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橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)與應(yīng)用

（一）前言

中國橋梁工程的發(fā)展已具有相當(dāng)規(guī)模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負(fù)荷日趨加重。加壓張拉至設(shè)計張拉應(yīng)力值的30%，檢測錨行程位移是否對應(yīng)預(yù)張拉時的刻錄線。有一部分公路橋梁是中國20世紀(jì)80年代以前修建的，建筑加固工程，因其設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀(jì)80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計壽命時出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當(dāng)?shù)募庸毯透脑旒夹g(shù)措施，恢復(fù)和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應(yīng)現(xiàn)代化交通運輸?shù)男枰兊檬制惹小?/p>

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復(fù)合而制成的，其力學(xué)特點是應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點或塑性區(qū)。⑧施工時應(yīng)考慮環(huán)境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學(xué)特性分析，要想大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢，適宜將CFRP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實踐也證明了這一點。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應(yīng)力，約束裂縫的開展。

（三）碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝

1、根據(jù)設(shè)計確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理

(1)將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進(jìn)行必要的處理。對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原；

(2)裂縫修補(bǔ)。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；

(3)將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時間內(nèi)用完為準(zhǔn)；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結(jié)露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。

3、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)

(1)構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填平，修復(fù)至表面平整；

(2)內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填補(bǔ)使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養(yǎng)護(hù)

粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進(jìn)行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。

2、按設(shè)計要求對破損面鋼筋處理后用環(huán)氧樹脂裂縫膠進(jìn)行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)將其表面打磨平整，包鋼加固公司，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無粉塵。此外碳纖維還具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐疲勞、耐蠕變性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、小比重和熱膨脹系數(shù)小的優(yōu)良性能。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時即進(jìn)行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，深圳加固，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。（5）碳纖維加固膠的使用量要保證充足、飽滿，使用滾筒刷等合適工具沿碳纖維布同一方向反復(fù)滾壓直到膠液充分滲出表面，這么做是為了去除氣泡，使碳纖維布能充分浸潤膠液。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。

（五）注意事項

1、碳纖維片材選擇注意事項

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質(zhì)量。隨著建筑老齡化及土地資源日益稀少，建筑結(jié)構(gòu)加固行業(yè)也越發(fā)引起人們的關(guān)注。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復(fù)合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質(zhì)的均勻性不好，則構(gòu)件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關(guān)鍵。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計部位放線定位。

②按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應(yīng)小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維片材兩面均應(yīng)擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當(dāng)平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應(yīng)不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應(yīng)對底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時應(yīng)考慮環(huán)境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。

⑨樹脂配制時應(yīng)按產(chǎn)品使用說明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時間。

⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應(yīng)使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進(jìn)行有效控制。

（六）對碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的展望

碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)雖然時間不長，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點：

1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設(shè)計厚度0.111mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計；

3、能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)；

4、可以多層粘貼?？筛鶕?jù)設(shè)計要求，在一個部位重疊粘貼。

（七）結(jié)束語

隨著我國高等級公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車?yán)锍桃苍诓粩嘣鲩L，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強(qiáng)度降低或需要提高抗震能力和修補(bǔ)橋梁裂縫，都可以應(yīng)用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

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碳纖維加固樓板施工步驟

粘貼碳纖維布

1、粘貼碳纖維前應(yīng)在混凝土外面在擦拭，確保粘貼面無粉塵。

2、混凝土外面涂刷布局膠，必須做到涂刷穩(wěn)、準(zhǔn)、勻的請求。

3、碳纖維布粘貼時，異樣要穩(wěn)、準(zhǔn)、勻，焦點請求做到放卷使勁過度，使碳纖維布不皺、不折、展延膩滑順暢。

4、滾壓探險不必須從一端滾壓，不宜在一個部位重復(fù)滾壓揉搓，結(jié)構(gòu)加固報價，滾壓中讓膠滲入滲出纖維布，做到浸潤豐滿。碳纖維布必要搭接時，必須滿足標(biāo)準(zhǔn)清楚≥100mm。

