舊橋加固改造工程同其它任何事情一樣，有其內在的規律，在做某座橋梁的具體加固設計時都有一定的技巧，都要遵循一定的步驟，同時又極具創造性。所以，我們應通過創造性的工作去盡力解決舊、危橋的加固改造工作。盡管每座橋梁的修復工程具有各自的特點，但存在可進行比較、評價的一般性概念，以決定采用*實用的技術。由于這些特點，總是需要在橋梁修復工程中進行創造性的思考和技術革新。新的材料和技術的不斷發展，又提供了更有效、更耐久的維修方法。為此，工程界需要新興的、科技含量較高的加固技術。

　近年來，纖維類材料在土木工程中的應用一直是國內外研究的熱點。隨著材料技術的發展，現在已開發出來了多種高科技纖維材料，如玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料）就是其中的一種。在所有的這些纖維材料中，碳纖維材料是迄今為止應用于土木工程領域*早、技術*成熟，也是用量*大的一種高科技材料。隨著碳纖維材料被應用于建筑業，碳纖維布（CFRP）加固混凝土結構新技術隨之出現。

　近十幾年來，國內外的碳纖維及其復合材料工業處于高速發展階段，碳纖維及其復合材料的力學性能取得突破性進展，生產技術和生產效率明顯提高，產品成本穩中有降。

　近幾年來，碳纖維的抗拉強度和延伸率不斷提高，抗拉強度達到7000Mpa以上，延伸率從1.0％左右提高到2.0％左右，*高者為2.4％，從而使碳纖維復合材料可以用于主承力結構。

　目前，CFRP在橋梁工程中大量用于加固橋梁，恢復和提高既有橋梁的承載能力。相對于粘貼鋼板加固，粘貼CFRP復合材料加固橋梁具有施工方便、適應性好、耐腐蝕、幾乎不增加結構自重、不必打孔，因而對原結構不會造成新的損傷等優點。

　一、碳纖維布用于加固補強的技術特點

　碳纖維布加固法是一種新型的結構加固技術，它是利用樹脂類膠結材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，并與結構形成整體受力體系，增強被加固結構的抗彎或抗剪能力，從而達到對結構補強加固及改善結構受力性能的目的。

　與傳統的混凝土結構加固技術相比，碳纖維布加固法具有很明顯的優越性：碳纖維材料具有優異的物理力學性能，其抗拉強度高于普通鋼材的10倍，極適合于鋼筋混凝土結構的加固補強；其輕質柔軟，適用面廣，施工便捷，尤其是可在不中斷交通時進行加固施工；加固厚度小，可不增加原結構的恒載，特別適用于建筑高度受限制情況下加固補強；同時還具有良好的耐久性及耐腐蝕性等。

　碳纖維布加固補強法，始于二十世紀八十年代美、日等國家，目前是國際土木工程領域開發研究的一個熱點。我國是在1997年才正式開始對碳纖維類加固技術進行研究的，并在1998年開始了實際的工程應用。

　二、碳纖維布加固混凝土構件應用范圍

　目前，用于結構加固增強的碳纖維布（CFRP）材料其形式可分為片材（包括布狀和板狀）、棒材以及格狀材等幾種。此外，還有各種各樣的CFRP型材。片材一般通過環氧樹脂粘貼于混凝土受拉表面；棒材通常作為代替傳統鋼筋（主筋或箍筋）的材料。近年來，對棒狀進行張拉后，在混凝土結構的體內或體外進行預應力增強式加固法的方法得到了很大的發展。而CFRP格狀材則是通過1－2cm厚的聚合物灰漿將其粘結在既有結構上，或只通過適當的錨固方法將其固定在既有結構物上進行加固。

　CFRP布狀片材的形狀有單方向或雙方向編織制品、單方向配列制品及預浸處理制品等。CFRP片材加固形式是多種多樣的，主要可分為抗彎曲、抗剪切、抗壓縮、抗震加固及劣化防止等。其加固效果可表現為控制裂縫寬度和提高裂縫分散能力，增強結構剛度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗疲勞強度、提高結構的延性、耐久性能力及防下落物等。如圖3-25所示，通過在柱形橋墩表面環繞粘貼CFRP纖維布，可以提高混凝土橋墩的抗剪切能力和延性；混凝土柱受到環繞粘貼的CFRP箍束作用，其截面的抗壓強度也有一定提高。在混凝土橋橋面板上下表面粘貼包裹CFRP纖維布，可以降低鋼筋應力、增強結構抗疲勞能力以及對已經出現損傷和裂紋的部分進行加固。在一般建筑物結構中對混凝土框架結構、樓面板甚至磚墻、剪力墻的抗彎、抗剪切加固。另外，在道路和鐵路隧道方面，由于地震載荷和非均勻山地土壓而產生的集中載荷會造成隧道混凝土內壁的縱向裂紋、變形過大以及局部脫落，從而大大降低了隧道的安全性和使用壽命，通過在隧道混凝土內壁粘貼CFRP纖維布可以增強抗彎性，有效防止已有裂紋的進一步擴展，延長使用壽命。

