摘要：運用碳纖維織物對混凝土結構進行補強,是近年來在發達國家運用非常普遍的一門新技術。碳纖維單向布與配套樹脂材料是加固維修鋼筋砼結構領域中的新材料、新工藝。在無錫市錫滬路錫山段團結、馮家、雙廟橋等七座橋梁拓寬改建中,為使原鋼筋砼梁板設計荷載由汽車-20級提高為汽車-超20級,采用了此技術進行加固補強,取得了較大的經濟效益。
關鍵詞:碳纖維加固技術 改建橋梁 補強工程
1 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,從而達到結構物加固補強效果。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,據試驗研究統計粘貼一層碳纖維單向布的梁板,其抗彎性能可提高5～8%。此技術與其他粘鋼、噴射砼等加固技術相比,具有自重小、施工簡便、施工周期短和耐久性好等特點。
在美國、日本,上世紀80年代初就進行了碳纖維加固技術的試驗研究,特別是日本,從規范的制定到工程的廣泛應用,使碳纖維加固技術已經變得相當成熟,目前已經大量使用此技術。據有關資料統計,僅日本1997年用于加固修復的碳纖維布使用量就達70萬m2。我國于上世紀90年代末開始碳纖維加固技術的試驗研究,并在近2～3年內在房屋建筑中有了一定數量的工程實踐,但是在橋梁工程中應用極為有限,目前全國僅有區區數例。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驗,為廣泛推廣該技術創造了有利條件。
2 改建橋梁工程設計簡介
團結、馮家、雙廟橋等橋梁均在S342虞宜線上,分別位于無錫錫山羊尖、安鎮、查橋等,于1988年建成。改建橋梁上部結構為1跨、L=10m預應力砼先張法空心板梁,未設中央隔離帶,內外側分別為機動車道和人非混合車道,全寬25m,荷載標準為汽車-20級、掛車-100。隨著S342虞宜線交通量的增長,以上三座橋現有的寬度已不能滿足交通量的需要,為確保虞宜線成為錫滬路上城市快速路,需將原況橋梁向南、北兩側拓寬至35m,將原雙向四車道橋梁拓寬改建為雙向六車道橋梁,并新建人非混合車道橋。原況橋上部結構主梁,對應機動車道和非機動車道部分的荷載均按汽車-20級、掛車-100設計,并且拓寬改建后的要求荷載均為汽車-超20級、掛車-100。
為節省工程投資,利用老橋且根據現虞宜路交通不允許中斷的情況,經有關部門批準,確定將全線的預應力板梁(新建橋梁除外)進行補強加固處理,全線橋梁加固面積284m2。
3 加固方案和材料的選定
3.1 加固方案的選定
由于老橋施工端面狀況較好,經過優化方案的比選,最終選用新型的碳纖維復合材料進行補強加固。主要利用它極強的抗拉強度(是普通Ⅱ級鋼筋抗拉強度的10倍以上),其彈模也與鋼材相當。其自重輕,對原結構的厚度增加很小,加固后的表面可進行各種裝飾噴涂。施工時不需要特殊設備及大型機械設備,不需中斷交通。不需大的施工空間,施工周期短。費用比用鋼材加固稍高。另外施工簡便,適用于要求施工周期短的加固工程。
3.2 材料的選定
日本、美國的一些碳纖維生產企業在國內有很多代理,他們的產品質量不錯,并且對施工進行技術指導。從已完成加固的工程量來看,很多項目均采用直接引進成品碳纖維,但費用較高。近期由于國產化系列的碳纖維復合材料的出現,為該工程材料的選用奠定了基礎。本次加固采用的碳纖維是從日本引進的原料絲,質量可靠穩定,在國內進行編織生產,大大降低了費用。其各項性能指標已基本達到國外同類產品的水平,可以滿足工程的需要。根據對現況梁的受力計算,以及碳纖維布的力學性能及能夠有效粘結的最大層數,最終碳纖維布選用CFC-30型,該產品通過國家級質檢部門的嚴格檢驗,各項性能指標已達到國外同類產品的水平。
3.3 材料性能
3.3.1 耐久性
橋梁結構長期暴露在室外,平時有風霜雪雨的作用,以及陽光的直接曝曬。冬夏季溫差大。大氣中的二氧化硫含量高,冬季除冰鹽的使用會增加結構物中氯離子的含量,因此,碳纖維材料在橋梁工程中的使用相對于民用建筑而言,提出了更高的要求。針對本橋應該滿足的耐久性要求,我們在選擇碳纖維布時嚴格要求其各項耐久性指標,主要有:①暴露于戶外的耐候性,②抗紫外線性能。
多年加速暴露實驗證實,碳纖維的強度和粘著性能在相當于50年時間內不發生劣化。通過紅外線分光實驗,確認內部環氧樹脂完好無損。
3.3.2 耐熱、耐寒性
復合材料在-54℃、23℃、82℃強度不降低。混凝土補強試件從-20℃至50℃,3小時內10次循環浸漬,抗彎曲強度不降低。
3.3.3 耐水性
70℃浸漬30天,抗拉強度、搭接強度不降低。
3.3.4 耐化學腐蝕性
①耐鹽水腐蝕性能。復合材料在35℃鹽水下,浸泡1年,強度不降低。
