中国桥梁工程的发展已具有相当规模, 公路交通量不断增加, 行车密度及车辆载重越来越大, 公路桥梁负荷日趋加重。有一部分公路桥梁是中国20世纪80年代以前修建的。因其设计荷载标准偏低, 普遍存在承载力不足的问题。而20世纪80年代以后修建的, 其中已有不少桥梁暴露出缺陷, 更有一些在远没有达到设计寿命时出现耐久性能严重退化的现象, 影响其承载能力和使用寿命。因此, 采用适当的加固和改造技术措施, 恢复和提高桥梁的承载能力及通行能力, 延长桥梁的使用寿命, 以适应现代化交通运输的需要变得十分迫切。
该方法主要是通过增大受力截面.提高桥梁的承载能力。增大混凝土截面一般采用3种方式:
(1) 桥面板补强加固。通过在梁顶上加铺一层钢筋混凝土层.与原有主梁形成整体.达到增大主梁有效高度和提高抗压截面强度, 改善桥梁荷载横向分布能力, 提高桥梁承载力。
(2) 增大截面和配筋加固。通过增大梁底面或侧面的尺寸。增配主筋, 提高梁的有效高度和强度, 从而提高桥梁的承载力, 这种方法适用于梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足可以采用普通方法和锚喷混凝土加固法。
(3) 增设纵梁加固。通过增设承载力高和刚度大的新纵梁、新梁与旧梁相连接, 荷载重新分布, 使原有梁中所受荷载得以减小, 从而提高承载力。这种方法适用于拓宽改建桥梁, 在施工中应保证横向连接的质量。
该方法是以梁身为锚固体。通过张拉受拉区力筋产生预应力以抵消部分自重应力, 起到卸载的作用, 从而能够较大幅度地提高结构的承载能力。
该方法是通过改变原结构的受力状况和受力体系以改善桥梁性能, 提高承载能力。一般可通过简支梁下增设支架或桥墩, 把简支梁与简支梁加以连续变为连续梁, 在桥下增设钢加劲梁以及铰接变固接等。
该方法是使用化学粘贴剂将钢板或碳纤维直接粘贴在混凝土构件的受拉边缘.使其共同工作, 从而提高结构的刚度和承载能力。
在以上的各种加固方法中。增大混凝土桥梁截面法因为施工比较简单并且费用较低已经得到较广泛的应用。但是其施工设备、材料笨重并且工期较长。体外施加预应力法在自重增加很小的情况下能够大幅度改善和调整原结构的受力状况。提高结构的刚度和抗裂性能, 对桥梁营运影响较小并且可以作为临时加固方法, 但是施加体外预应力对原结构破坏较大。而且在张拉过程中钢筋易松弛、易失效。改变结构体系加固法加固效果好, 但在施工前要进行周密细致的计算分析以确定体系转换的方法和具体的施工过程。粘贴受力筋加固法中因为钢板较碳纤维重。使结构自重有不同程度的增加, 钢板易发生化学腐蚀, 而且加固效果初期并不明显。粘贴碳纤维加固法有着不增加桥梁自重及截面尺寸, 适用不同构件形状。成型方便, 施工简便。对原结构不产生新的损伤。能有效地封闭混凝土的裂缝, 优良的耐化学腐蚀性和耐久性的优点。近几年, 碳纤维加固技术得到了迅速的发展。并日益受到了工程界的重视。
碳纤维增强塑料 (CFRP) 是碳纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而制成的。其力学特点是应力应变量完全线弹性。不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有优异的物理力学性能。加固混凝土构件所用的碳纤维布, 是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维布在编织时, 将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺, 用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起, 形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度标准值应大于3000MPa。弹性模量大于2.1×105MPa。综合CFRP材料的物理、力学特性分析, 要想最大限度地发挥材料自身的优势, 适宜将CFRP材料作为桥梁结构的受拉或预应力受弯构件。特别适用于纯受拉构件。工程实践也证明了这一点。目前, 用于桥梁加固的CFRP材料主要是承受拉应力, 约束裂缝的开展。
在碳纤维布加固设计中。目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准 (例如强度或允许应力) 近似换算成一定用量的钢筋。然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。对于钢筋混凝土梁, 在设计中有如下假定:
(1) 受拉区混凝土的作用忽略不计。
(2) 梁受弯时, 混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定, 即碳纤维加固混凝土受弯构件截面的应变满足平面变形假设。钢筋和碳纤维的应变与相同位置处的混凝土相同。
(3) 碳纤维材料线弹性应力与应变关系。
(4) 加固所用布为完全理想粘结, 即表示混凝土与碳纤维布之间没有滑移。
碳纤维布加固用量, 可先按式 (1) 计算出相应所需普通钢筋面积, 再按式 (2) 换算成所需碳纤维布面积及用量:
式中:△M——提载前后的弯矩增加量, k N/m;
γs——钢筋安全系数;
