碳纖維在橋梁結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用分析
2015-09-14
0 引言
隨著我國(guó)改革開放和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，車流量不斷增加，面對(duì)隨之增加的重型車輛，老式城市橋梁的承載能力捉襟見肘，拆除重建費(fèi)用高對(duì)地方財(cái)政負(fù)擔(dān)過大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有的橋梁中有40%以上需要分期分批進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估和加固維修。我國(guó)不斷完善城市交通基礎(chǔ)建設(shè)，這為橋梁加固帶來了空前的發(fā)展機(jī)遇。
由此可見，加大對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的維修加固的投入是公路交通行業(yè)發(fā)展到一定程度后的必然趨勢(shì)。我國(guó)也將再今后的公路交通建設(shè)當(dāng)中對(duì)橋梁的維修加固投入更多的資金。橋梁加固這一領(lǐng)域未來的發(fā)展道路會(huì)越來越寬廣。
1 碳纖維的材料特性
碳纖維材料是人造高新材料，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能及穩(wěn)定性。這種材料適用于混凝土結(jié)構(gòu)的維修加固。碳纖維它是一種纖維狀的碳材料。它是在經(jīng)過幾千度的高溫下經(jīng)特殊工藝制造出來的高科技材料產(chǎn)品。碳纖維材料具有耐老化、強(qiáng)度高、輕量質(zhì)、抗腐蝕、物理性能極其穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。它的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的7-10倍，但是它的比重僅為鋼材的25%不到。
碳纖維材料成品呈黑色細(xì)絲狀，它的絲狀直徑僅有7μm，但是極易折斷，不能單獨(dú)使用。只有把碳纖維浸漬樹脂后，采用特殊工藝將其制成纖維定向排列的復(fù)合材料后才能應(yīng)用。一般成品片材又分為碳纖維布和碳纖維板。碳纖維布的隨意性優(yōu)于碳纖維板。
碳纖維材料根據(jù)生產(chǎn)工藝方式和原材料的不同，可以分為瀝青基碳纖維和聚丙烯腈基碳纖維。瀝青基碳纖維是把煤焦油或石油瀝青抽絲后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而形成的纖維材料，屬于高彈性模量型材料。聚丙烯腈基碳纖維是把聚丙烯腈基纖維在惰性氣體中高溫加熱所獲得的纖維材料，屬高強(qiáng)度型材料。我們應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際選擇合適的碳纖維材料，以達(dá)到最好的施工效益。
2 碳纖維材料加固的優(yōu)越性
2.1 化學(xué)穩(wěn)定性
碳纖維材料的化學(xué)穩(wěn)定性能優(yōu)異。該材料具有很強(qiáng)的抗酸性、抗堿性、抗鹽性、抗紫外線和防水等功能。同時(shí)它也具有良好的適應(yīng)溫度穩(wěn)定性。
2.2 物理力學(xué)性能
碳纖維材料的物理力學(xué)性能優(yōu)異。該材料的優(yōu)異的物理力學(xué)性能使它可以有效應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物的抗彎、抗剪、抗壓、抗疲勞、抗震、抗風(fēng)、控制裂縫和撓度的補(bǔ)強(qiáng)工程，并且可以取得優(yōu)異的加固補(bǔ)強(qiáng)效果。
2.3 輕質(zhì)、高強(qiáng)
碳纖維材料的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，用它加固的結(jié)構(gòu)體可通過裝飾后，不留加固痕跡，不影響結(jié)構(gòu)體外觀。
2.4 施工工藝簡(jiǎn)單
粘貼碳纖維材料加固混凝土技術(shù)的施工工序非常簡(jiǎn)單、便捷。當(dāng)它在加固施工時(shí)不需要啟用大型工程器械，僅需要采用小型電動(dòng)工具操作。所以它在施工時(shí)工種少，用工少，工期短，進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)。
3 碳纖維加固的施工方法