5、多層粘貼時，應(yīng)在碳纖維織物外面指觸枯燥后立刻亭子下一層的粘貼。

粘貼碳纖維板

1、應(yīng)按計劃請求的尺寸裁剪碳纖維板，并按產(chǎn)物生產(chǎn)廠供給的工藝劃定配制粘結(jié)樹脂。

2、應(yīng)將碳纖維加固樓板外面擦拭清潔至無粉塵。當(dāng)需要粘貼兩層時，底層碳纖維加固樓板的梁面均應(yīng)擦拭清潔。

3、擦拭清潔的碳纖維板應(yīng)立刻涂刷粘結(jié)樹脂，樹脂層應(yīng)呈崛起狀，平均厚度不該小于2mm。

4、應(yīng)將涂油粘結(jié)樹脂的碳纖維加固樓板用手重壓貼于需粘貼的地位，用橡皮滾筒順纖維偏向平均安穩(wěn)壓實，使樹脂從雙方擠出，包管密實無空泛。當(dāng)平行粘貼多條碳纖維板時，兩條板帶之間的閑暇不該小于5mm。

5、需粘貼兩層碳纖維板時，應(yīng)持續(xù)粘貼，當(dāng)不克不及立刻粘貼時，再開始粘貼前應(yīng)答底層碳纖維板重新停止算。

增大截面加固法

　　增大截面法用于提高柱的抗壓能力。加固柱應(yīng)根據(jù)柱的類型、截面形式、所處位置及受力情況等的不同，采取相應(yīng)的加固構(gòu)造方式。新增縱向受力鋼筋應(yīng)由計算確定，但直徑不應(yīng)小于14mm。鋼筋在加固樓層范圍內(nèi)應(yīng)通長布置?？v筋布置以不與梁相交為宜，若相交則應(yīng)采用植筋技術(shù)錨固于梁中，且應(yīng)滿足植筋的相關(guān)要求?？v向受力鋼筋上下兩端都應(yīng)有可靠的錨固?？v筋下端應(yīng)伸入基礎(chǔ)，滿足錨固要求。上端應(yīng)穿過樓板與上層柱連接或者在屋面板處封頂錨固。新增箍筋應(yīng)使新舊兩部分整體工作，箍筋直徑宜與原箍筋相同，且不應(yīng)小于8mm。箍筋在規(guī)定的范圍內(nèi)應(yīng)加密，其間距和加密區(qū)范圍應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范。有一部分公路橋梁是中國20世紀(jì)80年代以前修建的，因其設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，普遍存在承載力不足的問題。新增混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)比原柱提高一級，且不應(yīng)低于C25。

　　外粘型鋼加固法

　　外粘型鋼加固法用于大幅提高柱截面承載力和抗震能力。該方法應(yīng)根據(jù)柱的類型、截面形式、所處位置以及受力情況等的不同，采用相應(yīng)的加固構(gòu)造方式。柱的縱向受力角鋼應(yīng)由計算確定，但不應(yīng)小于L75*5。角鋼在加固樓層范圍內(nèi)應(yīng)通長布置?？v向角鋼應(yīng)有可靠錨固，角鋼下端應(yīng)錨固于基礎(chǔ)，中間應(yīng)穿過各樓層板，上端應(yīng)伸至加固層的上一層樓板底或錨固于屋面頂板上。沿柱軸線方向應(yīng)隔一定距離用扁鋼制作箍板或者綴板與角鋼進(jìn)行焊接。箍板截面積、間距以及角鋼膠縫間距與梁加固一致。碳纖維加固膠一些重要的操作要點：（1）施工環(huán)境通風(fēng)干燥，粘貼面潔凈是基本的操作要求、打磨要粗糙，油污的地方要用清水清洗干凈。

　　碳纖維布加固法

　　碳纖維布加固是砌體結(jié)構(gòu)采用纖維增強(qiáng)材料粘貼加固，是一種比較新型的加固方法，作用是纖維材料在加固結(jié)構(gòu)中承擔(dān)拉應(yīng)力，改善構(gòu)件的受力狀態(tài)，限制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

　　碳纖維布加固技術(shù)是利用結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布粘貼在混凝土表面，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，CFRP通過與混凝土之間協(xié)同工作，對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)起到加固及改善受力性能的作用。

　　通過碳纖維布加固，能有效改善結(jié)構(gòu)狀態(tài)（減少變形、降低原有結(jié)構(gòu)應(yīng)力、減少裂縫）

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