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      淺談橋梁加固工程中新型加固技術的應用
      發布時間:2014-07-15
        摘要:碳纖維材料加固技術作為一種新型的混凝土橋梁加固技術,在歐洲、美國、加拿大和日本已經廣泛得到應用,并且進行了深入的研究。我國在這方面的工程實踐也是在二十世紀九十年代中期才開始,下面我就談談混凝土橋梁加固工程中碳纖維材料加固技術的應用。
        關鍵詞:碳纖維,市政工程,橋梁加固
        
        1.引言
         隨著城市經濟水平的不斷提高,上海城市建設日新月異,正朝著建設國際大都市的目標前進。城市基礎設施的建設受到人們越來越多地關注。其中,以城市道路、橋梁、隧道、市政管線為主的市政基礎設施的更新與擴容又是城市基礎設施建設的重要內容。在對現有市政工程設施中那些不能繼續滿足使用要求的建筑物、構筑物進行維護更新過程中,就需要運用到結構加固技術。
         運用碳纖維材料加固混凝土結構技術最早在一些發達國家興起的一種新型加固技術,它利用樹脂類膠結材料將碳纖維材料粘貼在混凝土結構表面,形成復合材料體,通過其與混凝土結構的協同作用,達到對原結構補強加固和改善結構受力性能的目的。由于碳纖維加固技術具有質量輕、強度高,施工快速便捷,抗疲勞性能佳以及優秀的耐腐蝕、抗滲透等性能,該技術近年來在我國土木工程結構加固改造領域中迅猛發展,脫穎而出。它彌補了傳統加固技術方法中的諸多不足,體現出了不可替代的優越性。
         近期運用碳纖維材料加固混凝土結構技術也出現在了市政工程建設領域,不少城市橋梁、隧道、堤岸工程以及其他一些市政設施建筑物、構筑物的維護大修工作過程中都采用了該技術。在我參與的楊高路(環南一大道~龍陽路立交)改造6標項目中,川楊河大橋結構加固就運用了此技術,下面我就結合實例來談談碳纖維結構加固技術在橋梁加固工程中應用前景的看法。
        
        2.市政工程領域對結構加固技術的需求
         由于市政工程的更新與擴容基本處于市區,其工程建設將對城市正常運行將產生影響。如果對不滿足未來使用要求的市政設施進行拆除重建,不僅需要付出昂貴的經濟代價,同時還將經歷較長的工程建設周期;如果對其進行加固處理,達到未來使用要求的標準,不僅解決工程造價,同時其工程建設周期相對較短。因此,在設施拆除重建與加固處理兩種方案的比選中,常常會選擇對原設施加固處理。
        
        3、 碳纖維結構加固技術介紹
        3.1 概述
         近年來FRP(Fiber Reinforced Plastics纖維增強塑料)在土木工程中的應用一直是國外土木工程界研究開發的一個熱點。FRP的含義很廣,它指近年來開發出來的各種高科技纖維材料,其中CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics 碳纖維)在土木工程領域研究和應用較多,并日益受到工程界的重視。根據生產的原料不同,碳纖維有很多種類,主要有碳纖維布、碳纖維板和碳纖維預應力筋。這些碳纖維產品的共同特點是:
        軸向抗拉強度高,纖維方向的抗拉強度約為普通碳素鋼的十幾倍;
        密度小、重量輕,易于施工操作;
        耐久性好,有良好的耐腐蝕及耐老化性能,不需采用特殊的防護措施;
        彈性模量高,高強型碳纖維的彈性模量略高于普通鋼材,而高彈型碳纖維的彈性模量可達鋼材的兩倍;
        應力應變曲線呈線性關系,直至拉斷脆性破壞。
         碳纖維結構加固方法是指利用樹脂類膠結材料將碳纖維材料粘貼于混凝土構件表面,使混凝土構件與碳纖維共同作用,從而達到對構件結構補強加固及改善結構受力性能的目的。碳纖維材料用于混凝土結構補強加固的研究工作開始于二十世紀八十年代末。迄今,瑞士、德國、日本、美國等國家和地區的眾多大學、科研機構、材料生產廠家都相繼進行了大量碳纖維材料用于混凝土結構補強加固的研究開發,并在此基礎上已編制形成了自己國家的行業標準與規范。我國自1997年開始對碳纖維布加固修補鋼筋混凝土結構技術進行系統研究開發。目前該領域的技術的規程《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(CECS146:2003)已經中國建設標準化協會批準,于二OO三年五月正式頒布執行。
        3.2 施工工藝介紹
         碳纖維結構加固方法的施工工藝主要包括施工前期準備、加固區域混凝土結構基層表面的打磨與修復處理、碳纖維材料與膠結劑的制備、碳纖維材料的粘貼及固化養護、現場粘貼成品的保護以及施工驗收。
         該方法的工藝流程如下圖:
        
