碳纖維單向布加固混凝土技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用

碳纖維單向布加固混凝土技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用摘要:碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。關(guān)鍵字:碳纖維單向布加固混凝土技術(shù)在舊橋改建中的應(yīng)用一、概述碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過對梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對比試驗，力學(xué)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(diǎn)。美國、日本等國于二十世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行實(shí)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(fù)的碳纖維布使用量就達(dá)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(yīng)用做了大量工作，生產(chǎn)出一系列的碳纖維復(fù)合材料，使工程降低了費(fèi)用，同時也取得了較成熟的設(shè)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(shè)計簡介健翔立交橋位于北京的北四環(huán)路與八達(dá)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(yù)應(yīng)力砼簡支梁。中央設(shè)隔離帶，兩側(cè)為雙向機(jī)動車道，兩外側(cè)為非機(jī)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(jī)動車橋改建為輔路橋，并新建非機(jī)動車橋?，F(xiàn)況橋上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁，對應(yīng)機(jī)動車道部分的荷載均按汽車—超20級、掛車—120設(shè)計，而對應(yīng)非機(jī)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(jìn)行設(shè)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(jī)動車橋的主梁拆除更換，但各中墩蓋梁的機(jī)動車和非機(jī)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(fù)核算比較，為盡量減小蓋梁正負(fù)彎矩區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)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(fù)彎矩及剪力均相應(yīng)減小，這樣對應(yīng)機(jī)動車部分蓋梁的現(xiàn)鋼筋配置可滿足設(shè)計要求，而對應(yīng)輔路(現(xiàn)非機(jī)動車橋)部分蓋梁按現(xiàn)配筋其應(yīng)力與設(shè)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(zhǔn)，確定將全橋的5排中墩蓋梁的20個正負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)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(shè)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(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(jìn)了美國、日本生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費(fèi)用高影響推廣應(yīng)用。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復(fù)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(jìn)口優(yōu)質(zhì)絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，費(fèi)用較低。產(chǎn)品通過國家級質(zhì)檢部門的嚴(yán)格檢驗，各項性能指標(biāo)已達(dá)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(biāo))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1CFC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(qiáng)度MPa3730393040503400非標(biāo)CFC20200±10拉伸模量GPa235230非標(biāo)CFC25250±10抗剪強(qiáng)度MPa114非標(biāo)CFC—30300±10粘結(jié)強(qiáng)度MPa256JISK5400注：用于加固補(bǔ)強(qiáng)表面處理樹脂性能對比表3SE日鐵FP—NS方法粘結(jié)強(qiáng)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5IE日鐵FE-E3P方法RE日鐵FE—2方法拉伸強(qiáng)度MPa57.529JISK7113壓縮強(qiáng)度MPa7634JISK7208拉伸模量GPa93.139JISK7203抗剪強(qiáng)度MPa14.39.8JISK6850抗剪強(qiáng)度MPa85.1JISK7208粘結(jié)強(qiáng)度MPa2.12JISK5400粘結(jié)強(qiáng)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(fù)合材料對鋼筋梁、板和柱等構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固前、后不同類型的力學(xué)性能試驗研究，以及對施工環(huán)境條件、施工工藝的防護(hù)層的探討和研究，并經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗與檢驗證實(shí)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(yīng)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(yīng)該盡量縮短原蓋梁鋼筋與碳纖維的應(yīng)力應(yīng)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(jìn)入極限狀態(tài)，蓋梁的總體強(qiáng)度顯著得到提高。蓋梁加固時卸載措施：拆除原荷載標(biāo)準(zhǔn)低的主梁→碳纖維布粘貼加固→安裝新標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(fù)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(shè)與第4、5二項的操作及要求相同。7在鋪設(shè)滾壓最后一層單向布后，應(yīng)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(shè)計要求，涂刷防護(hù)及裝飾外用面漆。選用的防護(hù)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(diǎn)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(diǎn)及探討意見1碳纖維布重量輕，施工時不用任何重型設(shè)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(qiáng)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(xué)作用。4在健翔立交橋加固工程中使用碳纖維復(fù)合材料加固中墩蓋梁，經(jīng)初步計算為工