②耐酸性。在10%硫酸浸漬3個月后,纖維片、復合材料混凝土補強試件強度都不降低。
③耐堿性。復合材料在40℃氫氧化鈣飽和鹽水中浸泡300個小時后,強度不降低。
3.4 材料作用
3.4.1 碳纖維單向布,用于加固補強。
3.4.2 表面處理樹脂,用于被加固砼結構的表面處理。
3.4.3 修平樹脂,用于砼結構表面修平。
3.4.4 浸漬樹脂,用于碳纖維布的粘貼、浸漬,使其與砼結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、板等構件進行補強加固前、后不同類型的力學性能試驗研究,以及對施工環境條件、施工工藝的防護層的探討和研究,并經過反復的實驗與檢驗證實產品質量穩定、優良。
4 施工工藝
由于碳纖維布彈模與鋼筋相近,故在施工時應盡量給梁卸載,來減少梁中的鋼筋及混凝土的變形,確保加固后的鋼筋受到的拉應力能部分傳遞給碳纖維,達到兩者能同步協調工作,盡量縮短原梁鋼筋與碳纖維的應力應變的差值,推遲將原梁結構的鋼筋受力轉給碳纖維的時間,在最大荷載作用下,同時進入承載能力極限狀況使梁的總體強度得到顯著提高。
在恒載及活載的作用下,梁中的鋼筋及混凝土存在應力。由于現板梁的結構不作改變,也就是恒載始終作用。除恒載外,橋梁結構還承受車輛的活載作用,而車流量具有波動性。在夜間,車流量很小,對交通的影響也小,故我們選擇在夜間禁止大噸位車輛通行及限制交通量的方式來降低活載對梁的作用力,同時,在此季節白天溫度較高,夜間溫度一般在10℃～20℃,非常適合粘貼劑的施工。
施工工藝如下:
4.1 去除待加固部位的混凝土表面風化層,表面作打磨處理,并鑿毛,露出新茬。施工面總體上要平整,并保持干凈。
4.2 將表面處理樹脂均勻涂刷在施工面上,不可有遺漏。待其不粘手時,用修平樹脂找平施工面。要求施工基面平整無凹陷處。
4.3 待修平樹脂不粘手時,在施工基面上均勻涂刷浸漬樹脂,其厚度為3mm～5mm,要求一定將樹脂全部蓋住施工基面,不得有過厚、過薄或有遺漏處。
4.4 將碳纖維布拉緊展平,并鋪在涂有浸漬樹脂的基面上,然后用輥子滾壓,排除單向布與浸漬樹脂間的空氣,并使浸漬樹脂完全浸透碳纖維布。若發現有空氣,應采取措施排除空氣。要求滾壓之后的碳纖維布要平直,同時布與樹脂間無氣泡。
4.5 涂下一層浸漬樹脂在碳纖維布上,并均勻蓋住。其厚度一般為1mm～2mm。要求在確認碳纖維布與樹脂之間無空氣后,方可涂刷。在鋪設滾壓最后一層單向布后,應做一次最后的壓平、整理。
4.6 養護7天后,表面涂刷具有抗老化及耐腐蝕性能的防護層。根據設計要求,最后做表面裝飾層,使之與周圍的混凝土一致。
選用的防護層具有優異的抗老化和耐介質腐蝕性能,可在-50℃～120℃溫度的環境下長期使用,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。團結、馮家、雙廟等橋梁加固工程自2006年9月上旬開工,2006年10月上旬竣工歷時約30天,碳纖維布與梁表面粘結良好,取得了預期設計的效果。為了了解加固后的運行狀況,我們一直對其進行跟蹤監測,包括加固部位周邊混凝土表面裂縫的觀測。碳纖維表面防護層的顏色、密封性能、平整度的變化以及梁的撓度值等。通過近1年的觀測,數據分析結果表明所有的變化值均在設計許可的范圍之內。
5 加固優點及探討意見
5.1 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,更能顯示這一優越性。
5.2 加固鋼筋砼結構,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,但其結構重量未增加,外表也輕巧美觀。
5.3 有極好的耐久性,由于加固只使用碳纖維和配套樹脂,因而不會出現生銹,并具有耐酸、堿、鹽和大氣環境腐蝕等性能,碳纖維布有極好的抗化學作用。
5.4 在團結、馮家、雙廟等橋梁加固工程中使用碳纖維復合材料加固全橋板梁,為工程節省投資,減少了施工周期,還解決了施工中不中斷交通的難題,取得了較大的經濟效益和社會效益,受到了有關單位的好評。通過本次近300m2的碳纖維布在橋梁補強中的成功應用,表明該項技術在橋梁工程中是切實可行的,并有極為廣闊的應用前景。
5.5 由于國家尚無碳纖維橋梁加固技術的規程或規范,限制了該項技術的進一步發展,希望能盡快制定相應的技術標準,為橋梁的碳纖維加固技術提供更多、更好的技術保障。
綜上所述,粘貼碳纖維復合材料新技術是加固鋼筋砼結構行之有效的方法,值得推廣應用。
參考文獻
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