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[摘要]本文论述了碳纤维片材加固混凝土梁的正截面抗弯设计计算方法，并以北团大桥加固工程实例介绍了碳纤维片材在桥梁加固中的应用。
[关键词]桥梁加固；碳纤维片材；设计计算；施工工艺
1. 前言
近年来随着国家大规模的基础建设，大量新型的、大型的桥梁“面世”。与此同时，许多干线公路桥梁长期处于超负荷状态,致使部分技术状况较差的桥梁不堪重负,发生老化、破损、裂缝等现象,成为濒临坍塌的“危桥”，严重影响着道路畅通，急需加固。于是桥梁加固技术越来越受关注。而粘贴碳纤维布法加固桥梁是一项新的、重要的桥梁加固技术。
碳纤维又称增强复合材料(Carbon Fiber Rein-forced Plastic,简CFRP),是一种纤维复合材料(FRP)。由于其具有强度高、比刚度大、抗疲劳性、减振性、耐腐蚀性能强等优点，逐渐在结构加固中得到广泛应用。碳纤维布的自重仅为200～300g/m2 ，而其抗拉强度可达3550MPa，是普通钢材的十倍以上。另外其设计厚度为0.111～0.167mm，抗拉弹性模量为2.35×105MPa。可根据设计要求在同一部位多层粘贴，却几乎不增加结构自重，不影响桥下净空。而由于碳纤维布为柔软片材，具有极强的随型性，适用于弯、坡、斜及异形结构的补强，施工简单、自由度大、工期短。对于配筋率较低或钢筋锈蚀严重的旧桥，加固效果尤为显著。从受力分析，碳纤维布(CFRP)片材可用于结构的抗弯、抗剪、抗压(偏心受压)及抗震等多种形式的加固。以下主要论述加固工程中常见的梁体正界面抗弯加固设计。
2. 正截面抗弯设计计算
抗弯加固通常是在构件受拉面粘贴CFRP片材，当条件不允许时也可以在构件的侧面粘贴。粘贴时，纤维方向应与加固部位的受拉方向一致。通常在CFRP片材端部设置锚固措施，如U形CFRP压条等。
抗弯加固设计必需注意：混凝土桥梁结构自重大，加固时不能完全卸载，必须考虑二次受力；承载力极限状态的验算中要考虑到可能发生的各种破坏形态；必需验算正常使用极限状态的应力、应变和裂缝验算。
3. 工程实例
3.1工程概况。
北团大桥位于福建省龙岩市连城县境内的S204线上，建于1970年。该桥全长106.42m，上部结构为现浇普通钢筋砼T型梁桥，共5跨，每跨有5片19.5m的T梁组成。桥面净空为净6+2×0.25米，设计荷载汽-13，拖-60。
该桥由于设计荷载等级较低，且经过近30年运营，承载力已有明显下降已无法承担日益增大的交通荷载。检查发现该桥下部结构完好，但在长期冲击荷载的作用下，T梁钢板支座支座附近的混凝土产生开裂破碎现象，甚至使得桥面下沉;各梁梁肋发现多条竖向裂缝, 裂缝甚至穿透梁体，为确保公路交通安全，防止桥塌车损事故的发生，必需对该桥上部结构进行加固。
3.2加固设计方案。
首先在T梁底部粘贴与梁等长的日本“东丽”高强碳纤维布，支座附近碳纤维布在梁顶升后卡入支座钢箍内；对T梁宽度大于0.2mm裂缝采用国产AB树脂注浆材料进行灌缝注浆(≤0.2mm裂缝表面封闭)；然后解除T梁两端约束，顶升T梁，并用环氧砂浆修补梁体底座、安装梁端钢箍和化学注浆；清理墩帽支座，并用环氧砂浆找平，若同一墩帽支座标高差超过5mm采用垫石找平，然后更换250mm×250mm×42mm矩形板式橡胶支座；千斤顶同步下降至全部支座接触受压时锁住，等待化学注浆和环氧砂浆达到设计强度70％后(24小时)拆除。
3.3加固计算。
3.4粘贴碳纤维布加固
3.4.1施工工艺
(1)混凝土表面清洗，破损部位修复：首先清除被加固构件表面的剥落、疏松、碳化等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料(环氧胶泥)将表面修复平整；对裂缝采用压灌国产改性环氧树脂溶液来对裂缝进行修复；将被粘贴混凝土表面用打磨机打磨平整，除去表层浮浆、油渍等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm；最后将混凝土表面清理干净并保持干燥。
(2)表面处理及磨平：在混凝土表面清洗完后，如有不平处就进行找平处理。找平材料(环氧胶泥，也可用M20水泥砂浆)干燥后还要再次进行打磨工作。因此，这个步骤相当关键，并不是上步的重复。可使碳纤维布不会受折时而降低抗拉强度。
(3)涂刷底胶：底胶是为了使碳布和梁体能更好的粘结而刷的。等底胶指触干燥后还要刷结构胶，或称浸渍胶粘剂。涂刷底胶时要均匀涂抹，不得漏刷、流淌或有气泡产生。
