碳纤维材料在桥梁加固中应用的探索研究
摘要：随着公路交通的日益拥挤繁忙，出现桥梁不堪重负，老化破损现象，严重影响道路畅通，原有的公路桥梁已远远不能适应交通大发展的需求。本文针对桥梁加固、方法原理探索和材料分析，阐明碳纤维材料在桥梁加固中的广泛应用的发展前景。
1 前 言
伴着我国经济实力逐渐增强，公路交通运输日益繁忙，特别近几年来，我国的交通事业迎来了新的高峰。但随着公路客货运输量及运输车辆轴载的不断增大，许多旧有的公路桥梁已严重不适应交通大发展的需要。据资料显示，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”，严重影响道路畅通。
据估计，我国公路桥梁约1/3处于3、4类的状况。此外，属荷载标准低、桥面宽度窄、不能满足通行要求的桥梁约占总长15%。所以对现有桥梁进行技术改造，使之能适应现阶段运营状况，已成为缓解空通发展与现有公路桥梁状况矛盾的主要措施。研究表明，桥梁加固费用一般约为新建桥梁费用的10~20%，双曲拱桥加固改造费用约为新建桥梁费用的20~40%，经济和社会效益非常显著，且有工期短、施工条件便利、维持原桥貌等优势。
因此，加强对现有桥梁破损情况进行调查、分析、研究，采取相应的维修、加固措施进行加固，对我国公路运输的发展有重大意义。
2 桥梁加固
旧桥加固是指自桥梁建成后，产生桥梁的维修、改造和需求，针对已经变旧的桥梁所发生的不能满足继续使用的状况进行处理，但在旧桥加固过程中存在几个问题：
①通车的桥梁因有现实的交通需要，必须在不中断交通的情况下进行加固，所以加固时有交通干扰；
②加固一般必须在原有结构上进行，只能在此基础上做文章，所以存在结构形式限制；
③使新老结构完美结合是一个难题，包括新老结构体系的变化和过渡。
因为凡是需要加固的桥梁多半是危桥，结构均处在不利状态，所以对旧桥加固从各个角度看都是个巨大的挑战。[-page-]
碳纤维又称增强复合材料（Carbon Fiber Rein-forced Plastic，简称CFRP)，是一种纤维复合材料(FRP)。纤维复合材料是由基体材料和增强材料（如碳纤维）等两种以上组合材料在宏观上组成，由于其强度高、比刚度大、抗疲劳性、减振性、耐腐蚀性能好，逐渐受到现代建筑设施的重用。碳纤维根据原料、制造方法的不同，有PAN（奈酚）系碳纤维和沥青系碳纤维两大类。目前在工程中应用的碳纤维是由多股连续纤维与基材（树脂）胶合后经过“挤压”和“拉拔”成型后制成的连续纤维。按其出厂形状可分为片材（布材和板材）、棒材（无肋棒材、有肋棒材、集束棒材）、型材（网格形、矩形、工形、层压形、蜂窝形）和特殊构造用材料等。目前我国结构加固修复中采用的主要是片材，表1所示为市场上常用的碳纤维材料性能技术指标比较。
我国从1997年开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构的技术进行研究，主要有梁、柱、板等构件用碳纤维加固的作用效果和机理，以及节点、构造连续、耐久性、FRP应用等方面。在材料生产方面，目前国内有少量碳纤维生产，但碳纤维片材的匀质和低树脂含量等关键技术上与国外相比尚有很大差距，对材质难以保证。粘结用的树脂是根据不同部位的使用功能和使用条件来选用不同的型号和性能指标的环氧树脂，如修补树脂用于填补不平，和混凝土结合有很高的粘结强度。
3 加固方法比较[-page-]
目前国内外常用的结构加固方法有粘贴钢板加固法、增大断面加固法、体外预应力加固法及碳纤维加固法等。
3.1 粘贴钢板加固法
该法与碳纤维加固法相类似，主要采用双组环氧树脂粘结剂把钢板或其他钢制件粘结在混凝土表面，并构成一个混凝土、粘结剂及钢板三相复合物系统。让钢板部分替代钢筋的作用，从而提高结构的承载力。该法有施工简便快速、对结构整体尺寸的改变极小、对原结构破坏小等优点。因此，当钢筋混凝土构件的承载力不足或因变形、裂缝影响结构正常使用时，就可通过结构胶将钢板粘贴到钢筋混凝土构件外部恰当位置来满足其承载力和正常使用要求。然而，由于抗剪加固需要牢固的锚固措施易对混凝土结构产生破坏作用。另外，由于钢板本身的刚度较大，混凝土表面平整度对加固效果影响较大，混凝土表面严重的不平整会导致钢板与混凝土有效粘结面积减少，从而影响加固效果。
3.2 增大断面加固法
该法是在己有梁上补浇混凝土，增加构件的断面面积，以提高桥梁的承载能力，其成败关键是新老混凝土的结合问题。因此务必作好新老混凝土的结合处理，确保其结合良好。由于新浇混凝土为二次受力构件，所以结合面应力状态复杂。此外，其加固周期长而影响桥面交通，且梁底部和侧面浇筑比较困难。
3.3 体外预应力加固法
该法是借助所施加的预应力以减少构件产生的拉应力。一般采用无粘结预应力混凝土技术做加固。其优点是不但能提高结构承载力，也能明显改善构件的抗裂性能，缺点是预应力加固构件是二次受力构件，存在应力超前和应变滞后现象。原构件预应力作用产生的压缩变形对控制张拉量的计算影响较大。由于钢板本身的防腐蚀能力差，对于海洋或具有腐蚀性较强的环境不宜采用。
