碳纤维单向布加固砼技术在旧桥改建应用

一、概述

碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%.此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短和耐久性好等特点。

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美国、日本等国于二十世纪八十年代开始进行实验研究，目前已经大量使用此技术。据有关资料统计，仅日本1997年用于加固修复的碳纤维布使用量就达70万m2.我国近两年来，科研单位和院校在这方面的研究和应用做了大量工作，生产出一系列的碳纤维复合材料，使工程降低了费用，同时也取得了较成熟的设计方法和施工经验，为广泛推广该技术创造了有利条件。 #

二、立交桥改建工程设计简介 #

健翔立交桥位于北京的北四环路与八达岭高速路相交处，于1998年建成。桥梁上部结构为6跨、L＝18m预应力砼简支梁。中央设隔离带，两侧为双向机动车道，两外侧为非机动车道，全宽55m.随着城市交通量的增长，立交桥现有的宽度已不能满足交通量的需要，为确保四环路成为城市快速路，需将现况桥梁向南、北两侧拓宽至72m，将现两外侧的非机动车桥改建为辅路桥，并新建非机动车桥。现况桥上部结构主梁和中墩盖梁，对应机动车道部分的荷载均按汽车—超20级、挂车—120设计，而对应非机动车道的上部结构主梁和中墩盖梁荷载均按汽车—15级、挂车—80进行设计，并且改建为辅路桥后要求荷载均为汽车—超20级、挂车—120.现非机动车桥的主梁拆除更换，但各中墩盖梁的机动车和非机动车中间未断开，为三跨一联的变截面普通钢筋砼连续结构。

经反复核算比较，为尽量减小盖梁正负弯矩区的补强加固工作量，一方面采用了减轻桥梁自重措施，将砼桥面改为轻质（容重为19KN/m3）砼桥面，另一方面加宽中墩盖梁下墩柱宽度，盖梁的正负弯矩及剪力均相应减小，这样对应机动车部分盖梁的现钢筋配置可满足设计要求，而对应辅路（现非机动车桥）部分盖梁按现配筋其应力与设计要求相差10～15%.为节省工程投资，且根据现四环路交通不允许中断的情况，经有关部门批准，确定将全桥的5排中墩盖梁的20个正负弯矩区进行补强加固处理，全桥盖梁加固面积395m2，其具体加固位置见图。 #

三、加固方案和材料的选定 #

1?加固方案的选定

各中墩盖梁原设计为隐形盖梁给加固工作带来较大的困难，最早提出采用喷射钢纤维砼和外包钢板的加固方案，因主梁梁端在跨间处距盖梁外侧面仅5cm，经计算比较与施工空间的限制上述两方案可行性较小，最后确定选用碳纤维复合材料进行补强加固。碳纤维布的极限抗拉强度高于普通钢筋的10倍以上，而弹性模量也与钢筋相近，较适合于钢筋砼结构的补强加固工程。另外施工简便，适用于要求施工周期短的加固工程。 #

2?材料的选定 #

近二、三年来，我国引进了美国、日本生产的碳纤维复合材料，进行了一些工程的加固，并取得了较好效益，但费用高影响推广应用。近期由于国产化系列的碳纤维复合材料的出现，为该工程材料的选用奠定了基础。经比较采用北京铁华大众科技发展有限公司的碳纤维布和配套树脂，其中碳纤维布采用的是国外进口优质丝，质量可靠稳定，费用较低。产品通过国家级质检部门的严格检验，各项性能指标已达到国外同类产品的水平。下面是碳纤维单向布和配套树脂的规格及与日本同类产品（日铁系列指标）性能对比结果（见表1～5）。

碳纤维单向布性能对比表 2

碳纤维单向布的规格表 1 #

CFC 日铁FTS 测试方法 #

牌号 单位面积碳纤维布的质量g/m2 拉伸强度 MPa 3730

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4050 3400 非标

CFC?20 200±10 拉伸模量 GPa 235 230 非标

CFC?25 250±10 抗剪强度 MPa 11?4 非标

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CFC—30 300±10 粘结强度 MPa 2?56 JIS K5400

注：用于加固补强 #

表面处理树脂性能对比表 3

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SE 日铁FP—NS 方法 #

粘结强度 MPa 2.2 2.9 JIS K5400 #

注：用于被加固砼结构的表面处理

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修平树脂性能对比表 4

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浸渍树脂性能对比表 5

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IE 日铁FE：E3P 方法

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RE 日铁FE—2 方法 拉伸强度 MPa 57.5 29 JIS K7113 #

压缩强度 MPa 76 34 JIS K7208 拉伸模量 GPa 93.1 39 JIS K7203

抗剪强度 MPa 14.3 9.8 JIS K6850 抗剪强度 MPa 85.1 JIS K7208

粘结强度 MPa 2.1 2 JIS K5400 粘结强度 MPa 15.5 9.8 JIS K6850

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注：用于砼结构表面修平 注：用于碳纤维布的粘贴、浸渍，使其与砼结合成为一个牢固整体

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通过采用上述碳纤维复合材料对钢筋梁、板和柱等构件进行补强加固前、后不同类型的力学性能试验研究，以及对施工环境条件、施工工艺的防护层的探讨和研究，并经过反复的实验与检验证实产品质量稳定、优良，并在航天、航空和军事方面得到应用，现以批量生产。 #

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