　三、碳纖維布加固橋梁實例

　1、工程概況

　雙鳳橋位于白（沙關）景（德鎮）公路102公里樁處，該橋原為一半**性橋梁（修建年代不詳）：上部構造為木板橋面；下部結構為漿砌塊石擴大基礎配實體墩臺（據調查基礎放置在巖層上）。1970年將該橋改造成全長為34.10米的**性橋梁：將橋墩加設局部斜撐（挑臂）拓寬；上部結構改為4孔普通鋼筋混凝土工字梁與微彎板組合結構。設計荷載為汽車—13級，驗算荷載為拖車—60，橋面設計凈空為凈-7.25m+2×0.25m安全帶如圖2。




　2、橋梁存在的主要病害及產生原因分析

　經工程技術人員對該橋進行的較為全面的結構檢查，發現該橋主要存在以下病害（如表1）。




　表1雙鳳橋存在的主要原因

　3、工字梁加固提載計算要點

　由于雙鳳橋未查詢到有關詳細設計圖紙及竣工圖紙等資料，對工字梁內部配筋不清楚，因而加固設計中從安全角度出發，僅考慮從汽車—13級（拖車—60）；提載到汽車—20級（掛車—100）跨中截面增加的彎矩值來驗算補強鋼筋量。

　經計算由汽車—13級（拖車—60）提載到汽車—20級（掛車—100）跨中截面增加彎矩值△M=485.08KN，跨中截面慣矩I=0.1201m4，中性軸到下緣距離h1=0.60m，截面高h=0.83M，根據正截面強度公式：

　上式中：△M——提載前后的彎矩增加量；

　rs——鋼筋安全系數；

　Rg——鋼筋抗拉設計強度；

　Ag——補強鋼筋面積；

　h——截面高度；

　x——混凝土受壓區高度。

　綜合有關情況，本次對工字梁提載加固決定采用碳纖維布（規格見表6-3），因而計算碳纖維布截面面積：

　Acf=Ag(Rg/Rcf)=242.3Mm2

　上式中：Acf——碳纖維布截面積；

　Rcf——碳纖維布抗拉設計強度。




　為了方便碳纖維布的裁剪操作及考慮儲備，考慮每層碳纖維布寬為250mm，粘貼兩層，五片工字梁實際粘貼碳纖維布截面面積為Acf=250×0.167×2×5=417.5mm2。




　4、雙鳳橋靜載試驗

　（1）靜載試驗概述

　為能對碳纖維布在舊橋加固中的使用性能進行量化分析，分別對雙鳳橋加固前、后進行了等效靜載試驗，且兩次靜載試驗采用的加載車輛、荷載等級及加載位置均相同。由于該橋未查詢到原設計圖紙及竣工圖，對各片主梁的配筋無法考證，根據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》和《公舊橋承載能力鑒定方法》中的有關規定確定，加固前后兩次荷載試驗的性質為輕型荷載試驗。

　根據工字梁橋的受力特點，加固前后兩次靜載試驗分別測試了工字梁跨中截面下緣鋼筋應力（應變）、跨中撓度及裂縫。并按兩種工況進行試驗：*一工況為兩輛加載車偏載（*外側車輪中心離人行道邊緣50cm）；第二工況為兩輛加載車對稱中心布載。

　（2）靜載試驗數據整理

　加固前后兩次靜載試驗數據整理見表3和表4。

　（3）靜載試驗數據分析及結論



　從表3和表4可看出：

　１）在工字梁梁底粘貼碳纖維布后，在相同的受力狀況下跨中梁底鋼筋應力明顯減小，減幅*大達8.12％，相應跨中部位撓度（變形）亦減小，*大減小幅度達9.52％。說明粘貼碳纖維布后，工字梁抗彎強度增大。并通過分析說明：雙鳳橋加固后符合汽車－20；掛車－100的荷載使用要求。

　２）粘貼碳纖維布后，在試驗荷載作用下，原跨中梁底裂縫得到抑制，在相同荷載、相同加載位置作用下，加固后裂縫寬及高度明顯小于加固前，加固后主梁*大裂縫寬僅為0.15mm，完全符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中的有關規定。

