它對(duì)施工場(chǎng)地周邊環(huán)境的影響很小，符合當(dāng)今要求的環(huán)保施工的要求，這是未來橋梁加固的一種趨勢(shì)。