        
        3.3碳纖維結構加固技術的優越性
         與傳統加固修補方法及粘鋼板、噴射混凝土加固技術相比,碳纖維材料(CFRP)加固修補混凝土結構具有明顯的技術優勢,主要表現在:
        高強高效。由于CFRP優異的物理力學性能,在加固修補混凝土結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結構及構件的承載力和延性,改善其受力性能,達到高效加固修補的目的。
        施工便捷。施工工效高,沒有濕作業,不需大型施工機具,無需現場固定設施,施工占用場地少。
        具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性能。試驗表明,粘貼CFRP加固修補混凝土結構有良好的耐腐蝕性能及耐久性,可以抗拒建筑物經常遇到的各種酸、堿、鹽對結構的腐蝕。
        適用面廣。粘貼CFRP加固修補混凝土結構可廣泛適用于各種結構類型、各種結構形狀、各種結構部位的加固修補,且不改變結構形狀及不影響結構外觀,這是目前任何一種結構加固方法所不可比擬的。尤其重要的是,對于一些大型土木工程結構,如大型橋梁的橋墩、橋梁及橋板,隧道、大型筒體及殼體結構工程等,采用原有的加固手段幾乎無法實施,而采用該項加固技術都能很順利地解決。
        施工質量易保證。由于碳纖維材料是柔性的,即使被加固的結構表面不是非常平整也基本可以保證近100%的有效粘貼率,而且粘貼后發現表面局部有氣泡,也很易于修補。
        碳纖維材料質量輕且薄。碳纖維布厚度為0.1至0.3mm,碳纖維板的厚度為1.2mm和1.4mm,其密度為鋼材密度的20%,加固修補后,基本不增加原結構自重及原構件尺寸。
        