　３）所測應力（應變）、撓度數據基本與理論值相符，并呈彈性變化，塑性變形率*大為0.08％。

　四、結語

　碳纖維布加固法是一種新型的結構加固技術，有其優點與長處，但也存在一些不足。我國引進和實際應用該項技術的時間僅幾年，在該項技術的設計原理、設計方法和施工技術與工藝等方面尚有許多問題需要繼續深入研究，并通過大量的實際應用加以檢驗和論證，不斷積累經驗。本課題組在開展本項研究和實際應用過程中，歸納了以下幾點經驗，供同行們在實際應用碳纖維布加固法加固改造舊橋時參考。

　１、碳纖維布具有高強、輕質、耐腐蝕、耐疲勞、施工便捷等優異物理力學性能，是加固補強混凝土結構的理想材料。

　２、采用碳纖維布粘貼到混凝土結構表面，可對其進行受彎、受剪、剛度和抗震等加固，同時也可以提高混凝土結構的耐久性。

　３、相對傳統加固方法而言，采用碳纖維布加固能*小程度的改變原有結構的應力分布，保證在設計荷載范圍內與原結構共同受力。

　４、粘貼碳纖維布加固補強后的結構計算時仍然適用平截面假設，大量實驗業已證明平截面假設在粘貼碳纖維布結構中依然成立。目前關于碳纖維布加固混凝土結構的計算方法主要是將碳纖維布按照一定的標準（例如強度或允許應力）近似換算成一定用量的鋼筋，按照傳統的鋼筋混凝土受力分析模型進行理論分析，雖然是近似方法，但理論分析結果與實驗數據吻合得較好。這種方法在一般情況下是適用的。

　５、由于碳纖維材料一般為脆性拉斷破壞，在受彎加固時應采用允許應力方法作為碳纖維布加固混凝土結構的設計方法，同時應考慮碳纖維布與混凝土之間的粘接失效可能引起的剝離脆性破壞的影響。

　６、與鋼筋混凝土結構相似，影響碳纖維布加固混凝土結構承載力的因素有很多，包括：碳纖維材料本身的強度、彈性模量；混凝土的強度；碳纖維布與混凝土的粘結情況等等。

　７、加固設計時，必須對所要加固結構的各種參數有詳細的了解，因為各種參數對梁的極限承載力和破壞特征均有很大的影響。

　８、粘貼碳纖維布后結構的抗彎強度確定是該加固補強方法*基本的要求，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％。

　９、抗疲勞是衡量結構承載力的一個重要指標，實驗研究結果表明，與普通鋼筋混凝土相比，碳纖維布加固混凝土結構的抗疲勞性能將會提高。這主要是由于碳纖維材料本身抗疲性能優異。

　10、試驗表明，用碳纖維布加固鋼筋混凝土梁，對梁的剛度提高不大，故對實際工程中的構件進行加固設計時，除保證加固后梁的極限承載力滿足規范外，對其剛度也要進行驗算，以保證其剛度也滿足規范。

　11、由于用碳纖維布加固混凝土梁抗彎承載力時梁中剪力作用也在變化，抗彎與抗剪加固二者之間確實存在著相關關系，實際工程加固設計中必須考慮這種關系。因為普通混凝土梁的設計一般都是“強剪弱彎”，用碳纖維布進行抗彎加固而不考慮抗剪的加固，就有可能形成“強彎弱剪”，導致加固失效。因此，在加固設計中一定要將抗彎加固與抗剪加固統一考慮，在抗彎加固時應驗算抗剪承載力的問題。

　12、粘結劑性能的優劣直接關系到碳纖維布能否發揮其優越的力學性能、碳纖維布與混凝土之間能否協調變形、是否會出現滑移等協同工作性能。所以，粘結材料應有足夠的剛度和強度，以及足夠的韌性。

　13、碳纖維布的錨固性能對加固效果影響很大，為保證加固效果及充分發揮碳纖維布的強度，在加固設計時，應采取各種措施盡可能地保證碳纖維布的錨固性能。

　14、采用碳纖維布加固不能阻止混凝土的開裂，但可使裂縫寬度得到一定的控制，使裂縫的寬度和間距明顯變小，裂縫變細、變密、變短。在正常使用條件下，裂縫寬度可控制在0.2mm以內，從而提高混凝土的耐腐蝕性。

　15、碳纖維布用于結構加固時，施工顯得特別重要，尤其是直接影響到碳纖維布的破壞形態。若施工質量沒有保證，則加固效果難以達到。施工時要保證碳纖維布的表面干凈；粘貼碳纖維布的梁的表面一定要打磨平整，除去油漬和浮漿；膠要涂刷均勻；粘貼碳纖維布時要拉緊；碳纖維布要與梁粘貼密實等等。
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