Rg——钢筋抗拉设计强度, MPa;
Ag——加固补强所需钢筋面积, m2;
hi——截面高度, m;
x——混凝土受压区高度, m;
从而可计算出所需碳纤维布面积:
式中:Aef——碳纤维布用量 (面积) , m2;
Ag——抵抗不足弯矩所需的钢筋面积, m2;
Rg——钢筋的抗拉设计强度, MPa;
Rcf——碳纤维布抗拉设计强度, MPa。
此外。在计算中应注意以下几个问题:
(1) 碳纤维片材的允许拉应变。取不大于碳纤维片材极限拉应变的2/3和0.O1中的较小值。
(2) 加固后抗弯承载力的提高幅度不宜超过40%, 且应验算构件的受剪承载力, 避免受剪破坏先于受弯破坏发生。
(3) 加固后在荷载效应标准组合下受拉钢筋的拉应力不宜超过钢筋抗拉强度标准值。
(4) 粘贴层数不宜超过5层。对多层碳纤维应考虑共同工作系数的折减。层数过多将导致混凝土结构的脆性破坏。最后应该注意的是钢筋混凝土梁粘贴碳纤维片材只提高了承载力而不会影响结构的开裂弯矩。
在施工前应注意被加固构件的基面应平整且具有一定强度, 一般基面混凝土强度不低于C15;注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性;粘贴施工应在气温高于5℃且为晴天时进行。采用粘贴碳纤维片材加固修复的混凝土结构。长期使用环境温度不应高于60℃。对处于特殊环境 (腐蚀、放射、高温等) 下的混凝土结构采用碳纤维片材进行加固修复时, 还应遵守相应的国家现行有关标准和规范的规定, 并应采取相应的防护措施。在粘贴碳纤维片材之前应该对混凝土做表面处理。应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土, 露出混凝土结构层, 并用修复材料将表面修复平整。同时, 应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。被粘贴混凝土表面应处理平整, 除去表层浮浆、油污等杂质。直至完全露出混凝土结构新面, 混凝土表面应清理干净并保持干燥。
首先将较薄的底层涂料涂于需加固的混凝土表面, 这样既强化了混凝土表面强度。又可以改进胶接性能。从而提高混凝土与碳纤维片之间的粘结性。待底层涂料干燥后, 用找平材料进行找平。碳纤维材料只有与所加固修补的混凝土表面紧密接触。才可能产生良好的补强效果。找平材料本身具有良好的施工性能与触变性能。利用环氧树脂将碳纤维材料粘贴于经过处理的混凝土表面, 其粘度应控制在一定范围。有利于环氧树脂顺利地将碳纤维片粘附于混凝土表面, 用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压。挤除气泡。使浸渍树脂充分浸透碳纤维布, 滚压时不得损伤碳纤维布。待树脂固化后, 可在碳纤维布的上面涂抹一层基于环氧基底的涂料或喷沙抹灰后涂刷常规涂料, 以防止碳纤维发生老化。在粘贴完成后还应该用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法来检查粘贴质量。在施工时应注意避免碳纤维片材的弯折。
某桥由5跨13m空心板组成。桥净宽为 (7+2×0.75) m, 跨为8块板, 荷载等级为:汽-15级, 挂-80, 人群荷载2.5k N/m。因为该桥原来的设计等级已不能满足现状, 因而对该桥进行加固维修利用, 按荷载等级为汽-20级, 挂-100, 人群荷载3.5k N/m2。行加固设计。
汽-15级、挂-80产生的荷载效应:最不利的板在进行加载后的跨中弯矩值M1为205.3k N/m。
汽-20级、挂-100产生的荷载效应:最不利的板在进行加载后的跨中弯矩值M2为216.5k N/m。
碳纤维数量计算:在主梁受拉面上贴碳纤维片材进行受弯加固时, 提高的荷载效应为11.2k N/m。利用本文以上所介绍的式 (1) 、式 (2) 可求出8块板所需的碳纤维截面积Acf=96mm2。采用参数为厚度0.167mm, 抗拉强度标准值≥3400MPa。弹性模量≥2.0×l05MPa。延伸率≥1.4%的碳纤维材料, 加固宽度取为600mm。
桥梁加固后以汽-20级荷载加载。桥梁跨中挠度见表1。从表中数据来看实测数据明显低于理论计算值, 变形量也远远低于公路桥涵设计规范的结构变形的上限。认为加固后的桥梁的刚度达到要求。
相对其他加固桥梁的方法。碳纤维材料加固桥梁具有施工方便、适应性好、耐腐蚀, 几乎不增加结构自重、对原结构不会造成新的损伤等优点。中国多数地区是地震高发区。震后粘贴碳纤维片材加固和在震前通过碳纤维材料来提高抗震性能的加固可以作为一种防震措施来发展。碳纤维绞线和棒材具有耐腐蚀性好、强度重量比高、低松弛及耐疲劳等特性。如能进一步解决碳纤维材料锚固难的问题。以及碳纤维材料缆索在鞍槽里的抗滑和索夹处的抗折问题, 碳纤维材料在超大跨缆索桥梁上一定能得到广泛应用。总之, 随着碳纤维材料性能的提高及制造工艺的进一步完善。碳纤维材料在未来桥梁加固中将得到广泛应用。
摘要：本文作者对桥梁常用的加固的方法作了简述与对比。主要对碳纤维的特性与设计原理、方法、工艺作了分析。通过工程实例的对碳纤维在桥梁加固效果进行验证。
关键词：桥梁,加固设计,碳纤维,工艺
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