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衡邵高速公路桥梁传统加固技术与碳纤维布加固技术的比较

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公路桥梁结构一般可分为混凝土、圬工、钢结构等形式,其中以混凝土和圬工结构为最多。由于设计不周,施工缺陷,年久老化,腐蚀,意外灾害,超载等原因导致公路桥梁混凝土粉化、疏松、剥落、开裂和钢筋锈蚀,使结构物裂缝扩展、刚度降低、挠度增大,承载力削弱甚至丧失,以致结构物涉险服役,严重的便成为危桥。因此,如何延长桥梁构件的使用寿命,提高其耐久性以减少桥梁更新的投入,以及如何进行旧桥的加固问题,已成为广大桥梁工作者极为关心的问题。

  一、公路桥梁补强加固的传统方法

  公路桥梁补强加固的常用方法,主要有加大截面加固法、预应力加固法和外包钢板加固法等几种。

  1.加大截面加固法

  又名外包混凝土法,常用于公路桥梁的梁、板、柱、墩的混凝土的加固。主要是增大构件截面加配筋,用以提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性,也可以用来修补裂缝等。

  以沟头大桥为例,该桥位于兴顶公路K131+668处, 0#桥台左侧墙从上至下出现两条较宽的裂缝,原因为台背后侧填料不当和受力不均所致,改建时采用了钢筋混凝土套箍加固侧墙,防止裂缝继续发展,保证了桥台承载能力。

  2、预应力加固法

  预应力加固法主要通过在梁体外部(梁底与梁两侧)设置钢筋或钢丝束,并施加预应力,以改善桥梁的受力状况,达到提高桥梁承载能力的目的。预应力加固法加固桥梁操作简单、对原结构损伤小、不影响交通、节省投资,能显著提高结构承载力和抗裂度,有效改善结构的应力状态,适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的桥梁混凝土构件的加固,但不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。

  3、粘贴钢板加固法

  粘贴钢板加固桥梁一般是采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋或玻璃钢等抗拉强度高的材料粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面,使之与结构物形成整体,从而取得提高构件的抗弯、抗剪能力,以减少裂缝扩展的目的。该法施工快速简便、粘钢所占空间小,不减少桥梁净空,施工周期短,消耗材料少,加固部位、范围、与强度可视设计构造需要灵活设置,但缺点是适用范围有限,难于紧贴原结构表面,加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平,且不耐腐蚀,必须定期防锈。

  蔡家湾大桥位于贵州兴顶公路K132+325处,0#桥台大部分已被石土填埋,桥台前墙顶端及周边渗水严重,侵蚀面较大。表面有细小裂纹。加固时对台背填料做好隔水层处理,并对已发现裂缝做粘贴钢板加固,确保了桥台承载能力。

  传统补强方法还有一些,在此难以一一列举。面对科学技术的发展,新材料、新工艺层出不穷,桥梁的加固技术也在不断的更新、发展,碳纤维补强加固技术就是另外一种新方法。

  二、碳纤维补强加固技术

  1、碳纤维补强加固技术

  碳纤维补强加固技术是一种近几年出现的桥梁加固改造技术。碳纤维补强的基本材料是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维,单向排列成束,用环氧树脂浸渍形成为碳纤维增强复合材料片材(Carbon Fiber Reinforced Plastics或Polymer,简称CFRP)。高强度碳纤维布的抗拉强度可达3550MPa ,是钢材的10倍;弹性模量2.35×10 MPa~3.8×105 Mpa之间,与钢筋相近。

  碳纤维布加固旧桥就是利用碳纤维布的高强和可粘贴的性能,把碳纤维布用环氧树脂粘贴在被补强的混凝土结构表面,与原混凝土结构形成一体共同承受荷载,由于碳纤维布分担了荷载,就降低了钢筋的应力,而使结构得到加固补强。

  2、碳纤维布加固桥梁的主要特点

  (1)基本不增加结构自重和截面尺寸

  碳纤维布的自重仅为200~300g/m2,厚度为0.111~0.167mm,加上环氧树脂系列粘结材料的自重也很轻,对整个结构自重及桥下净空的影响微乎其微,可忽略不计。同时碳纤维布还可以多层粘贴,根据补强的要求,碳纤维布可以在一个部位重复粘贴,充分满足补强的要求,这一优点更是传统补强方式所难以比拟的。

