碳纖維材料在橋梁加固中應用的探索研究
摘要：隨著公路交通的日益擁擠繁忙，出現橋梁不堪重負，老化破損現象，嚴重影響道路暢通，原有的公路橋梁已遠遠不能適應交通大發展的需求。本文針對橋梁加固、方法原理探索和材料分析，闡明碳纖維材料在橋梁加固中的廣泛應用的發展前景。
1 前 言
伴著我國經濟實力逐漸增強，公路交通運輸日益繁忙，特別近幾年來，我國的交通事業迎來了新的高峰。但隨著公路客貨運輸量及運輸車輛軸載的不斷增大，許多舊有的公路橋梁已嚴重不適應交通大發展的需要。據資料顯示，許多干線公路橋梁長期處于超負荷狀態，致使部分技術狀況較差的橋梁不堪重負，發生老化、破損、裂縫等現象，成為瀕臨坍塌的“危橋”，嚴重影響道路暢通。
據估計，我國公路橋梁約1/3處于3、4類的狀況。此外，屬荷載標準低、橋面寬度窄、不能滿足通行要求的橋梁約占總長15%。所以對現有橋梁進行技術改造，使之能適應現階段運營狀況，已成為緩解空通發展與現有公路橋梁狀況矛盾的主要措施。研究表明，橋梁加固費用一般約為新建橋梁費用的10~20%，雙曲拱橋加固改造費用約為新建橋梁費用的20~40%，經濟和社會效益非常顯著，且有工期短、施工條件便利、維持原橋貌等優勢。
因此，加強對現有橋梁破損情況進行調查、分析、研究，采取相應的維修、加固措施進行加固，對我國公路運輸的發展有重大意義。
2 橋梁加固
舊橋加固是指自橋梁建成后，產生橋梁的維修、改造和需求，針對已經變舊的橋梁所發生的不能滿足繼續使用的狀況進行處理，但在舊橋加固過程中存在幾個問題：
①通車的橋梁因有現實的交通需要，必須在不中斷交通的情況下進行加固，所以加固時有交通干擾；
②加固一般必須在原有結構上進行，只能在此基礎上做文章，所以存在結構形式限制；
③使新老結構完美結合是一個難題，包括新老結構體系的變化和過渡。
因為凡是需要加固的橋梁多半是危橋，結構均處在不利狀態，所以對舊橋加固從各個角度看都是個巨大的挑戰。[-page-]
碳纖維又稱增強復合材料（Carbon Fiber Rein-forced Plastic，簡稱CFRP)，是一種纖維復合材料(FRP)。纖維復合材料是由基體材料和增強材料（如碳纖維）等兩種以上組合材料在宏觀上組成，由于其強度高、比剛度大、抗疲勞性、減振性、耐腐蝕性能好，逐漸受到現代建筑設施的重用。碳纖維根據原料、制造方法的不同，有PAN（奈酚）系碳纖維和瀝青系碳纖維兩大類。目前在工程中應用的碳纖維是由多股連續纖維與基材（樹脂）膠合后經過“擠壓”和“拉拔”成型后制成的連續纖維。按其出廠形狀可分為片材（布材和板材）、棒材（無肋棒材、有肋棒材、集束棒材）、型材（網格形、矩形、工形、層壓形、蜂窩形）和特殊構造用材料等。目前我國結構加固修復中采用的主要是片材，表1所示為市場上常用的碳纖維材料性能技術指標比較。
我國從1997年開始對碳纖維復合材料加固混凝土結構的技術進行研究，主要有梁、柱、板等構件用碳纖維加固的作用效果和機理，以及節點、構造連續、耐久性、FRP應用等方面。在材料生產方面，目前國內有少量碳纖維生產，但碳纖維片材的勻質和低樹脂含量等關鍵技術上與國外相比尚有很大差距，對材質難以保證。粘結用的樹脂是根據不同部位的使用功能和使用條件來選用不同的型號和性能指標的環氧樹脂，如修補樹脂用于填補不平，和混凝土結合有很高的粘結強度。
3 加固方法比較[-page-]
目前國內外常用的結構加固方法有粘貼鋼板加固法、增大斷面加固法、體外預應力加固法及碳纖維加固法等。
3.1 粘貼鋼板加固法
