特种荷载作用下碳纤维CFRP技术在桥梁加固工程中的研究与应用.docx
《特种荷载作用下碳纤维CFRP技术在桥梁加固工程中的研究与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特种荷载作用下碳纤维CFRP技术在桥梁加固工程中的研究与应用.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
特种荷载作用下碳纤维CFRP技术在桥梁加固工程中的研究与应用
特种荷载作用下碳纤维（CFRP）技术在桥梁加固工程中的研究与应用
——对国道中桥提载加固工程设计方案的商榷
0引言
根据国家西电东送的战略决策，电力建设公司决定在市区建设一个电压等级为±500KV，送电容量为3000MW的大型换流站，其关键性设备由国外进口，超重设备单件重量达270t左右，重型牵引车总重75.1t，大型平板运输车自重80t，重件运输车组总重达418.1t，经专家验证的运输路线必须通过国道中桥，大型设备运输荷载大大超过了现有桥梁设计荷载，原桥梁结构不能满足大件运输的安全通过，故须对该桥实施加固。
1加固设计方案
1.1概述
中桥地处市区，为三孔不等跨简支T型梁桥，其跨度分别为16＋22.2＋16m，桥面布置为－14＋2×1.5，该桥建于1998年，原设计荷载标准为汽－20级，挂－100，该桥地处国道与国道通过本市的复线地段，已经过16年的营运，交通运输十分繁忙，使用情况尚好，近年来，在交通量不断增加，超载重车行驶频繁的情况下，使用情况尚属正常。
据观测该桥现有有限缺陷均在允许范围内。
根据公路养护部门经常运用的直观评定方法：
上部构件在运营中已行驶过相当于设计荷载或以上车辆，没有发现缺陷或缺陷在允许范围内，可以认为该桥具有设计承载能力。
据此，国家电力公司电网建设分公司某部委托武汉某设计院进行了该桥的加固设计。
将原有汽车-20、挂-100、荷载等级提高至汽超-20，验算荷载挂-385t的桥梁加固工程在我省尚属首例，对业主、设计者、施工者都极具挑战性，必须慎重对待，精心设计，精心施工，确保万无一失。
经过认真计算，设计院拿出了突出以下加固设计要点的施工图设计，并于今年4月初由业主主持初步通过了该设计方案。
1.2设计者提出的设计要点
⑴改造原桥面铺装层，增设钢筋网，桥面铺装采用CF30#钢纤维防水混凝土，增大桥面层的整体刚度。
⑵修复结构缺陷，恢复结构的完整性。
⑶在T型梁底部和端部、墩帽挑梁处粘贴钢板，增加其抗弯能力和抗剪能力，在T梁端部粘贴U形钢板箍，增加底部钢板的锚固力和梁端的抗剪力，T型梁底粘钢钢板厚度为8㎜，U形箍钢板厚4㎜，墩帽处采用凿槽埋贴方法，本方案见图1：
桥粘钢加固方案示意图。
2对上述加固设计的商榷
⑴笔者曾作为国道中桥加固施工图审查会议人员参加了评审会，同时近年来担任了部分桥梁加固工程的技术负责人和主持了交通科研项目SHO-BOND结构补强材料在桥梁维修与加固工程中的应用项目。
在探讨优选加固技术的过程中，对粘钢技术、碳纤维技术作了初步探讨，所以对上述加固设计有以下商榷意见。
⑵对上述方案中桥面铺装及修复缺陷无异议。
⑶考虑到该桥地处城区，加固工程量大，荷载等级要求高，又须和桥面翻修同时进行、工程必须在短期内完成，现有桥梁具有原设计承载力，施工时以不破坏、不扰动原有结构的加固方法为最佳等诸多因素，对T梁底、梁端、墩帽均采用碳纤维片（CFRP）加固的方案优于粘钢加固方案，经分析、计算、比较，主要表现在以下几方面。
①技术性能比较
碳纤维复合材料贴合加固法，与钢板贴合加固法同样可以取得提高承载力的效果，这已是业内公认的不争的事实，而在本项特殊的桥梁提载加固工程中，采用碳纤维技术比粘钢技术有其更为独特的优势。
