ＺＤ【CFRP在桥梁加固工程中的应用研究】

2006年03月09日 11:10:23

2楼

　　　　　　　　　　　　　　【CFRP在桥梁加固工程中的应用研究】
0 引言

　　由于受到酸、碱、盐及水的渗透、冻融循环等外界环境的侵害，以及结构设计或施工上的失误、使用荷载的改变、抗震设计标准的提高等，我国许多桥梁已渐渐不能适应现代交通的要求，影响到桥梁的正常使用。为了适应现代交通的需求，满足现行桥梁设计规范要求，必须对现有桥梁进行加固补强。
　　常用的加固方法有加大截面法、外包钢法、喷射混凝土法、粘钢加固法、预应力加固法等。然而这些加固技术的施工都比较复杂，不但增加了结构自重，而且减少桥下净空，有些(如粘钢法)在加固后还需要定期的养护。近几年来，纤维增强塑料以其优良的物理力学性能，成为国内外土木工程界,特别是桥梁工程界加固工程研究的热点。

1. 碳纤维材料及其在桥梁加固工程中的应用

1.1 碳纤维材料

　　纤维材料(FRP)主要有碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)、玻璃纤维(GFRP)，其用于加固有许多优点。
　　(1)具有很高的比强度、比刚度，强度是钢材的十几倍，弹性模量是钢材的1—2倍。
　　(2)疲劳性能好，疲劳强度可达其拉伸强度的70%—80 %。
　　(3)减振性能好，纤维材料自振频率甚高，可避免早期共振；同时其内阻(内部摩擦)也很大，一旦激起振动，衰减也快。
　　(4)优良的耐化学腐蚀性，具有优良的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。
　　(5)良好的耐热性、电磁中性。
　　(6)可裁剪，易于操作，施工方便，适用面广。由于上述原因，FRP在混凝土结构的加固中有着广泛的应用，但目前用于结构加固的主要是碳纤维材料(CFRP)。

　　目前，结构加固修复的CFRP材料形式有很多，从国际上看，用于结构加固修复最多的材料形式是片材，其次是棒材。在片材中，布状材料使用量最大，且技术最成熟，美国、日本、加拿大、西欧等国都已有了标准规范；板材的使用量较少，但该种形式的CFRP利用率高，近年使用量增长很快。CFRP棒材结构加固主要是桥梁的体外预应力加固，近年来用量逐渐增加。我国目前对CFRP布材进行了大量研究，对板材和棒材的研究较少，对其它形式的CFRP材料用于加固修复结构的研究及其应用末见报道。

1.2 CFRP加固修复用粘贴树脂
　　试验研究表明：当纤维材料与被加固构件的粘贴性能不好时，碳纤维加固构件会发生保护层混凝土剪切受拉剥离破坏或CFRP与混凝土基层间的粘结剥离破坏。这两种破坏形式是脆性破坏，具有突然性。因此，一定要重视粘贴树脂性能，避免此种破坏。国际上，对CFRP加固修复混凝土结构粘贴树脂通常是选用环氧基的。关于粘贴树脂种类，日本采用三步粘贴法(底层涂料、找平材料、浸渍树脂)，这比传统上的粘钢使用一种结构胶要好，更能保证质量。
　　目前粘贴树脂主要有日本、瑞士等国的，我国在粘贴树脂的研究开发上尚不够完善，主要表现在：
　　(1)产品没有定型；
　　(2)性能指标检验不够充分；
　　(3)使用范围窄或不够配套化。

　　笔者认为，为了充分发挥纤维材料的耐腐蚀性及在恶劣条件下的使用性能，除应对粘贴树脂各项性能进行必要的检验，同时应考虑各种环境(高温、低温、潮湿、干燥、动载)对其性能的影响。应从以下几个方面进行研究：
　　(1) 力学性能指标。
　　主要包括拉伸强度、压缩强度、拉伸剪切强度、正拉粘结强度以及进行推剪粘贴、拉剪粘贴、弯拉粘贴性能试验。
　　(2)长期使用性能指标。
　　主要指树脂的耐久性及蠕变性能。
　　目前日本对粘结剂耐久性的检验项目有：耐大气腐蚀性、耐水性、耐化学药品性、耐寒和耐热性、耐疲劳性。
　　(3)施工性能指标。
　　施工性能指标主要包括在不同温度，如高温(35℃以上 )、常温(5—35℃)、低温(5—20℃)下）的适用期与干燥时间。
　　目前国内粘贴树脂尚缺乏低温下使用的产品，在较高施工温度下也不尽如人意，固化时间、干燥时间难于控制。而粘贴树脂在低温及高温下的性能变化对于我国来说有着极为重要的意义。
　　我国目前使用的树脂其适用温度为5—35℃。当施工气温低于7℃时，树脂的流动性差、渗透性弱、固化时间长，从而导致施工不便，施工质量差。而我国长江以北地区每年的3—4月份，气温在-15 —5℃，因此寻找一种能在低温条件下使用的树脂，是极为迫切的。研究在低温下粘贴树脂的渗透性、固化性及所需要的时间，研究低温改性树脂以及与低温树脂配套的纤维材料、施工工艺等将是今后研究的一个方向。

