碳纤维增强复合材料在桥梁施工中的应用(评高论文).doc
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碳纤维在桥梁加固中的应用
摘要：
在桥梁的缺陷修补及旧桥加固施工中，传统的做法是采用环氧树脂砂浆修补及钢板角钢等加箍等方式，但在某种情况下，采用碳纤维增强复合材料不仅仅在受力效果，施工便利性、以及桥梁外观上都起到至关重要的作用。
因此本文着重介绍碳纤维增强复合材料在桥梁施工中应用及计算分析，为确定桥梁维修和加固提供了方法和数据依据。
关键词：
碳纤维桥梁加固修补使用面积
桥梁的维修和加固工作是一个新的技术，要经过反复的科学实验和实践论证才能获得很好的效果。
要取得好的效果就要利用先进的技术和新型的材料。
碳纤维增强复合材料以其优良的耐腐蚀性能和良好的工艺性能，为结构的修复和加固提供了更为广阔的发展空间碳。
其做法是使用改性环氧树脂类结构胶粘剂，将聚丙烯腈基（PAN基）单向高强型碳纤维布，在施工现场采取手糊办法，粘贴于被加固的钢筋砼构件表面，形成碳纤维布增强复合片材并能与钢筋砼构件共同受力，从而提高构件的承载能力。
碳纤维布是增强材料承受荷载，树脂是基体材料，起固定碳纤维和传递荷载的作用。
一、碳纤维增强复合材料主要性能指标：
碳纤维的力学性能
纤维
高抗拉碳纤维
高弹模碳纤维
等级
FTIs—Cl一2
FTIS—Cl一3
FTIS—C5—3
FTIS—C6—3
FTIS—C7—3
单位面积质量（g，）
200
300
300
300
300
密度（g，cm3）
1.8
1.8
1.82
2.1
2.17
设计厚度
（一）
0.111
0.167
0.165
0.143
0.143
设计抗拉强度（Gpa
3.55
3.55
3
2.5
2
设计抗拉弹模（Gpa
235
235
380
500
550
二、碳纤维使用原理及设计计算
钢筋和混凝土这2种力学性能不同的材料之所以能有效结合在一起共同工作，主要的受力机理为：
（1）钢材与混凝土有良好的粘结力，能够在受力后共同变形。
（2）钢材与混凝土良好的化学相容性。
因为在混凝土中具有一定的碱性性质，故不会使钢筋发生腐蚀，且由于钢筋被包裹在混凝土之中，更使钢筋有了一个可靠的保护而不致被腐蚀。
（3）钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度，这是钢筋混凝土结构受力的基本机理，一般2者之比n=Eg／Eh一10～15。
（4）具有相近的温度线形膨胀系数，会由于温度变化产生较大的温度内应力而破坏2者之间的粘结。
由于碳纤维材料的弹性模量与钢筋相近，而抗拉强度高于钢筋，所以具有了以上一些与混凝土材料相容的材料特性，故将碳纤维材料应用于桥梁加固方面，是具有充分理论根据的。
虽然碳纤维材料的热膨胀系数较混凝土和钢筋要小得多，但是当升温15℃时，在碳纤维材料中将产生拉应力约为σcf≈α×15×2．35×l05=32.25MPa，仅为其极限强度3400MPa的1％左右，故影响不大。
碳纤维布可采用下列方式对混凝土结构构件进行加固：
（1）在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维布进行受弯加固，纤维方向与加固处的受拉方向一致。
（2）采用封闭式粘贴、U形粘贴活侧面粘贴对梁、柱构件进行受剪加固，纤维方向与构件轴向垂直。
（3）采用封闭式粘贴对柱进行抗震加固，纤维方向与柱轴向垂直。
（4）当有可靠的依据时，碳纤维布也可以用于其它形式和其它受力状况的混凝土结构构件的加固。
在碳纤维布加固设计中，目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准（例如强度或允许应力）近似换算成一定用量的钢筋，然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。
该近似方法在一般情况下是适用的。
对于钢筋混凝土梁，在设计中有如下假定：
（1）受拉区混凝土的作用忽略不计；
（2）梁受弯时，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；
（3）碳纤维材料采用线弹性应力一应变关系：
σcf=Ecf×εcf
参考相关资料，碳纤维布加固用量，可按下式估算：
△M≤（1/γg）×RgAg（h-x/2）或Ag=（γg×△M）/（Rg（h-x/2））
式中△M——提载前后的弯矩增加量；
γg——钢筋安全系数；
Rg——钢筋抗拉设计强度；
Ag——加固补强所需钢筋面积；
h——截面高度；
x——混凝土受压区高度。
从而可计算出所需碳纤维布面积：
Acf=As（Ry/Rcf）
式中:
Acf——碳纤维布用量（面积）；
As——抵抗不足弯矩所需的钢筋面积；
Ry——钢筋的抗拉设计强度；
Rcf——碳纤维布抗拉设计强度。
三、碳纤维加固施工工艺。
（一）、碳纤维加固及修补施工工艺见如下流程图：
表面处理
底胶涂布
补土整平
树脂涂布
裂缝修补
贴纤维布
表面装饰
树脂涂布
（二）、在碳纤维加固施工过程中，要注意下列几个方面：
1、被加固构件的基面应平整且具有一定强度，一般基面混凝土强度不低于C15。
2、加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接，特别是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。
搭接部位应避开构件应力最大区段，搭接长度不应小于100mm，且搭接端部应平整无翘曲；多层搭接的各层接口位置不应在同一截面，每层接口位置的净距宜大于200mm。
3、应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性。
4、粘贴施工应在气温高于5℃且为晴天时进行。
5、施工人员应注意保护，施工现场应做好防火等安全措施。
四、应用实例
通过计算，发现在金刚头桥每片T梁梁底粘贴截面面积为100mm×1．2mm，初始应力为1000MPa的碳纤维板，腹板两侧距梁底200mm的位置粘贴100mm×1．2mm，初始应力为1000MPa的碳纤维板，可以将该桥的通行能力由汽一15提高至汽一20。
金刚头桥按照这一方案进行了粘贴预应力碳纤维板加固。
在金刚头桥的加固施工过程中，对T梁顶部、底部混凝土应变以及T梁挠度进行了测量，并将结果与加固工作完成后实施的静载试验结果进行了比较。
加固过程中的测量及静载试验结果表明：
加固过程中T梁平均上挠6．1mm；静载试验在2653．13kN的活载正弯矩作用下，T梁发生的最大变形为8mm，考虑预应力产生的6．1mm反挠度，T梁实际挠度为1．9mm；湖南大学检测中心在2004年对金刚头桥进行检测静载试验，在1670kN活载正弯矩作用下，金刚头桥最大挠度变形为3．8mm；经过预应力碳纤维板材加固后，在较大弯矩作用下，金刚头桥挠度小于加固前较小活载作用下的挠度。
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ023——85）
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