（a）关于碳纤维技术
碳纤维是在几千度的高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品，是目前世界上已知的工程材料中比强度最高的材料，由环氧树脂（epoxy）结合成一体后，在纤维方向上具有极高的抗拉强度。
碳纤维片是将碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成的纤维定向排列的复合片材，它具有轻质高强高弹模（比重仅为钢铁的1/5，其抗拉强度达3400MPa～4000MPa，约为同等截面钢材的7～10倍，弹性模量为2.3×105MPa），抗腐蚀性佳，没有疲劳老化现象，物理性能稳定等诸多优点。
碳纤维的技术初期应用于航空太空产品上，在欧美及日本等发达国家，这项技术已经进行了普遍的应用，仅英国在1997年就有30座桥和结构物采用了FRP增强纤维加固技术。
FRP加固是一种新兴的加固方法[1]，首先应用于航天航空工程，仅在近二十年来才逐渐地推广应用到土木工程中。
1991年7月，瑞士联邦材料测试研究所率先在多跨连续箱形梁桥（Ibach）进行了碳纤维加固试验和研究，并获得了成功。
美国各研究机构先后开展FRP加固混凝土结构研究，美国混凝土协会（AIC）编制发布了外贴FRP加固钢筋混凝土结构设计和施工指南。
日本在1984年开始将FRP应用到土建中，1987-1998年用碳纤维片加固混凝土结构得到了广泛的应用。
国内也开展了FRP的研究和工程应用，完成各类工程300项左右。
在我国用碳纤维片维修与加固混凝土桥梁结构，是继1997年国家工业建筑诊断与改造工程技术中心在国内率先开展了碳纤维材料应用于土木结构的研究与应用之后，发展起来的一种混凝土结构修复与加固技术。
该技术是利用环氧树脂将碳纤维片卓越的抗拉强度达到增强混凝土构件承载能力及刚度的目的。
碳纤维加固具有高强高效、适用面广、质量易保证，施工便捷快速，工效高，没有湿作业，不需现场固定设施、施工占用场地少，耐腐蚀、抗疲劳、耐久性等性能极佳，加固后，基本不增加原结构自重及构件尺寸、不需增加施工构造措施等优点，适用于多种结构类型。
在本项工程中，用于梁端进行提高抗剪能力的环包加大和墩帽挑梁加固特别适应，对于薄而小的横梁加固也有独特的优势。
（b）加固设计方案比较
根据该项工程采用粘钢技术的加固T梁的设计方案，将T梁底粘钢及梁端粘贴U型钢板箍、墩帽凿槽埋贴，改以碳纤维片取代，以SHO-BOND碳纤维工法为例，T梁底采用NAC-700-30（厚型）碳纤维片粘贴两层、梁端和墩帽，采用NAC-700-30环包一层，碳纤维加固方案见图2：
桥碳纤维加固方案示意图。
经采用《碳纤维加固与细部设计》理论进行计算[2]，可满足汽超-20，校验荷载385t的加固设计要求。
将两种工法主要材料（钢板除外），全部采用SHO-BOND材料，在同等效应下，碳纤维工法加固桥优于粘钢工法加固的特点十分突出，见表1。
（c）根据有关文献记载[3]，粘钢所用钢板厚度不易太厚，太厚对贴合质量影响较大。
也不易太薄，钢板太薄，在自重下容易产生挠度，因此施工上的优越性也大大降低，通常用4.5㎜～6㎜的钢板为宜。
SHO-BOND工法也有此方面的要求。
该粘钢加固设计中的钢板厚为4㎜、8㎜，不仅给施工造成一定难度，同时加固效果并非十分理想。
（d）综合上述因素，不难发现，粘钢工法加固，在施工时存在难度大，施工处理复杂，施工现场要求高，工期长等缺点。
而碳纤维布是柔性材料，施工时可以依靠现场用剪刀裁剪成所需的形状和尺寸，对构件的不同外形都具有极高的适应能力，特别适应本工程中梁端、墩帽、横梁等部位的加固。
