碳纤维片材加固混凝土桥梁结构的应用研究

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摘要:在不断进行新建设、发展新技术的同时,建筑行业正面临着如何对已有的桥梁进行维护和改造的问题,而碳纤维片材作为已知的结构加固材料,如何有效地利用到对现有桥梁工程进行加固修复作业中,使之满足新形势下的需要,已经成为国内外建筑业中的一个重要课题,必须就此进行深入的研究。

Abstract: With constant new construction and the development of new technology, the construction industry is faced with the existing problem of maintenance and renovation, while the carbon fiber sheets as a structural reinforcement material of known, how to effectively use the reinforcement of existing bridges in repair work to meet the needs of the new situation has become an important issue in the construction industry at home and abroad, we must conduct in-depth research on this.

关键词:桥梁加固;碳纤维布;受弯承载力;受剪承载力;二次受力

Key words: bridge strengthening;CFRP;bending capacity;shear capacity;secondary load

中图分类号:TU99 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)30-0061-01

1纤维复合材料补强加固的技术特点

1.1 高强高效由于FRP优异的物理力学性能,在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高强高效的目的。

1.2 施工便捷成品的FRP加固材料是一种织物,其幅宽可以为20cm、30cm、50cm,甚至100cm不等,长度为50-100cm,卷成卷,现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片将其任意剪裁,不像钢板一样需要专门的切割工具。根据有关统计资料,同为粘贴加固法,粘贴FRP是粘贴钢板施工工效的4.8倍,所以纤维复合材料具有施工便捷,工效高,没有湿作业,不需要大型施工机具,施工占用场地少的特点。

1.3 具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能粘贴碳纤维加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀及耐久性,可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀。使用该种方法对结构进行处理后,不仅不需要如粘钢板工法所需要的定期防绣维护,节省了大笔维修费用,而且其本身更可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重目的。

1.4 施工质量易保证由于FRP材料是柔性的,即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100%的有效粘贴率。即使是粘贴后表面局部有气泡,也很容易处理,只要将树脂注入气泡处将空气赶走就可以了。粘贴钢板则很难达到100%的有效粘贴面,相应的验收标准只能达到70%左右。

1.5 耐疲劳性能好桥梁结构经常承受往复荷载、移动荷载的作用,对这类结构加固后要考虑结构的抗疲劳性能。试验研究表明,碳纤维加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载,其强度及延性指标并没有显示出有所降低,而普通混凝土试件经过同样的疲劳循环荷载后,其强度和延性指标都会有不同程度的降低。

2纤维布加固桥梁结构的应用

2.1 碳纤维布加固钢筋混凝土抗剪梁中所起的作用桥梁斜裂缝出现以前,碳纤维布的应力很小,碳纤维布对阻止和推迟斜裂缝出现的作用也很小。但在斜裂缝出现以后,碳纤维布将大大提高斜截面的承载力。

①与斜裂缝相交的碳纤维布直接参加抗剪,承受部分剪力;②碳纤维布抑制斜裂缝开展高度,从而增大斜裂缝顶端混凝土的剪压面,提高混凝土的抗剪能力;③碳纤维布可减小斜裂缝宽度,从而提高斜截面上的骨料咬合力;④碳纤维限制了纵向钢筋的竖向位移,阻止混凝土沿纵向钢筋的撕裂,提高了纵向钢筋的销栓作用;⑤对提高混凝土梁的刚度也能起到一定作用。

可见,碳纤维布对提高桥梁斜截面承载力的作用是多方面的、综合性的。

2.2 碳纤维布加固混凝土梁剪力传递机理通过对碳纤维布作用的分析发现,采用外部粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁时,碳纤维布的作用机理和筘筋非常相似。为了进一步理解碳纤维布在抗剪中的剪力传递机理与破坏机理,仍用传统的桁架―拱模型来解释:对粘贴碳纤维靠混凝土梁,在梁开裂前,碳纤维布的作用不明显,但在斜裂缝出现后,试验表明,与斜裂缝相交的碳纤维布中的应力会突然增大,碳纤维布除参与承受剪力外,还可以有效地减小斜裂缝的宽度,提高桥梁斜裂缝处混凝土的骨料咬合作用。

2.3 桥梁的试验检测①全面检查观测桥梁的现有裂缝。②运用无损检测方法测定桥梁混凝土板梁的混凝土强度及混凝土墩台盖梁的混凝土强度。测定混凝土板梁和混凝土墩台盖梁的混凝土碳化深度。③测定在设计荷载作用下相应的控制截面上的应变和应力,以评定桥梁上部结构是否满足强度要求;④测定在分级加载以及卸载的情况下,桥梁中有关测点上应变和挠度的变化规律以及残余变形,来评定桥梁工作状态下的力学性能;⑤测定在设计荷载作用下裂缝的发展情况,以评定桥梁的抗裂性能和耐久性。

2.4 碳纤维加固施工工序①表面处理。对桥梁拟加固构件加固区域的混凝土表面用角磨机打磨,除去表面疏松层及油污等杂质,露出新的混凝土界面,然后用压缩空气将表面浮灰清除干净。当混凝土粘贴表面潮湿时,对混凝土粘贴面进行烘干处理。②涂刷基底树脂。将基底树脂用滚筒刷均匀涂抹于桥梁加固区域的混凝土表面。③碳纤维布粘贴。将浸润树脂均匀涂抹于加固区域的混凝土表面,在树脂胶规定的时间内将按设计要求尺寸裁剪完毕的碳纤维布粘贴到位,以滚筒沿碳纤维受力方向多次滚压挤出气泡,使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结,并使粘结剂充分渗入纤维之间的缝隙内。边板梁跨中区域为二层碳纤维加固,第二层碳纤维的粘贴重复上述粘贴过程。最后,在碳纤维布表面再涂抹一层粘贴剂,并覆盖塑料薄膜。④表面处理。至少8小时后,去除表面塑料薄膜,在碳纤维布表面涂抹一层基底树脂。基底树脂达到指触干燥后,外涂罩面胶面层。

3结语

目前我国FRP加固补强的理论分析还处于初始阶段,没有形成一套系统理论,破坏机理还需进一步的研究,学术界仍存在许多分歧,所以在理论和实验方面还有许多工作要做。而碳纤维片材加固混凝土桥梁结构的应用也会随着探讨的深入而发挥出更大的作用。

参考文献:

[1]陈小兵.FRP加固混凝土结构的设计原则及国外设计标准[J].工业建筑,2009,31(4):452-454.

[2]曹双寅.外贴纤维加固梁斜截面纤维应变分布的试验研究[J].土木工程学报,2009,36(11).