1.3 碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用

　　碳纤维用于混凝土结构的加固始于70—80年代的美国、日本，其中粘贴CFRP加固桥梁的技术，1991年7月首次用于对瑞士伊巴赫桥的加固，用6.2kg CFRP板代替175kg钢板加固，满足了承载力要求。随着欧洲把桥梁的设计荷载提高到40T，导致欧洲境内大部分桥梁需要加固补强；美国和加拿大约有60万座桥梁受盐害损坏严重，需要补强加固；日本阪神大地震及台湾“9.11”地震后，CF RP广泛用于震后建筑重建和补强，这些都促进了CFRP在加固补强工程中的应用。经过十几年的研究应用，一些发达国家取得了许多成果，编制了相应的加固规程和技术手册。

　　我国在这方面起步较晚，理论研究的深度不够，但已经有了许多桥梁加固的实例。如天津于家岭大桥的墩柱、墩帽加固；南京机场路高架桥空心板补强修复；徐州某铁路大桥的补强修复；天津普济河道立交桥补强修复；卢沟新桥的补强修复工程等等。随着碳纤维广泛用于桥梁结构的加固，我们迫切需要加深对碳纤维加固混凝土结构的性能研究。

lucien

2006年03月09日 11:17:17

3楼

2　碳纤维加固混凝土结构性能试验研究

2.1 研究现状

　　近几年，国内对CFRP加固混凝土结构的性能做了大量的试验和理论研究，但从总体上看，研究的项目比较基本，研究的内容较窄。表1给出了CFRP加固混凝土结构的试验研究情况。

　　从表1可以看出国内对CFRP加固结构的研究还处于基本性、验证性的研究阶段。
　　笔者认为，今后要着重从以下几个方面对碳纤维加固进行研究。
　　(1) 要对不同结构形式的梁(连续梁、悬臂梁)和不同截面形式(矩形、圆形，组合截面，变截面及不规截面形等)进行抗弯、抗剪加固，对加固后梁的承载力、裂缝、变形等进行统计归纳，推导出其数量关系，而不仅仅是进行定性的描述。
　　(2)目前的研究只是分项的研究加固对抗剪、抗弯的效果，对加固构件的抗扭性能研究的很少。同时实际结构的受力很复杂，可能同时受到弯、剪、扭的作用，需要搞清楚在弯、剪、扭组合内力作用下，碳纤维的加固部位、加固量及加固方式，以达到既满足加固要求，又经济合理的目的。
　　(3)对碳纤维加固后发生粘结破坏的研究不够，对界面剥离机理模型的建立有太多的假定，处于摸索阶段。同时，对结构加固后耐久性及长期受力性能的研究的很不够，这些都需要进一步加强研究。

assssw

2006年03月09日 16:10:39

4楼

好东西
!

lucien

2006年03月09日 16:22:30

5楼

3 纤维材料加固混凝土结构设计现状及存在的问题

　　日本在编制有关CFRP规程、标准方面是起步最早和最完备的国家之一。1993年，由日本建筑院(AIJ)颁布的《FRP加固混凝土结构设计指南》是世界上第一个关于FRP的设计指南；1996年，日本土木工程学会（JSCE）正式颁布了《连续纤维材料补强加固混凝土结构物的设计及施工规程》。
　　美国的ACI—440 F委员会于1999年2月推出了ACI—440F设计规程(草案)，该规程为采用外部粘贴法加固混凝土结构提供了诸如材料的选择、设计计算方法及施工方法等方面的指南，尤其是针对CF RP加固混凝土与普通钢筋混凝土的不同之处提出了值得注意的问题，并作出了相应的规定和建议。
　　目前国内的碳纤维加固规程正在编制之中，在借鉴国外设计思想的基础上，我国碳纤维加固构件的设计计算假定同普通钢筋混凝土构件，即混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；纵筋与混凝土之间、纤维与混凝土之间没有任何滑移，应力应变连续；不考虑混凝土的抗拉作用；混凝土、钢筋的结构关系为理想弹塑性；碳纤维采用线弹性应力应变关系。