由于重量轻，现场施工基本是手工操作，不需大型设备和施工工具，在较小的空间中即可进行施工，且施工速度很快，施工工期短，粘贴质量容易得到保证。
（e）桥梁结构是受到重复荷载、移动荷载等作用的混凝土结构，需要考虑结构的抗疲劳能力。
碳纤维的抗疲劳性能极好。
试验研究表明，CFRP加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载，在进行静载试验、挠度试验，与未经历疲劳循环荷载的对比试件相比，其强度及延性指标并没有显示出有所降低，而普通的混凝土试件经历同样的疲劳循环荷载后，其静载强度和延性指标会有不同程度的降低，这主要是由于FRP材料本身抗疲劳性能优异，在设计承受反复荷载的结构时，如考虑采用FRP材料则会显示出很大的优势。
而桥加固工程的特点：
一是加固设计应在满足汽超-20的基础上，同时必须满足385t的验算荷载，以确保超大构件运输的安全通行；二是大型设备运输时间长达两年，共30余车次，采用粘钢加固设计时，因系汽超-20设计，对应一般验算荷载为挂-120，其强度安全储备本身不大，抗疲劳性能又不如FRP，还要通过30次重型运输车组，据此也可看出采用碳纤维要优于粘钢。
表1碳纤维加固方法与粘钢加固方法各项技术性能比较
序号
工法
项目
碳纤维加固工法
粘钢加固工法
备注
1
施工效率
施工简便迅速、桥面施工可同时进行
材料笨重、施工缓慢
2
强度安全储备
大于“粘钢”工法加固
小于碳纤维工法加固
计算略
3
施工重量
几乎不增加结构重量
使结构重量增加12.5t
4
施工机械
无需重型机械及模具
使用重型机械及各类模具
5
施工工艺
及工期
工艺简单，技术可靠，固化好，施工中不会扰动原结构，保持其完好状态，工期短
需增加加固超厚钢板的构造措施，用电锤打孔穿梁，钻孔150个，膨胀螺栓孔2086只，不仅结原结构有所损伤，还需较多植入胶，费用较大，工期较长
本项工程是以提高荷载等级为目的的加固工程，加固时不宜伤及原有构件，以保持原设计标准不受影响
6
重叠性能
非常便于多重粘贴
多重加固非常困难
7
加固物形状
不受任何形状限制，在梁端、墩帽环包粘贴碳纤维，以提高抗剪承载力，同时，可大大降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期
受结构形状的限制极大，墩帽埋贴、梁端粘贴钢板U型箍，费时费力费用大
本项工程梁端、墩帽加固是难点，而采用面纤维粘贴则会化难为易
8
疲劳性能
极好
较好
9
抗酸碱腐蚀
抗酸碱腐蚀且不渗透
易腐蚀
10
维护及保养
无需进行维护
需定期实施防腐蚀措施
11
加固后外观
外观无改变，且适合各种涂料
外观改变较大
12
工程造价
综合造价略低于“粘钢”工法
综合造价略高于CFRP工法
②技术可靠性比较
（a）粘钢加固是采用双组分环氧树脂粘接剂把钢板或其他钢质件粘贴在混凝土表面，并构成一个混凝土-粘接-钢三相复合物系统，让钢板部分替代钢筋的作用从而提高结构的承载力，该法设计方法简单、施工简便、加固钢板厚度一般在4.5㎜～6㎜，对结构总体尺寸改变小，加固效果可靠。
但由于抗剪加固需要牢固的锚固措施，会对T梁结构产生破坏作用，而在本项加固工程中，为了增加T形梁端部的抗剪能力和底部钢板的锚固力采用了较大面积的U形钢板箍粘贴及构造措施，需用电锤在每片梁上钻208个膨胀螺栓孔，全桥2080个孔，（粘钢面积为298.41㎡，7个/㎡），全桥150个穿心螺杆孔，以形成稳固粘结，这对T梁结构的破坏作用是不言而喻的。
此外，从外观看，T梁浇筑质量较差，表面不平，而梁底厚达8㎜的钢板本身刚度较大，也无法确保钢板与混凝土构件形成稳固粘结。
