碳纤维筋喷浆法在桥梁加固中的理论研究及工程应用

1 前言

随着近几年重载超载现象的迅速增加，使得公路交通运输系统需具备一定的安全性、快速性和便捷性。桥梁是公路运输的重要组成部分，为促进经济的发展起到了非常重要的作用，因此，对桥梁的安全养护管理一直是建设管养单位首要解决的问题。从上世纪80年代末开始，一方面新建桥梁建设蓬勃发展，另一方面针对旧有的桥梁加固改造维修工作迫在眉睫。在现有的大部分桥梁中，由于受到当时条件、经济、养护及相关技术的限制，桥梁出现了诸如材料老化、结构损坏、部件缺失等病害，使得大部分桥梁为三、四类桥梁，存在一定的安全隐患。对于这种不能适应现代公路交通运输要求的旧桥，如果完全拆除重建，不仅所需要的资金巨大，而且还需要中断交通，影响居民的交通出行，因此当地部门大部分采用维修改造对桥梁进行加固。在针对众多桥梁加固方法中，由于大部分加固方法存在耐久性较差、后期维修成本较高等问题。因此，如何能采取有效的加固措施，达到既加固改造又修旧翻新的效果，恢复或提高它们的承载能力，延长桥梁的耐久性能，使其继续为当代交通运输服务。

碳纤维筋喷浆补强加固法是一种新型的桥梁加固改造技术，关于碳纤维筋的研究，最早开始于1967年的南非学者Fleming和1971年的法国学者Bresson，从此以后很多国家的学者们就给予了碳纤维筋更多的关注，80年代的美、日等发达国家的很多学者研究将碳纤维筋材料用于混凝土桥梁结构加固。与之相比，我国对碳纤维筋材料加固混凝土结构技术的研究与应用起步较晚。2000年6月，我国土木工程学会的混凝土与预应力混凝土分学会成立了碳纤维增强复合材料及工程应用委员会，接着在2003年针对炭纤维筋加固的行业标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》孕育而生，在此基础上，我国对碳纤维筋加固混凝土结构技术的研究越来越多，有些研究达到了国际领先水平。

本文首先从碳纤维筋加固作用机理及适用范围出发，对碳纤维筋喷浆法加固梁桥的表面安装及开槽植筋加固梁底以及桥面板板底等部位进行了研究，并给出了加固补强后原构件承载能力计算方法以及相应的施工工艺控制要点，最后结合北京市提供的实桥应用，对加固后的效果进行了验证。

图2.1 表面安装碳纤维筋加固图

2 碳纤维筋加固作用机理及适用范围

碳纤维筋加固混凝土结构其实质是体外配筋，加固方法主要有两种：一是碳纤维筋表面安装法，二是碳纤维筋开槽植筋法(表层嵌贴)。

碳纤维筋表面安装法是通过安装碳纤维筋于被加固构件表面受拉侧，使其新增抗力层，然后进行喷浆形成碳纤维筋高强聚合物砂浆补强层，在汽车荷载作用下，该抗力层与原构件共同抵抗作用效应，进而减小原构件所承担的抗力水平。通过这种新增补强层后，不仅可提高结构构件的刚度和承载力，且具备抗腐蚀、耐高温、与结构共同受力的特点，如图2.1所示。该方法主要适用于对承载能力不足的抗弯构件进行加固补强，多用于公路桥梁结构、石拱桥、隧道、盖梁及高墩墩底的抗弯加固。对于这种方法，喷浆层与原构件表面的粘结性能要求较高，确保新旧构件的共同受力。

碳纤维筋开槽植筋补强法是在原有表层粘贴法基础上的发展和创新，把高强碳纤维筋作为受力配筋，主要用于桥梁受拉应力的部位。其原理是在原钢筋混凝土构件表面浅层开槽，再向槽中注入部分粘结材料，然后将棒状的碳纤维筋嵌入槽中，利用粘结剂使其与构件结合紧密形成整体，以此提高结构构件刚度和承载力，达到加固补强的目的，如图2.2所示。在实际工程中，嵌贴式加固方法施工比较方便，不需要大量的劳动力和大型机械，也不需要占用较大的工作空间，甚至可以在不影响结构正常使用的情况下进行施工，因此该方法具有较大优势。针对桥梁所在地域环境，可以适当选择加固表面喷涂高强聚合物砂浆，实现表面美观，防腐、防潮的目的。因此，碳纤维筋开槽植筋法特别适用于梁体底板抗弯加固、梁体腹板抗剪加固以及横隔板抗剪加固等部位。