  (2)可适用不同构件形状,成型很方便

  斜、弯、坡及异性结构的补强,采用传统的方法施工难度极大,采用碳纤维补强法,因碳纤维布的随意性很强的特点,可随结构外形变化任意施工,从而降低施工难度,减少施工成本,缩短施工工期,产生巨大的社会及经济效益。

  (3)施工简便

  碳纤维布加固的施工方法简便,工艺简单,无需大型设备、模板、夹具及支撑,操作起来简单易行,特别是施工时所需工作面小,在施工空间受限制时(如箱梁内部的加固),该优点是其他加固方法不能比拟的。

  (4)对原结构几乎不会产生新的损伤

  碳纤维布加固补强是采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴,不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等,因而不会对已损伤的结构产生新的破坏,更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。

  (5)能有效地封闭混凝土裂缝

  碳纤维布粘贴在混凝土的表面,不仅封闭了混凝土的裂缝,其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展,改变了裂缝的形态,使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝,从而提高了混凝土构件的整体刚度。

  (6)碳纤维布具有优良的耐化学腐蚀性

  碳纤维布是一种复合材料,具有良好的耐热性、耐腐蚀性、耐久性和抗疲劳性能。具有足够的适应气温变化的能力,不仅能经得起水泥碱性的侵蚀,而且在经常受盐害侵蚀等腐蚀环境下,其寿命也较长。因而碳纤维布加固法在不利环境下较其他方法更显其优异性。

  (7)不影响结构的外观

  碳纤维布的厚度很薄,粘贴固化后其表面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料,而不影响结构的外观。

  3、碳纤维补强在公路桥梁工程中的应用

  对于各种类型的公路桥梁,碳纤维布常见应用方式有:

  (1)抗弯补强

  将碳纤维布粘贴在构件受拉区部位,一般指跨中下部和连续板、连续梁、悬臂板、梁支座的上部,沿受力筋方向粘贴。抗弯补强时,可以根据受力需要贴一层至多层。还可应用高弹性模量片材,补强效果更显著。

  (2)抗剪补强

  通常是在梁靠近端部主拉应力较大的区域以及次梁或有较大集中荷载作用的部位。补强时在梁的两侧面竖向粘贴,或与梁底形成U形环包。相当于增加抗剪箍筋以分担原箍筋的剪力。

  (3)抗疲劳补强

  桥梁及桥面板,都可以粘贴碳纤维布以提高结构的疲劳抗力。桥面板上下同时粘贴效果更好。

  (4)抗压补强

  对桥墩中心受压柱的抗压补强,用碳纤维布在柱中部横向环包,在受压区产生环向束缚作用,能提高抗压能力,降低柱的压屈系数。

  (5)抗震性能补强

  在地震或台风的横向力作用下,柱端弯矩和剪力都很大,可以纵向粘贴和环包同时进行。既提高柱、墩横向抗力,又改善能量吸收性能,提高结构的延性,使结构抗侧向力能力显著提高。

  (6)封闭和防护功能

  用碳纤维布粘贴可以将结构裂缝密闭,较宽较深的裂缝还可在粘贴前用环氧树脂灌缝进行密闭,从而控制裂缝的进一步扩展,阻止水分渗入引起钢筋锈蚀,同时还具有增强抗腐蚀性能的作用。

  龙头菁大桥位于兴顶公路K127+818处,该桥在加固前行车道板由于超限运输,底板出现不同程度的裂缝,且裂缝处有水,加固时对行车道板底板采用粘贴碳纤维布补强,有效控制了裂缝的扩展。

  三、结语

  本文介绍了当前旧桥加固的几种主要方法,着重说明了碳纤维布加固旧桥技术在旧桥加固中的应用,以及相比于其他旧桥加固技术的优点。相信碳纤维布加固技术作为一种新兴的、高强高效的桥梁加固补强技术,将会以其突出的优点,在桥梁加固中得到广泛的应用和推广,并产生巨大的经济效益。

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