該法與碳纖維加固法相類似，主要采用雙組環氧樹脂粘結劑把鋼板或其他鋼制件粘結在混凝土表面，并構成一個混凝土、粘結劑及鋼板三相復合物系統。讓鋼板部分替代鋼筋的作用，從而提高結構的承載力。該法有施工簡便快速、對結構整體尺寸的改變極小、對原結構破壞小等優點。因此，當鋼筋混凝土構件的承載力不足或因變形、裂縫影響結構正常使用時，就可通過結構膠將鋼板粘貼到鋼筋混凝土構件外部恰當位置來滿足其承載力和正常使用要求。然而，由于抗剪加固需要牢固的錨固措施易對混凝土結構產生破壞作用。另外，由于鋼板本身的剛度較大，混凝土表面平整度對加固效果影響較大，混凝土表面嚴重的不平整會導致鋼板與混凝土有效粘結面積減少，從而影響加固效果。
3.2 增大斷面加固法
該法是在己有梁上補澆混凝土，增加構件的斷面面積，以提高橋梁的承載能力，其成敗關鍵是新老混凝土的結合問題。因此務必作好新老混凝土的結合處理，確保其結合良好。由于新澆混凝土為二次受力構件，所以結合面應力狀態復雜。此外，其加固周期長而影響橋面交通，且梁底部和側面澆筑比較困難。
3.3 體外預應力加固法
該法是借助所施加的預應力以減少構件產生的拉應力。一般采用無粘結預應力混凝土技術做加固。其優點是不但能提高結構承載力，也能明顯改善構件的抗裂性能，缺點是預應力加固構件是二次受力構件，存在應力超前和應變滯后現象。原構件預應力作用產生的壓縮變形對控制張拉量的計算影響較大。由于鋼板本身的防腐蝕能力差，對于海洋或具有腐蝕性較強的環境不宜采用。
3.4 碳纖維加固法
由于碳纖維布是柔性材料，施工時可以依靠現場用剪刀裁剪成所需的形狀和尺寸，對構件的不同外形都具有極高的適應能力，且重量輕，現場施工基本是手工操作，不需要大型設備和施工工具，在較小的空間即可進行施工，所以施工速度很快，施工工期短，粘貼質量可以得到保證。從經濟角度分析，碳纖維布價格雖然相對較高，但在運輸、存儲、裝卸、加工、維護過程中的費用相對較少，施工機具簡單，從而減少了機械臺班費，施工速度快，相應又縮短了工期，也節省了人工費用，碳纖維耐久性好，又減少了后期維護費用。因此，加固工程綜合造價中碳纖維相對要低。[-page-]
綜合施工難易程度、施工工期和施工質量等因素，采用碳纖維加固鋼筋混凝士橋梁結構具有巨大的理論和實踐意義。
4 碳纖維材料加固原理
碳纖維材料在橋梁加固工程中的應用原理與鋼筋混凝土結構的工作原理相似：
(1)鋼筋與混凝土具有良好的握裹性。兩者在受力后共同變形形成協調性，碳纖維需借助粘結材料與混凝土結合，兩者之間的結合必須大于混凝土本身的抗剪強度。通常使用的粘結樹脂為膠結劑，它涂于混凝土表面，易滲入混凝土內與之結合成類似樹脂混凝土，可加強混凝土強度，并與碳纖維密切結合，有效傳遞剪力，而使碳纖維和混凝土結合成一體。
(2)鋼筋具有比混凝土更高的彈性模量和抗拉強度。碳纖維的強度雖然高，但其彈性模量與鋼筋差不多，見表2，故碳纖維用于鋼筋混凝土的加固上不會有搭配問題，因而可以用于彌補鋼筋混凝土內鋼筋的抗拉不足部分。
(3)鋼筋與混凝土具有相近的溫度線性膨脹系數。鋼筋混凝土結構不會由于強度變化產生相應的溫度內應力，而碳纖維材料的熱膨脹系數a較混凝土和鋼筋要小的多，約為1 x10-5/℃，因而當升溫15℃時，在碳纖維材料中將發生拉應力δ約為32.25MPa，但對碳纖維材料而言僅為極限強度3400MPa的1％左右，故影響不大。
(4)鋼筋與混凝土有良好的化學相容性。因為在混凝土中具有一定的堿性性質，故不會使鋼筋發生銹蝕。由于碳纖維加工過程中已經歷了2000~3000℃的考驗，故可以適用惡劣的使用環境，與原結構用環氧樹脂粘貼后，能可靠地與原結構物共同工作。[-page-]
由于碳纖維材料具有與鋼筋混凝土相容的材料物性，且其又具有耐酸、耐堿、耐鹽、耐老化、耐高溫、耐低溫等特性，故粘貼碳纖維材料在表面后對原結構有良好的保護作用，故可以廣泛應用于橋梁加固工程。
5 展 望
碳纖維材料是一種強度高、重量輕、耐久性好的復合材料，是一種較為理想的橋梁的加固材料。針對目前運營的橋梁中存在的老化、破損、裂縫等問題，在廣泛應用碳纖維材料加固橋梁技術基礎上，不斷嘗試創新，使用新技術、新工藝和新方法使得加固過程更加快捷、經濟、安全和可靠。在不斷完善橋梁加固技術的過程中，為我國交通現代化進程起到巨大的促進作用，更好地倡導和諧社會進程。
