碳纤维单向布加固砼技术在旧桥改建应用

一.概述

单向碳纤维布具有强度高、弹性模量高、耐久性好的优点。根据设计要求在混凝土表面应用特殊树脂和碳纤维布，以达到结构的加固效果。通过对加固前后梁、板、柱的大量对比试验，力学性能得到了显著提高。据试验统计，粘贴一层碳纤维单向布的梁板抗弯性能可提高5 ~ 8%。与粘钢、喷射混凝土等其他加固技术相比，该技术具有自重小、施工简单、工期短、耐久性好等特点。

美国、日本等国家在20世纪80年代就开始了实验研究，现在这项技术已经得到了广泛应用。据有关统计，仅在日本，1997年用于加固修复的碳纤维布就达70万m2。近两年来，我国科研院所和大专院校在这方面做了大量的研究和应用，生产了一系列碳纤维复合材料，降低了工程造价，同时获得了成熟的设计方法和施工经验，为该技术的广泛推广创造了有利条件。

二。立交桥改造工程设计简介

健翔立交桥，位于北京北四环与八达岭高速路口，1998年建成。该桥上部结构为6跨、L = 18m的预应力混凝土简支梁。中央隔离带，两侧为双向机动车道，两侧为非机动车道，全宽55m。随着城市交通量的增长，现有的立交桥宽度已经不能满足交通量的需求。为保证四环路成为城市快速路，需要将现有桥梁南北两侧拓宽至72m，将现有的两座非机动车桥改建为辅桥，并新建非机动车桥。目前，机动车道对应的桥梁上部结构主梁和中墩盖梁荷载按汽车-超20和拖车-120设计，非机动车道对应的上部结构主梁和中墩盖梁荷载按汽车-15和拖车-80设计，换算成辅路和桥梁后所需荷载为汽车-超20和拖车-120。现在非机动车桥梁的主梁都是拆了换的，但是每个都不一样。

经过反复计算比较，为尽可能减少盖梁正负弯矩的配筋工作量，一方面采取减轻桥梁自重的措施，将混凝土桥面改为轻质(容重19KN/m3)混凝土桥面；另一方面，加宽了中墩盖梁的下墩柱宽度，盖梁的正负弯矩和剪力也相应减小，使现有的一些机动车盖梁对应的钢筋配置能够满足设计要求。但根据现有配筋，相应辅道(现非机动车桥)部分盖梁应力与设计要求相差10 ~ 15%。为节省工程投资，并根据不允许中断四环路交通的情况，经有关部门批准，确定对全桥第五排盖梁的20个正负弯矩区进行加固，全桥盖梁加固面积为395m2。具体加固位置见图。

三。加固方案和材料的选择

1加固方案的选择

各中墩盖梁原设计为隐形盖梁，给加固工作带来很大困难。首次提出了喷射钢纤维混凝土和钢板复合加固方案。由于主梁端部在跨度处距离盖梁外侧仅5cm，经与施工空计算比较，上述两种方案的可行性相对较小。最后，选择碳纤维复合材料进行加固。碳纤维布的极限抗拉强度比普通钢筋高10倍以上，弹性模量与钢筋相近，更适用于钢筋混凝土结构的加固。另外，施工简单，适用于工期短的加固工程。

2材料的选择

近两三年来，我国进口了美国和日本生产的碳纤维复合材料，加固了一些项目，取得了良好的效益，但成本高影响了推广应用。近年来，国产系列碳纤维复合材料的出现，为工程材料的选择奠定了基础。经比较，采用北京铁华大众科技发展有限公司的碳纤维布及配套树脂，其中碳纤维布采用进口优质丝绸，质量可靠稳定，成本低廉。经过质检部门的严格检验，产品的性能指标达到了国外同类产品的水平。以下是碳纤维单向布及配套树脂的规格，与日本同类产品的性能对比结果(新日铁系列指标)(见表1 ~ 5)。

单向碳纤维布性能对比表2

单向碳纤维布规格表1

日本铁路CFC FTS试验方法

品牌碳纤维布的质量单位面积抗拉强度MPa 3730

3930

450 3400非标准

CFC 20 200 10拉伸模量GPa 235 230非标准

CFC 2525010 MPa 114的剪切强度不符合标准

CFC—30 300 10粘结强度MPA256JIS K5400

注:用于加固。

表面处理树脂性能对比表3

东南铁路FP-ns方法

粘合强度MPa 2.2-2.9 JIS k 5400

注:用于钢筋混凝土结构的表面处理。

扁平树脂性能对比表4

浸渍树脂性能对比表5

Tie FE-E3P方法

抗拉强度MPa 57.5 29 JIS K7113通过稀土Fe-2法

抗压强度MPa 76 34 JIS K7208拉伸模量GPa 93.1 39 JIS K7203

剪切强度MPa 14.3 9.8 JIS K6850剪切强度MPa 85.1 JIS K7208

粘合强度MPa 2.1 2 JIS K5400粘合强度MPa 15.5 9.8 JIS K6850

注:用于混凝土结构表面找平注:用于粘贴和浸渍碳纤维布，使其与混凝土结合成牢固的整体。

通过对上述碳纤维复合材料加固前后不同类型钢梁、板、柱力学性能的试验研究，以及对施工环境条件和施工工艺保护层的探讨研究，经反复试验和检验证明，产品质量稳定优良，已应用于航天、航空空和军事，现正在批量生产。