3.1 抗弯计算

　　目前碳纤维抗弯设计一般参照钢筋混凝土结构设计计算方法，只是对碳纤维承载力乘两个参数：纤维材料强度折减系数和纤维材料与原梁共同工作系数。限于篇幅，此处不列出公式。

3.2 抗剪计算

　　外粘CFRP加固后混凝土梁的受剪承载力由混凝土、箍筋(弯起钢筋)和CFRP组成。Vu＝V C＋Vs＋VF，Vc、Vs可根据规范计算，关键是 VF (碳纤维布承受的剪力)的计算。因为CFRP加固后混凝土梁破坏时，CFRP可能被拉断或发生粘结破坏。试验发现，VF 与胶的性能、CFRP的锚箍性能、CFRP的层数、粘贴方式(正向及斜向粘贴)以及加固梁的配箍率、剪跨比等很多因素有关。目前国内外学者对V F 的取值做了一些研究，但误差很大，有时试验值与计算值相差1倍以上，因此VF 的计算有待于进一步的研究。

　　为提高碳纤维加固效率，笔者认为在加固设计中要注意以下问题：

　　(1)碳纤维抗弯加固设计都假定碳纤维材料与混凝土之间为理想粘贴，碳纤维材料与混凝土之间没有相对滑移，近似认为碳纤维拉应变等于钢筋拉应变，按受力相等原则，将碳纤维面积转化为等效钢筋面积，然后参照钢筋混凝土受弯构件承载力设计。但这并不符合实际，由于碳纤维与混凝土存在相对滑移，特别是梁开裂和屈服后，碳纤维应变发展速度大于钢筋应变，并使钢筋发生应变滞后效应。因此设计中材料断面面积的大小应根据应力应变关系和拉区拉力的需要来确定，不能根据等量的钢筋断面面积来确定。

　　(2)被加固构件在碳纤维强度没有得到充分发挥就发生诸如碳纤维的剥离破坏或端部锚箍破坏等，此类破坏具有突然性，在设计中应考虑并尽量避免其发生。

　　(3)为保证梁在破坏前有足够的延性及安全储备，在混凝土受压破坏或CFRP拉断之前，受拉钢筋应变值应达到0.5％以上，同时碳纤维承受的力不超过极限抗力的40%。

　　(4)试验研究发现，被加固构件在有初始应力情况下，碳纤维材料存在一定的应变滞后现象，碳纤维对梁极限承载力的提高将减小。因此在加固计算时要考虑二次受力的情况。

　　(5)试验研究发现，碳纤维加固存在着使用效率问题，同等数量的碳纤维条比整匹碳纤维加固效果要好。但如何求出碳纤维条的优化尺寸、碳纤维条的间隔等，使既满足加固要求，又经济最省，还需要进一步的研究。

　　总之，碳纤维加固效果的好坏与许多因素有关，如锚箍性能、搭结方式、加固梁本身的性能及几何情况 (支撑情况、高跨比、剪跨比、混凝土强度、配筋率、配箍率)和加固材料的性质(CFRP厚度、弹性模量、胶的弹性模量及极限延伸率)等。因此在加固设计中要综合考虑，在工程实践和试验理论研究的基础上总结规律，为我国碳纤维加固规程的编制和完善提供数据和经验。

4 结语

　　碳纤维加固技术从 1998年进入我国后，在许多桥梁加固工程中得到广泛的应用，我国的科研人员也对CFRP加固混凝土结构的性能做了大量的试验和理论研究，也成立了全国性的行业协会。但从总体上看，研究的项目比较基本，研究的内容较窄。随着我国许多桥梁因各种原因需要加固补强时，迫切希望从深度和广度上加强对碳纤维加固技术的研究。可以预见：在不久的将来，我国将能够形成自己的应用研究体系，同时形成碳纤维加固的标准规范和施工指南，并在工业上实现CFRP应用材料及粘贴树脂的完全国产化。这将大大降低CFRP加固成本，极大的促进CFRP在桥梁加固中的应用。