(4)粘贴碳纤维布(这一步是关键，直接影响加固质量)：按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布；按生产厂家提供的工艺条件配制结构胶粘剂，并均匀涂抹于待粘贴部位；将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使胶液充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布；多层粘贴时重复上述步骤，并应在纤维表面的结构胶粘剂指触干燥时立即进行下一层粘贴；在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹结构胶粘剂。
3.4.2施工注意事项：施工前，确认CFRP片材及配套胶粘剂类粘贴的产品合格证、产品质量出厂检验报告，各项性能指标应符合要求；CFRP片材为导电材料，施工CFRP片材时应远离电气设备及电源，或采取可靠的防护措施；施工过程中应避免CFRP片材的弯折；CFRP片材配套胶粘剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射；胶粘剂的配制和使用场所应保持通风良好；)由于碳纤维布对光比较敏感， CFRP片材储存时应避光；在粘贴完成后还要涂刷一层避光材料以起保护作用；CFRP片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10mm。
大桥于2004年开始加固，并于当年竣工。竣工后运营至今，经多次检查发现桥梁承载力达到加固设计要求，运营状况良好。
4. 结语
粘贴CFRP片材以加固混凝土结构是相对较新的技术。采用粘贴CFRP片材加固混凝土桥梁，对于配筋较低或钢筋锈蚀严重的梁、板进行抗弯和抗剪加固，可以取得很好的效果。本文论述了采用碳纤维片材加固混凝土梁的正截面抗弯设计计算方法，并以北团大桥加固工程实例介绍了碳纤维片材在桥梁加固中的成功应用，可为类似的桥梁加固工程提供有益的借鉴。
参考文献
［1］碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 CECS 146-2003．北京：中国计划出版社，2003
［2］张劲泉、魏洪昌、徐岳、张建仁、叶见曙等．公路旧桥加固成套技术及工程实例．北京：人民交通出版社
［3］混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)．北京：中国建筑工业出版社，2006
［4］混凝土结构设计原理(第四版)，北京：中国建筑工业出版社，2008
［文章编号］1006-7619(2009)03-10-112
注：“本文中所涉及到的图表、公式、内容等内容请以pdf格式阅读原文。”
[关键词]桥梁加固；碳纤维片材；设计计算；施工工艺
1. 前言
近年来随着国家大规模的基础建设，大量新型的、大型的桥梁“面世”。与此同时，许多干线公路桥梁长期处于超负荷状态,致使部分技术状况较差的桥梁不堪重负,发生老化、破损、裂缝等现象,成为濒临坍塌的“危桥”，严重影响着道路畅通，急需加固。于是桥梁加固技术越来越受关注。而粘贴碳纤维布法加固桥梁是一项新的、重要的桥梁加固技术。
碳纤维又称增强复合材料(Carbon Fiber Rein-forced Plastic,简CFRP),是一种纤维复合材料(FRP)。由于其具有强度高、比刚度大、抗疲劳性、减振性、耐腐蚀性能强等优点，逐渐在结构加固中得到广泛应用。碳纤维布的自重仅为200～300g/m2 ，而其抗拉强度可达3550MPa，是普通钢材的十倍以上。另外其设计厚度为0.111～0.167mm，抗拉弹性模量为2.35×105MPa。可根据设计要求在同一部位多层粘贴，却几乎不增加结构自重，不影响桥下净空。而由于碳纤维布为柔软片材，具有极强的随型性，适用于弯、坡、斜及异形结构的补强，施工简单、自由度大、工期短。对于配筋率较低或钢筋锈蚀严重的旧桥，加固效果尤为显著。从受力分析，碳纤维布(CFRP)片材可用于结构的抗弯、抗剪、抗压(偏心受压)及抗震等多种形式的加固。以下主要论述加固工程中常见的梁体正界面抗弯加固设计。
2. 正截面抗弯设计计算
抗弯加固通常是在构件受拉面粘贴CFRP片材，当条件不允许时也可以在构件的侧面粘贴。粘贴时，纤维方向应与加固部位的受拉方向一致。通常在CFRP片材端部设置锚固措施，如U形CFRP压条等。
抗弯加固设计必需注意：混凝土桥梁结构自重大，加固时不能完全卸载，必须考虑二次受力；承载力极限状态的验算中要考虑到可能发生的各种破坏形态；必需验算正常使用极限状态的应力、应变和裂缝验算。
3. 工程实例
3.1工程概况。
北团大桥位于福建省龙岩市连城县境内的S204线上，建于1970年。该桥全长106.42m，上部结构为现浇普通钢筋砼T型梁桥，共5跨，每跨有5片19.5m的T梁组成。桥面净空为净6+2×0.25米，设计荷载汽-13，拖-60。