3 碳纤维筋加固设计理论计算

3.1 基本假定

对原结构进行碳纤维筋加固补强时，有以下几项假定：

（1）在达到受弯承载力极限状态前，碳纤维筋和聚合物砂浆变形一致，共同受力，不发生粘结剥离破坏。

（2）采用碳纤维棒材加固受弯构件时，其破坏形式应为正截面破坏先于斜截面破坏。

（3）在受弯承载能力极限状态下，截面受压边缘混凝土应变达到界限压应变。截面受压区混凝土应力按等效矩形应力图形；原结构受拉区钢筋认为理想弹塑性材料，钢筋取抗拉强度设计值。

（4）在构件达到受弯承载能力极限状态时，新增的碳纤维筋拉应变采用平截面假定。

图2.2 开槽内嵌碳纤维筋加固图

其中碳纤维筋加固受弯构件设计步骤为：

(1) 第一阶段：新浇筑功能性聚合物砂浆层达到强度标准值之前，构件按原构件截面计算，荷载应考虑加固时包括原构件自重在内的恒载、现浇聚合物砂浆层自重及施工荷载。

(2) 第二阶段：新浇筑功能性聚合物砂浆层达到强度标准值后，构件按加固后整体截面计算，作用(或荷载)应考虑包括加固后构件自重在内的恒载及使用阶段的可变作用。

3.2 承载力计算

采用碳纤维筋进行加固时，如图3.1所示，在受拉区矩形截面受弯构件的受拉边其正截面承载力计算公式如下：

x—等效矩形应力图的混凝土受压高度；

针对开槽植筋的表层内嵌加固设计，其抗弯加固计算采取如下步骤：

（1）碳纤维筋设计材料的计算

（2）计算在恒载作用下碳纤维筋安装位置的初始混凝土弹性应变

（4）估计中性轴高度c（为梁顶距离中性轴的高度），在试算开始时，取

（5）确定碳纤维筋的有效应变：

如果破坏模式是碳纤维筋剥离破坏控制，则混凝土的应变将小于0.0033，混凝土的应变可由下式计算：

（6）计算现有受拉钢筋的应变：

（7）计算钢筋和碳纤维筋的应力：

（8）计算是否满足平衡条件：

（9）计算抗弯强度：

4 加固施工工艺及质量控制

碳纤维喷浆加固法的关键技术一是高强轻质的碳筋材料，二是与原构件的粘结工艺。采用碳纤维筋加固主梁、板底、横隔板，先在侧面或板底混凝土保护层中开槽，再将碳筋嵌入槽内，用环氧树脂填封固定。其中采用轨道式液压升降双锯片切缝设备，进行仰面切割开槽。这种加固方法开拓了高强轻质材料和粘贴牢固两个方面的优势，使嵌入的碳纤维筋与原构件共同受力，承载能力明显提高。其施工工艺流程为：原构件表面处理→局部破损修补→安装开槽机→碳纤维筋植筋→射水凿毛、清洗表面杂物→涂表面强化剂→喷涂高强聚合物砂浆→表面提浆收尾、养生→涂刷表面防腐剂。

施工质量控制要点如下：

（1）原构件混凝土表面处理

清除混凝土表面出现的剥落、空洞、腐蚀等劣化部位，并采用射水凿毛机进行清理，对面积较大的损伤部位，采用功能性聚合物砂浆进行修复，对断裂的钢筋采用帮条焊进行恢复，如发现钢筋锈蚀，还应进行除锈，另外在断裂钢筋上部，植入两层与主筋同等规格的钢筋与主筋共同受力。