（b）碳纤维（CFRP）加固混凝土桥梁结构技术属于新技术材料与土建问题的交叉学科，不仅在日本、韩国、欧美等国家得到广泛应用，1997年以来在我国也一开展了碳纤维加固技术的研究和工程应用，这项技术具有施工简便快捷、安全可靠、耐久性好，能适应多种复杂的结构外形，不影响原结构的外观，施工时不须采用扰动结构的构造措施进行固化等诸多优点，已日益在架桥梁结构修复加固工程中得到较为广泛
的应用。
（c）工程应用案例见证技术可靠。
不少文献有关于我国应用碳纤维技术加固桥梁上部和下部结构加固效果甚佳的记载，现举几例。
·北京特希科技有限公司从日本引进了碳纤维片维修加固混凝土结构的整套技术，并与江苏省建筑科学研究院以及东南大学合作，对混凝土用碳纤维加固效果和机理进行系统的试验研究，验证了该项技术在工程中应用的可靠性。
并通过了新技术，新材料科技成果鉴定[4]。
·天津于家岭大桥维修加固工程[5]：
该桥长202.5m，桥宽9m，跨径13.5m，上构由6片T梁组成，下构是灌柱桩式墩台，由于1976年唐山地震及重载车行驶等因素影响使上、下部结构受到一定损害，梁帽、梁帽腹板、墩柱都有裂缝，最大缝宽2㎜，根据病害程度分别采用TXD-C-20碳纤维片粘贴一至二层，环包等进行维修，并与桥面维修同时进行，甚为简便，补强后安全运行至今。
·韩庄闸公路桥T梁维修加固工程[6]：
韩庄闸公路桥位于山东省微山县境内的104国道上，桥全长435.6m，设计标准汽-20、挂-100，全桥31孔，每跨跨径10m，桥宽9m（加宽而成），由5片钢筋混凝土T梁（原桥），5片钢筋混凝土空心板（加宽）组成，运行41年，新闸和加宽部分公路桥运行20年，T梁混凝土老化病害严重，普遍出现可见裂缝，经检测不能满足设计汽-20、挂-100要求。
采用CFRP补强。
在梁底跨中粘两层单向碳纤维布，在梁侧面粘贴1～2层双向碳纤维布，共加固140㎡，经现场静载试验发现，梁的挠度降低30%左右，加固效果显著，加固以来，工程安全运行至今。
·天津普济河道立交桥维修加固工程[4]：
该桥位于天津市区中环线上，横跨南仓铁路编组站的25条铁路线，全长1080m，桥宽18m，跨径20m～35m，上构有普通混凝土T梁，预应力混凝土板梁、T梁、现浇普通混凝土箱梁，下构全部采用混凝土打入桩，于1986年建成通车。
由于超载重车频繁行驶及诸多自然因素影响，边梁腹板下缘钢筋多被腐蚀、混凝土脱落，板梁正负弯矩区，均有明显裂缝，较大缝宽1㎜，延伸至梁高2/3。
部分T型梁端部出现程度不同的剪切裂缝。
经多方面综合研究，对梁体及下构的维修，均采用碳纤维修复补强的方案。
裂缝密集部位粘贴1～2层TXD-C-20型碳纤维片，既起到补强作用，又起到封闭作用，延长结构使用寿命，维修后安全使用至今效果良好。
·天津经路立交桥维修工程[5]：
该桥是天津最早的一座立交桥，其弯桥部分为四跨连续梁结构，跨径20m，墩柱为Y型结构，其21号墩柱的墩帽及墩柱下部产生明显的裂缝，于1999年9月用碳纤维修补。
在墩帽沿垂直裂缝方向粘贴了一层TXD-C-20型碳纤维片。
墩柱下部则沿柱的竖向粘贴一层碳纤维片，再环包一层碳纤维片，以提高抗剪承载力，固化后，对施工面进行了涂装处理，采用水泥灰浆配置一定比例的建筑胶作为结构外涂，外观上与原结构保持了一致。
加固后，使用至今效果良好。
上述工程案例从技术性和经济性，使用性，美观性等方面说明了碳纤维技术在桥梁加固工程中的技术可靠性和可行性。
③经济合理性比较
从经济合理性上看，本项工程粘钢加固设计中，对钢板的要求非常严格，因为考虑到在桥梁上通过如此大型的超重设备必须满足385t验算荷载，在本省尚属首例，加固设计对材料要求必须严格。