该桥由于设计荷载等级较低，且经过近30年运营，承载力已有明显下降已无法承担日益增大的交通荷载。检查发现该桥下部结构完好，但在长期冲击荷载的作用下，T梁钢板支座支座附近的混凝土产生开裂破碎现象，甚至使得桥面下沉;各梁梁肋发现多条竖向裂缝, 裂缝甚至穿透梁体，为确保公路交通安全，防止桥塌车损事故的发生，必需对该桥上部结构进行加固。
3.2加固设计方案。
首先在T梁底部粘贴与梁等长的日本“东丽”高强碳纤维布，支座附近碳纤维布在梁顶升后卡入支座钢箍内；对T梁宽度大于0.2mm裂缝采用国产AB树脂注浆材料进行灌缝注浆(≤0.2mm裂缝表面封闭)；然后解除T梁两端约束，顶升T梁，并用环氧砂浆修补梁体底座、安装梁端钢箍和化学注浆；清理墩帽支座，并用环氧砂浆找平，若同一墩帽支座标高差超过5mm采用垫石找平，然后更换250mm×250mm×42mm矩形板式橡胶支座；千斤顶同步下降至全部支座接触受压时锁住，等待化学注浆和环氧砂浆达到设计强度70％后(24小时)拆除。
3.3加固计算。
3.4粘贴碳纤维布加固
3.4.1施工工艺
(1)混凝土表面清洗，破损部位修复：首先清除被加固构件表面的剥落、疏松、碳化等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料(环氧胶泥)将表面修复平整；对裂缝采用压灌国产改性环氧树脂溶液来对裂缝进行修复；将被粘贴混凝土表面用打磨机打磨平整，除去表层浮浆、油渍等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm；最后将混凝土表面清理干净并保持干燥。
(2)表面处理及磨平：在混凝土表面清洗完后，如有不平处就进行找平处理。找平材料(环氧胶泥，也可用M20水泥砂浆)干燥后还要再次进行打磨工作。因此，这个步骤相当关键，并不是上步的重复。可使碳纤维布不会受折时而降低抗拉强度。
(3)涂刷底胶：底胶是为了使碳布和梁体能更好的粘结而刷的。等底胶指触干燥后还要刷结构胶，或称浸渍胶粘剂。涂刷底胶时要均匀涂抹，不得漏刷、流淌或有气泡产生。
(4)粘贴碳纤维布(这一步是关键，直接影响加固质量)：按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布；按生产厂家提供的工艺条件配制结构胶粘剂，并均匀涂抹于待粘贴部位；将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使胶液充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布；多层粘贴时重复上述步骤，并应在纤维表面的结构胶粘剂指触干燥时立即进行下一层粘贴；在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹结构胶粘剂。
3.4.2施工注意事项：施工前，确认CFRP片材及配套胶粘剂类粘贴的产品合格证、产品质量出厂检验报告，各项性能指标应符合要求；CFRP片材为导电材料，施工CFRP片材时应远离电气设备及电源，或采取可靠的防护措施；施工过程中应避免CFRP片材的弯折；CFRP片材配套胶粘剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射；胶粘剂的配制和使用场所应保持通风良好；)由于碳纤维布对光比较敏感， CFRP片材储存时应避光；在粘贴完成后还要涂刷一层避光材料以起保护作用；CFRP片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10mm。
大桥于2004年开始加固，并于当年竣工。竣工后运营至今，经多次检查发现桥梁承载力达到加固设计要求，运营状况良好。
4. 结语
粘贴CFRP片材以加固混凝土结构是相对较新的技术。采用粘贴CFRP片材加固混凝土桥梁，对于配筋较低或钢筋锈蚀严重的梁、板进行抗弯和抗剪加固，可以取得很好的效果。本文论述了采用碳纤维片材加固混凝土梁的正截面抗弯设计计算方法，并以北团大桥加固工程实例介绍了碳纤维片材在桥梁加固中的成功应用，可为类似的桥梁加固工程提供有益的借鉴。
参考文献
［1］碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 CECS 146-2003．北京：中国计划出版社，2003
［2］张劲泉、魏洪昌、徐岳、张建仁、叶见曙等．公路旧桥加固成套技术及工程实例．北京：人民交通出版社
［3］混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)．北京：中国建筑工业出版社，2006
［4］混凝土结构设计原理(第四版)，北京：中国建筑工业出版社，2008
［文章编号］1006-7619(2009)03-10-112
注：“本文中所涉及到的图表、公式、内容等内容请以pdf格式阅读原文。”