1 前 言
伴著我國經濟實力逐漸增強，公路交通運輸日益繁忙，特別近幾年來，我國的交通事業迎來了新的高峰。但隨著公路客貨運輸量及運輸車輛軸載的不斷增大，許多舊有的公路橋梁已嚴重不適應交通大發展的需要。據資料顯示，許多干線公路橋梁長期處于超負荷狀態，致使部分技術狀況較差的橋梁不堪重負，發生老化、破損、裂縫等現象，成為瀕臨坍塌的“危橋”，嚴重影響道路暢通。
據估計，我國公路橋梁約1/3處于3、4類的狀況。此外，屬荷載標準低、橋面寬度窄、不能滿足通行要求的橋梁約占總長15%。所以對現有橋梁進行技術改造，使之能適應現階段運營狀況，已成為緩解空通發展與現有公路橋梁狀況矛盾的主要措施。研究表明，橋梁加固費用一般約為新建橋梁費用的10~20%，雙曲拱橋加固改造費用約為新建橋梁費用的20~40%，經濟和社會效益非常顯著，且有工期短、施工條件便利、維持原橋貌等優勢。
因此，加強對現有橋梁破損情況進行調查、分析、研究，采取相應的維修、加固措施進行加固，對我國公路運輸的發展有重大意義。
2 橋梁加固
舊橋加固是指自橋梁建成后，產生橋梁的維修、改造和需求，針對已經變舊的橋梁所發生的不能滿足繼續使用的狀況進行處理，但在舊橋加固過程中存在幾個問題：
①通車的橋梁因有現實的交通需要，必須在不中斷交通的情況下進行加固，所以加固時有交通干擾；
②加固一般必須在原有結構上進行，只能在此基礎上做文章，所以存在結構形式限制；
③使新老結構完美結合是一個難題，包括新老結構體系的變化和過渡。
因為凡是需要加固的橋梁多半是危橋，結構均處在不利狀態，所以對舊橋加固從各個角度看都是個巨大的挑戰。[-page-]
碳纖維又稱增強復合材料（Carbon Fiber Rein-forced Plastic，簡稱CFRP)，是一種纖維復合材料(FRP)。纖維復合材料是由基體材料和增強材料（如碳纖維）等兩種以上組合材料在宏觀上組成，由于其強度高、比剛度大、抗疲勞性、減振性、耐腐蝕性能好，逐漸受到現代建筑設施的重用。碳纖維根據原料、制造方法的不同，有PAN（奈酚）系碳纖維和瀝青系碳纖維兩大類。目前在工程中應用的碳纖維是由多股連續纖維與基材（樹脂）膠合后經過“擠壓”和“拉拔”成型后制成的連續纖維。按其出廠形狀可分為片材（布材和板材）、棒材（無肋棒材、有肋棒材、集束棒材）、型材（網格形、矩形、工形、層壓形、蜂窩形）和特殊構造用材料等。目前我國結構加固修復中采用的主要是片材，表1所示為市場上常用的碳纖維材料性能技術指標比較。
我國從1997年開始對碳纖維復合材料加固混凝土結構的技術進行研究，主要有梁、柱、板等構件用碳纖維加固的作用效果和機理，以及節點、構造連續、耐久性、FRP應用等方面。在材料生產方面，目前國內有少量碳纖維生產，但碳纖維片材的勻質和低樹脂含量等關鍵技術上與國外相比尚有很大差距，對材質難以保證。粘結用的樹脂是根據不同部位的使用功能和使用條件來選用不同的型號和性能指標的環氧樹脂，如修補樹脂用于填補不平，和混凝土結合有很高的粘結強度。
3 加固方法比較[-page-]
目前國內外常用的結構加固方法有粘貼鋼板加固法、增大斷面加固法、體外預應力加固法及碳纖維加固法等。
3.1 粘貼鋼板加固法
該法與碳纖維加固法相類似，主要采用雙組環氧樹脂粘結劑把鋼板或其他鋼制件粘結在混凝土表面，并構成一個混凝土、粘結劑及鋼板三相復合物系統。讓鋼板部分替代鋼筋的作用，從而提高結構的承載力。該法有施工簡便快速、對結構整體尺寸的改變極小、對原結構破壞小等優點。因此，當鋼筋混凝土構件的承載力不足或因變形、裂縫影響結構正常使用時，就可通過結構膠將鋼板粘貼到鋼筋混凝土構件外部恰當位置來滿足其承載力和正常使用要求。然而，由于抗剪加固需要牢固的錨固措施易對混凝土結構產生破壞作用。另外，由于鋼板本身的剛度較大，混凝土表面平整度對加固效果影響較大，混凝土表面嚴重的不平整會導致鋼板與混凝土有效粘結面積減少，從而影響加固效果。