?、傩枰庸痰幕炷两Y(jié)構(gòu)基面要求：碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是依賴碳纖維布與結(jié)構(gòu)表面的粘貼有效率，所以要求基面的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C15。同時(shí)要求被加固混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的保護(hù)層，并且基面要求平整。
?、谔祭w維布的粘貼：碳纖維布加固混凝土構(gòu)件時(shí)，要求采用薄布多層的粘貼方法，從而確保與粘結(jié)材料充分浸潤(rùn)。
對(duì)于受彎構(gòu)件，最好在受拉區(qū)沿軸向粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，并且在主纖維方向的斷面端部附近進(jìn)行必要的錨固處理措施。
?、厶祭w維布的搭接與截?cái)啵赫迟N碳纖維布加固混凝土?xí)r，最好不要沿主纖維方向的搭接，特別是用于受拉構(gòu)件和彎拉構(gòu)件受拉區(qū)的加固。
?、芄こ讨羞x用的碳纖維布及其配套粘結(jié)材料，必須有廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明和合格證。
4 碳纖維加固的質(zhì)量控制
4.1 粘貼結(jié)材料的配合比控制
粘貼用膠結(jié)材料的配合比必須嚴(yán)格控制，它是粘貼加固質(zhì)量和效果能否得到保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在配料時(shí)要求嚴(yán)格按使用配合比備料，在有條件的地方最好先進(jìn)行粘結(jié)試驗(yàn)，將配合比不能達(dá)到加固設(shè)計(jì)對(duì)膠結(jié)材料的使用要求時(shí)，不允許應(yīng)用于施工。
4.2 施工溫度控制
環(huán)氧樹脂在低溫條件下固化比較緩慢，一般直選擇在15o-28o的溫度條件下進(jìn)行施工。如果遇到在氣溫較低時(shí)施工，必須采取加溫養(yǎng)護(hù)措施，譬如用紫外線燈烘烤。
4.3 應(yīng)保持成型所需要的壓力
混凝土梁板加固時(shí)，大多數(shù)都是在梁的底面進(jìn)行，由下而上進(jìn)行粘貼。如果成型時(shí)施加的壓力不足，就會(huì)造成與混凝土之間粘合不夠緊密，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)層材料發(fā)生脫落，會(huì)影響加固的效果。
4.4 粘貼控制
涂膠要求涂抹均勻，為避免形成空洞或脫膠，要用力將產(chǎn)生的氣泡擠出刮平，否則將會(huì)影響到混凝土結(jié)構(gòu)的加固效果，導(dǎo)致某些部位粘結(jié)不好，造成在混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中這些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。
5 碳纖維加固的實(shí)例
5.1 項(xiàng)目概況
塘瀝中橋地處東莞市鳳崗鎮(zhèn)塘瀝村旁，位于東莞市S250公路上。該橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁，跨徑組合為3×16m，，橋?qū)?1m。原橋設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)為為汽車-15級(jí)，掛車-80，人群荷載3.0kN/m²，由于交通發(fā)展需要，將設(shè)計(jì)活載提高為汽車-20級(jí)，掛車-100，人群荷載3.0kN/m²。
5.2 原橋結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算
由此可見，該橋在提高車輛荷載等級(jí)以后，承載能力由富裕6.5%變到不足-6.6%，承載能力不足將影響行車安全，該橋梁需要進(jìn)行加固維修提高承載能力。
5.3T梁加固措施
在全橋T梁在腹板底部外包粘貼碳纖維布加固。
5.4加固后承載能力驗(yàn)算
本次采用碳纖維布加固方法有效的提高T梁承載能力，滿足橋梁提載的要求。
6 結(jié)論與建議
由于橋梁設(shè)計(jì)過程中受遠(yuǎn)期規(guī)劃、施工等因素的影響，目前國(guó)內(nèi)許多現(xiàn)有橋梁已不能滿足使用要求，需要進(jìn)行加固處理。新型材料碳纖維在我國(guó)引進(jìn)和應(yīng)用于粘貼碳纖維加固混凝土的技術(shù)時(shí)間不長(zhǎng)，但其優(yōu)異的性能在橋梁結(jié)構(gòu)加固工程中得到充分的體現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)將在越來越多加固項(xiàng)目中得到應(yīng)用。