而且主体工程所用的钢板设计厚度为8㎜，钢号为Q235A，厚度不得有负误差，满足此项要求一般需用军用、船用钢板、其价格比较高。
与FRP相比，虽然进口碳纤维布价格相对较高，但在运输、存储、装卸、加工、维护过程中的费用相对较少；施工机具简单，从而减少了机械台班费，施工速度快，相应缩短了工期，也节省了人工费用。
碳纤维耐久性好，也减少了后期维护费用，因此，加固工程综合造价却相对要低。
综合上述各项技术性能比较、施工难易程度，施工工期和施工质量等方面因素，采用碳纤维技术加固钢筋混凝土T梁比粘钢更适宜该项加固工程的特殊要求。
④科技进步性比较
从科技进步方面来看，碳纤维（CFRP）属高新技术，目前，已在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到迅速发展和广泛应用，粘钢属成熟技术，但已被欧美、日本等发达国家所淘汰[7]。
碳纤维技术在桥梁提载加固工程中突出的优异性，设计者在本工程加固设计方案中不曾考虑，笔者认为有以下原因：
（a）我国在桥梁维修与加固方面存在的一个突出点是基础薄弱，技术落后，这影响了许多新技术，新产品的应用和推广。
技术落后主要体现在两个方面：
一是没有形成一整套完善的研究、开发、试验，应用体系；二是在实际生产中我们仍采用着许多落后技术，例如粘贴钢板，表面喷浆等加固技术，费时费力，而且效果并不十分理想，已经被欧美、日本等发达国家淘汰，在我国全部仍然被广泛使用[7]。
这是《中国公路》有关专家对我国桥梁维修加固业存在的问题切中要害的分析。
（b）在桥梁加固设计指导思想上，长期以来，对设计者来说，“重传统轻创新”的落后意识一直占据着人们的思想，严重制约了新技术，新产品的开发、应用和推广。
本项工程从优选方案来看，虽然碳纤维技术与粘钢相比显示出诸多明显优势，但设计者采用的是用传统加固方法进行加固设计，这一方面是传统方法的成熟可靠性使然；另一方面是我国桥梁加固技术落后的大环境所致。
因为在我国还没有形成像国外那样完善的体系，从早期检测到维修加固已经有一套完整的流程，并积累了丰富的经验，许多问题还是第一次碰到。
在本项工程加固设计中，对荷载标准要求极高，既无成文规范可循，又无经历的工程案例可参照，因此，采用一种不熟悉的新技术、新工法进行设计，风险大、工作量大。
尤其是目前试验研究条件十分有限，研究新技术、新课题既耗时又缺乏资金支持，使设计者对新技术，新产品的了解、研究条件十分有限，凡此种种，都制约了桥梁加固设计中的优化方案，优选设计工作，这使得本应走在依靠科技进步提高桥梁维修设计加固水平前沿的桥梁维修加固业科技含量大受限制。
3结语
碳纤维（FRP）加固混凝土桥梁结构已成为土木工程的一个新领域，本文以对国道桥提载加固设计方案的商榷为工程实例，从技术性能、技术可靠性、可行性，经济合理性、科技进步性诸方面初步说明了碳纤维技术与传统的加固方法在梁式桥加固工程中显现出的明显优势，希望能对桥梁维修与加固工程业界的工程设计、施工有所助益。
参考文献
1柯敏勇，金初阳，洪晓林等.碳纤维增强塑料（CFRP）在桥梁加固工程中的应用.2001年全国公路桥梁维修与加固技术研讨会论文集,P92
2翁冠群.碳纤维加固与细部设计.2001年全国公路桥梁维修加固技术研讨会论文集，P61-64
3（日）高架桥构造研究会编.王惠著.李阳海译。
299-230
4杨渡.碳纤维技术在天津的应用.中国公路，第104期P25
5谷木谦介.关于混凝土结构修复补强工程中碳纤维片耐久性能
6金初阳，柯敏勇，王宏.碳纤维布在韩庄闸公路桥T梁加固中的应用.2001全国公路桥梁维修加固技术研讨会论文集，P83-86
7塞雁.长路漫漫待求索，重整旧桥看今朝.中国公路，第130期P55-56
升级会员 