（2）开槽

按照设计图纸开槽尺寸，在即将开槽的横隔板上标记开槽线，以保证开槽的平整、顺直，然后固定开槽机轨道，安装调试开槽机，准备开槽。开槽机开槽完毕后，未达到设计要求的部分，人工用角磨机进行局部修补，保证开槽深度、宽度和长度满足设计图纸要求。

（3）植碳纤维筋

图3.1 矩形截面的正截面受弯承载力图

图3.2 内嵌碳纤维筋矩形截面构件正截面受弯承载力计算

植筋前，用吹风机及毛刷清除梁底混凝土槽内灰尘和杂物等，防止植筋胶与混凝土之间不能充分连接。按照设计图纸要求裁剪碳纤维筋。把植筋胶固定在胶枪上，向槽内挤植筋胶，使植筋胶充分填满槽2/3空间，把碳纤维筋嵌入槽内，然后人工修补碳纤维筋表面，使植筋胶充分包裹碳纤维筋，直到达到设计图纸要求。

（4）射水凿毛

调试高压射水凿毛机械，使高压凿毛机压力达到500bar。一次喷射混凝土表面，达到混凝土凿毛效果。射水凿毛完成后人工进行检查，未达到凿毛要求的混凝土表面，采用人工凿毛。然后再次调试射水凿毛机，使高压凿毛机压力达到150bar，洗涤已凿毛混凝土表面后干燥。

（5）涂抹表面强化剂

混凝土表面干燥后，采用刷子或喷涂机在混凝土表面涂抹强化剂，一次涂抹量的标准以无流坠为依据，直至强化剂渗透到混凝土表面。

（6）喷涂高强聚合物砂浆

分层喷射高强聚合物砂浆，每层喷射厚度控制在1.5cm～2.0cm，待上一层初凝后方可进行下层施工。

5 工程实例加固效果

八达岭大桥位于北京市延庆县八达岭长城旅游风景区，京藏高速公路出京方向K55+251.0处。大桥总长为995.0米，桥面宽13.0米，车行道宽11.5米，桥下平均净高17.0米。上部结构为预制预应力钢筋混凝土工字梁，下部结构为钢筋混凝土板墩，钻孔灌注桩基础。八达岭大桥在长期重载作用以及冬季大量使用以“氯盐”为主的无机融雪剂，使得边梁以及防撞护栏表面混凝土腐蚀开裂严重。根据技术设计要求，要对全桥边梁进行碳纤维筋喷浆加固，对全桥中梁、墩台进行局部修补，并做防腐处理。

本次加固工程在不断交通的情况下正常施工，对破损的边梁进行了植筋补强，施工前对该桥进行了加固改造受力验算如图5.1～图5.2所示，加固后效果如图5.3～图5.4所示。

此外，参照《公路桥梁承载能力检测评定规程》的相关规定，本文首先对八达岭大桥进行了维修加固前的荷载试验，在采用碳纤维筋加固横隔板及梁底后，进行了维修加固后的荷载试验。根据该桥的实验数据，对比了加固前与加固后的挠度值和动应变值，其中挠度幅值减少了23.4%，动应变幅值减少了26.5%，说明该桥经过碳纤维筋喷浆加固后，结构的刚度和强度均大大提高。

6 结论

图5.1 加固后桥梁挠度图

图5.2 加固后桥梁应力图

图5.3 安装轨道及开槽植筋

图5.4 收尾养生

（1）在不中断交通条件下，碳纤维筋喷浆加固法由于施工组织方便、周期短、适用性强等特点，可以较快的完成桥梁的加固，经济社会效益十分显著，属于一种经济合理的改造方案。

（2）表层内嵌碳纤维筋喷浆加固应用于桥梁横隔板及梁底维修，对钢筋混凝土梁式桥抗弯能力进行补强，结果表明全桥的整体刚度和承载能力有较大提高，达到了加固效果。

（3）采用高粘性聚合物砂浆薄层喷浆施工工艺，与内植碳筋形成有效组合体，加固后的补强材料与原结构模量基本一致，达到提高加固结构的耐久性和修旧如新的表观效果。