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碳纤维布加固现浇板桥

碳纤维布加固现浇板桥

2005年 四川公路设计院 郑远鹄 吴士东晨光化工研究院 王 洪 杨旭明 摘要 碳纤维(GFRP)是一种高强度、高性能的新材料,碳纤维布加固桥梁和混凝土结构,是近年发展起来的一种高新技术。它性能优良,质量可靠,施工便捷,设备简单,不损伤梁体,不增加构件重量,不留加固痕迹造价相对较低。本次通过设计、化工、科研、施工各方的密切合作,成功地将这一新材料、新技术运用于隆纳高速公路桥梁加固,掌握了全套加固技术。
 一、 概况 隆纳高速公路主线K70±340和匝道AKO±838.38两座桥,均为跨径13米的纲筋混凝土板桥,梁高55厘米,桥梁总宽分别为33.9米和25.75米,每桥由独立的两幅组成,幅宽为20.73米、13.17米、13.47米、12.28米。该两桥原设计为预制安装钢筋混凝土铰接板桥,后因施工条件变化,改为分幅全宽现浇钢筋混凝土体板桥。铰接板改为整体板后,横向钢筋仍按原铰接板中构造箍筋φ8设置。 结构改变后,板宽大于或等于板跨,除纵向内力外,还产生了板内横向变距,而横向钢筋太弱,就形成了大量纵向裂缝,需进行横向加固和封闭裂缝。 二、修复方案的选择 本桥所处路段当时尚未正式通车,要拆除重建也是一种补救措施,但业主基于社会影响,工期和造价,选择了原桥加固的方法。 根据该桥情况,有3种修复加固方法可供选择:
1、横向预应力加固 本桥两侧边缘钻孔或粘锚预应力锚头(锚座),用于粘结或有粘结预应力钢铰线进行横向张拉,然后对锚头和有粘结预应力钢绞线用砼封包,并进行裂缝封闭。 此是一种主动性的加固方法,它可以减少和消除板梁中前期已形成的横向应力,改善梁体应力状态,加固效果良好。缺点是该法要在梁体上钻孔、打洞、凿毛、植筋,对梁体和受力钢筋有一定伤害,同时在梁底形成外露无粘接筋或混凝土肋,加固痕迹明显,有损梁体美观;该法加固工作量也较大。
2、粘贴钢板法 在梁底和加强钢板上钻孔,将抗剪螺栓置入梁底钻孔,通过钢板与经严格处治的梁底间的树脂粘剂和螺栓对钢板加压,使加固钢板与梁底面粘为一体,从而达到加固的目的。 此方法旨在改善和减小后期活载受力,对前期已产生的恒戴内力无作用。 此方法所需材料采购方便,不需埋置预应力锚具和进行预应力张拉,但此法梁体钻孔极多,且须与钢板钻孔一一对应,难度较大,对原梁体结构有所损伤,且加固痕迹显著,特别对于刚落成桥梁,有损业主形象。
3、粘贴碳纤维(GFRP) 在经除去浮浆、打磨和整平的梁体表面,用树脂类粘结剂横桥向粘贴碳纤维布,从而达到修复加固的目的。 碳纤维布(GFRP)是一种高强度、高性能的新材料,用它加固梁体,不钻孔、不植筋、不需特殊设备、不增加梁体重量,施工便捷、质量可靠、封闭性能尤佳,除色泽微偏黑外,不留其它痕迹。业主接受了此种加固方法。
三、碳纤维加固材料性能
1、碳纤维布 本项目所用碳纤维布为连续纤维单向排列的布状碳纤维制品,厚度0.1毫米、宽度100毫米,其基本物理力学指标如下表: 表1 碳纤维布基本力学指标 *注:本工程采用该碳纤维布。 碳纤维材料是一种具有独特的化学结构的高分子聚合物,它具有优异的抗拉强度和位伸模量,其单层(100毫米宽)碳纤维复合材料的极限抗拉力可达32KN,满足了桥梁加固修复的结构要求;同时,由于其独特的化学结构,它具有不燃烧、耐腐蚀和使用寿命长的特点,极适宜于桥梁、高层建筑的结构加固。 本次工程采用的碳纤维材料,出厂检验指标:拉伸弹性模量272Gpa/0.1mm,拉伸断裂载荷4.5KN/层·10mm、拉伸伸长率1.73%。抽样自检指标:拉伸断裂载荷5.74KN/层·10mm(含胶粘剂部分强度)。
2、粘结剂及复合树脂 本工程采用晨光化工研究院研制的系列建筑结构粘合剂及施工工艺,根据不同部位、不同作用、不同气候、不同情况,选用不同型号产品。性能指标见表2。 表2 胶粘剂的性能指标 碳纤维复合材料加固修复砼结构,胶粘剂的选择和使用是非常重要的。碳纤维能否充分发挥出应有的力学性能,能否紧密地与砼表面贴合和传递所受的应力,能否与碳纤维材料相容并形成稳定高强的复合材料,与胶粘剂的品种和综合性能关系甚大。胶粘剂除了应具有较高的力学性能外,不同用途的胶粘剂还应具备不同的特点:如底胶应具备较低的粘度,通过毛细作用渗透到砼结构中,形成“爪”式粘接结构;找平胶应具备良好的触变性;最主要的粘碳纤维胶,不仅要具有好的渗透性以利于浸透碳纤维,同时还应具有一定的初粘力,以防碳纤维布塌落而形成空洞或空隙,另一方面,由于碳纤维布粘贴加固是由多种胶粘剂共同作用而成,不同的胶粘剂之间的闲亲和力或相容性必须良好。总之,对于胶粘剂而言,其粘接强度(包括粘接拉伸强度,剪切强度等)的指标是最主要的。 表3 几种胶粘剂相互粘接力性能 胶粘剂自检测试,TH81抗拉强度55.5Mpa,抗压强度67Mpa,剪切强度21.2Mpa(钢~钢);TH71-1剪切强度20.4Mpa(钢~钢);TH81-1粘接拉伸强度45.1Mpa,剪切强度31.9Mpa(钢~钢)。 四、施工工艺 本工程施工工艺见图1,施工流程示意图: 五、碳纤维布加固的评述
1、碳纤维布加固与钢板加固效果相同,它不能主动去改变结构前期受力,但可与原结构共同承担后期恒载和活载,满足结构受力需要。
2、粘贴碳纤维布加固是一种新型、高效的结构修复加固技术,它高强、高效,对结构无损伤,外观无影响,荷载不增加,适用范围广,施工便捷、质量可靠,深受业主们的喜爱。
3、粘贴碳纤维布能改善裂缝分布状况和裂缝宽度。试验证明,粘贴碳纤维布后,裂缝间距减小,变密、变均匀,裂缝宽度减窄。这是结构者所期望的。
4、碳纤维布封闭性能优良。特别是本工程所采用的性能优良的TH系列封缝粘合结构胶形成的复合材料,具有很高的强度的封闭性能,不会在结构破坏前开裂,其牢固地罩在结构表面,防止有害气体和物质腐蚀钢筋。 本次是对纵向裂缝进行加固,但同时对横向裂缝起到了封闭作用,保护了纵向受力主筋。 本次加固的两座小桥粘贴面积690平方米,施工工期一月,全面实现了业主意图和工期要求,已于二OOO年十一月通过业主、质检、设计、施工、监理组织的质量验收,获得各方一致好评。


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