3.2 增大斷面加固法
該法是在己有梁上補澆混凝土，增加構件的斷面面積，以提高橋梁的承載能力，其成敗關鍵是新老混凝土的結合問題。因此務必作好新老混凝土的結合處理，確保其結合良好。由于新澆混凝土為二次受力構件，所以結合面應力狀態復雜。此外，其加固周期長而影響橋面交通，且梁底部和側面澆筑比較困難。
3.3 體外預應力加固法
該法是借助所施加的預應力以減少構件產生的拉應力。一般采用無粘結預應力混凝土技術做加固。其優點是不但能提高結構承載力，也能明顯改善構件的抗裂性能，缺點是預應力加固構件是二次受力構件，存在應力超前和應變滯后現象。原構件預應力作用產生的壓縮變形對控制張拉量的計算影響較大。由于鋼板本身的防腐蝕能力差，對于海洋或具有腐蝕性較強的環境不宜采用。
3.4 碳纖維加固法
由于碳纖維布是柔性材料，施工時可以依靠現場用剪刀裁剪成所需的形狀和尺寸，對構件的不同外形都具有極高的適應能力，且重量輕，現場施工基本是手工操作，不需要大型設備和施工工具，在較小的空間即可進行施工，所以施工速度很快，施工工期短，粘貼質量可以得到保證。從經濟角度分析，碳纖維布價格雖然相對較高，但在運輸、存儲、裝卸、加工、維護過程中的費用相對較少，施工機具簡單，從而減少了機械臺班費，施工速度快，相應又縮短了工期，也節省了人工費用，碳纖維耐久性好，又減少了后期維護費用。因此，加固工程綜合造價中碳纖維相對要低。[-page-]
綜合施工難易程度、施工工期和施工質量等因素，采用碳纖維加固鋼筋混凝士橋梁結構具有巨大的理論和實踐意義。
4 碳纖維材料加固原理
碳纖維材料在橋梁加固工程中的應用原理與鋼筋混凝土結構的工作原理相似：
(1)鋼筋與混凝土具有良好的握裹性。兩者在受力后共同變形形成協調性，碳纖維需借助粘結材料與混凝土結合，兩者之間的結合必須大于混凝土本身的抗剪強度。通常使用的粘結樹脂為膠結劑，它涂于混凝土表面，易滲入混凝土內與之結合成類似樹脂混凝土，可加強混凝土強度，并與碳纖維密切結合，有效傳遞剪力，而使碳纖維和混凝土結合成一體。
(2)鋼筋具有比混凝土更高的彈性模量和抗拉強度。碳纖維的強度雖然高，但其彈性模量與鋼筋差不多，見表2，故碳纖維用于鋼筋混凝土的加固上不會有搭配問題，因而可以用于彌補鋼筋混凝土內鋼筋的抗拉不足部分。
(3)鋼筋與混凝土具有相近的溫度線性膨脹系數。鋼筋混凝土結構不會由于強度變化產生相應的溫度內應力，而碳纖維材料的熱膨脹系數a較混凝土和鋼筋要小的多，約為1 x10-5/℃，因而當升溫15℃時，在碳纖維材料中將發生拉應力δ約為32.25MPa，但對碳纖維材料而言僅為極限強度3400MPa的1％左右，故影響不大。
(4)鋼筋與混凝土有良好的化學相容性。因為在混凝土中具有一定的堿性性質，故不會使鋼筋發生銹蝕。由于碳纖維加工過程中已經歷了2000~3000℃的考驗，故可以適用惡劣的使用環境，與原結構用環氧樹脂粘貼后，能可靠地與原結構物共同工作。[-page-]
由于碳纖維材料具有與鋼筋混凝土相容的材料物性，且其又具有耐酸、耐堿、耐鹽、耐老化、耐高溫、耐低溫等特性，故粘貼碳纖維材料在表面后對原結構有良好的保護作用，故可以廣泛應用于橋梁加固工程。
5 展 望
碳纖維材料是一種強度高、重量輕、耐久性好的復合材料，是一種較為理想的橋梁的加固材料。針對目前運營的橋梁中存在的老化、破損、裂縫等問題，在廣泛應用碳纖維材料加固橋梁技術基礎上，不斷嘗試創新，使用新技術、新工藝和新方法使得加固過程更加快捷、經濟、安全和可靠。在不斷完善橋梁加固技術的過程中，為我國交通現代化進程起到巨大的促進作用，更好地倡導和諧社會進程。