        4.碳纖維在橋梁加固工程的應用實例
        4.1 工程概況
         上海川楊河大橋位于浦東新區楊高南路,由上海市城市建設設計院設計,1995年建成通車。2008年初,為配合楊高路(龍陽路~環南一大道)道路拓寬改造工程,需要對川楊河大橋進行加固處理,以滿足道路拓寬與荷載等級提高的要求。
        4.2 加固方案
         根據楊高路拓寬對川楊河大橋加寬的要求,以及檢測單位提交的對川楊河大橋進行的可靠性檢測報告,針對于上下部結構由于荷載等級提高及新增恒載的變化進行結構驗算。根據驗算,原橋梁基礎與橋墩能滿足新荷載條件的使用要求,但橋面的板梁和T梁,以及支承橋面的蓋梁不能滿足新荷載條件的使用要求或承載力富余量不足,需要對其進行加固處理。
         橋梁加固的方法選擇粘貼碳纖維布的方法。對于板梁和T梁,在梁跨中沿梁底縱向粘貼碳纖維布,在梁的支座兩端粘貼L型碳纖維箍,碳纖維布的寬度、厚度以及層數則根據被加固梁的鋼筋截面積缺失量來確定。
         對于蓋梁,在兩側面粘貼碳纖維U型箍,蓋梁頂設置帶狀壓條碳纖維布。碳纖維布的寬度、厚度以及層數則根據被加固梁的鋼筋截面積缺失量來確定。
        4.3 加固功效評價
         采用碳纖維材料進行結構加固技術對采用的加固材料以及加固施工工藝的要求十分高,如果材料質量與施工工藝達不到技術規范的要求,整個加固工程就無法取得成功。因此,在采用碳纖維材料進行結構加固時,需要對加固材料進行室內試驗以及對施工工藝進行現場檢測。材料室內試驗主要進行碳纖維材料的抗拉強度標準值、彈性模量、伸長率三個指標的測定,以及碳纖維材料與混凝土結構的正拉粘結強度測定;施工工藝的現場檢測主要是對碳纖維材料與現場混凝土結構的粘結強度測定。
         用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能,其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍;但是,碳纖維材料織成碳纖維布后,其中的各碳纖維絲很難完全共同工作,在承受較低的荷載時,一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態,以此類推,各碳纖維絲逐漸斷裂,直至整體破壞。而使用粘結劑后,各碳纖維絲能很好地共同工作,大大提高碳纖維布的抗拉強度,故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作,因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用,它既要確保各碳纖維絲共同工作,同時又確保碳纖維布與結構共同工作,從而達到加固的目的。
         川楊河大橋結構加固采用的材料是瑞士西卡(sika)品牌,碳纖維材料規格為Sikawrap 301c,粘結膠水為Sikadur 330。材料室內試驗結果為:抗拉強度標準值4110Mpa(規范要求≥3000 Mpa),彈性模量260Gpa(規范要求≥210 Gpa),伸長率1.8(規范要求≥1.5),正拉粘結強度3.8 Mpa(規范要求≥2.5Mpa)。試驗結果表明該工程采用的材料滿足結構加固的需要。
        4.2.1用壓縮空氣將表面浮塵清除干凈[未鑿部位(需加固處)用混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質,構件基面的混凝土要打磨平整,尤其是表面的凸起部位要磨平],用丙酮將需粘貼處清洗干凈。用刮板將它均勻地涂在底面(兩側刮150mm),待膠固化后(固化時間視現場氣溫而定,以指觸干燥為準)再進行下一工序施工。調好的底膠在規定的時間內用完,一般情況下40min內用完。
        4.2.2粘貼碳纖維布前用刮板將膠均勻地涂刮在底膠上需粘貼碳纖維布處,隨即把按設計要求已裁剪好的碳纖維布粘貼在設計部位,然后用專用滾子沿碳纖維布的受力方向來回滾壓,擠出汽泡。待指觸干燥后,即可以進行第二道碳纖維布的粘貼,方法同第一道。碳纖維布的搭接長度一般為100mm,端部用橫向碳纖維布固定。
        4.2.3兩道碳纖維布粘貼完,待指壓干燥后,再刮涂一層面膠,來回滾壓,使膠充分滲入到碳纖維布中去。
         對于施工工藝的現場檢測,參考CECS146:2003(2007年版)標準,利用SHJ-40型多功能強度檢測儀進行多組測試,得到的粘結強度平均值為2.99,且破壞形式為混凝土內聚破壞,滿足規范要求。
         當材料室內試驗以及對施工工藝的現場測試結果滿足國家規范要求時,則該加固工程達到了加固設計的要求,也即加固后的橋梁結構能滿足功能改變后的使用要求。
        5.結論
         由于采用碳纖維材料進行結構加固技術相比于粘鋼加固、外包鋼加固、擴截面加固等傳統加固技術手段來說,具有輕質高強、耐久性強、施工便捷以及使用面廣等許多無可比擬的優勢,近年來在工程結構加固施工中得到了廣泛運用。隨著我國不少大城市基礎設施建設已由大規模的新建階段向全面維護階段更新轉變,可以預見,未來采用碳纖維材料進行結構加固技術在橋梁加固領域乃止整個市政工程領域也將得到長足發展。

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