3.4 碳纤维加固法
由于碳纤维布是柔性材料，施工时可以依靠现场用剪刀裁剪成所需的形状和尺寸，对构件的不同外形都具有极高的适应能力，且重量轻，现场施工基本是手工操作，不需要大型设备和施工工具，在较小的空间即可进行施工，所以施工速度很快，施工工期短，粘贴质量可以得到保证。从经济角度分析，碳纤维布价格虽然相对较高，但在运输、存储、装卸、加工、维护过程中的费用相对较少，施工机具简单，从而减少了机械台班费，施工速度快，相应又缩短了工期，也节省了人工费用，碳纤维耐久性好，又减少了后期维护费用。因此，加固工程综合造价中碳纤维相对要低。[-page-]
综合施工难易程度、施工工期和施工质量等因素，采用碳纤维加固钢筋混凝士桥梁结构具有巨大的理论和实践意义。
4 碳纤维材料加固原理
碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用原理与钢筋混凝土结构的工作原理相似：
(1)钢筋与混凝土具有良好的握裹性。两者在受力后共同变形形成协调性，碳纤维需借助粘结材料与混凝土结合，两者之间的结合必须大于混凝土本身的抗剪强度。通常使用的粘结树脂为胶结剂，它涂于混凝土表面，易渗入混凝土内与之结合成类似树脂混凝土，可加强混凝土强度，并与碳纤维密切结合，有效传递剪力，而使碳纤维和混凝土结合成一体。
(2)钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度。碳纤维的强度虽然高，但其弹性模量与钢筋差不多，见表2，故碳纤维用于钢筋混凝土的加固上不会有搭配问题，因而可以用于弥补钢筋混凝土内钢筋的抗拉不足部分。
(3)钢筋与混凝土具有相近的温度线性膨胀系数。钢筋混凝土结构不会由于强度变化产生相应的温度内应力，而碳纤维材料的热膨胀系数a较混凝土和钢筋要小的多，约为1 x10-5/℃，因而当升温15℃时，在碳纤维材料中将发生拉应力δ约为32.25MPa，但对碳纤维材料而言仅为极限强度3400MPa的1％左右，故影响不大。
(4)钢筋与混凝土有良好的化学相容性。因为在混凝土中具有一定的碱性性质，故不会使钢筋发生锈蚀。由于碳纤维加工过程中已经历了2000~3000℃的考验，故可以适用恶劣的使用环境，与原结构用环氧树脂粘贴后，能可靠地与原结构物共同工作。[-page-]
由于碳纤维材料具有与钢筋混凝土相容的材料物性，且其又具有耐酸、耐碱、耐盐、耐老化、耐高温、耐低温等特性，故粘贴碳纤维材料在表面后对原结构有良好的保护作用，故可以广泛应用于桥梁加固工程。
5 展 望
碳纤维材料是一种强度高、重量轻、耐久性好的复合材料，是一种较为理想的桥梁的加固材料。针对目前运营的桥梁中存在的老化、破损、裂缝等问题，在广泛应用碳纤维材料加固桥梁技术基础上，不断尝试创新，使用新技术、新工艺和新方法使得加固过程更加快捷、经济、安全和可靠。在不断完善桥梁加固技术的过程中，为我国交通现代化进程起到巨大的促进作用，更好地倡导和谐社会进程。
1 前 言
伴着我国经济实力逐渐增强，公路交通运输日益繁忙，特别近几年来，我国的交通事业迎来了新的高峰。但随着公路客货运输量及运输车辆轴载的不断增大，许多旧有的公路桥梁已严重不适应交通大发展的需要。据资料显示，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”，严重影响道路畅通。
据估计，我国公路桥梁约1/3处于3、4类的状况。此外，属荷载标准低、桥面宽度窄、不能满足通行要求的桥梁约占总长15%。所以对现有桥梁进行技术改造，使之能适应现阶段运营状况，已成为缓解空通发展与现有公路桥梁状况矛盾的主要措施。研究表明，桥梁加固费用一般约为新建桥梁费用的10~20%，双曲拱桥加固改造费用约为新建桥梁费用的20~40%，经济和社会效益非常显著，且有工期短、施工条件便利、维持原桥貌等优势。
因此，加强对现有桥梁破损情况进行调查、分析、研究，采取相应的维修、加固措施进行加固，对我国公路运输的发展有重大意义。
2 桥梁加固
旧桥加固是指自桥梁建成后，产生桥梁的维修、改造和需求，针对已经变旧的桥梁所发生的不能满足继续使用的状况进行处理，但在旧桥加固过程中存在几个问题：
①通车的桥梁因有现实的交通需要，必须在不中断交通的情况下进行加固，所以加固时有交通干扰；
②加固一般必须在原有结构上进行，只能在此基础上做文章，所以存在结构形式限制；
③使新老结构完美结合是一个难题，包括新老结构体系的变化和过渡。
因为凡是需要加固的桥梁多半是危桥，结构均处在不利状态，所以对旧桥加固从各个角度看都是个巨大的挑战。[-page-]
碳纤维又称增强复合材料（Carbon Fiber Rein-forced Plastic，简称CFRP)，是一种纤维复合材料(FRP)。纤维复合材料是由基体材料和增强材料（如碳纤维）等两种以上组合材料在宏观上组成，由于其强度高、比刚度大、抗疲劳性、减振性、耐腐蚀性能好，逐渐受到现代建筑设施的重用。碳纤维根据原料、制造方法的不同，有PAN（奈酚）系碳纤维和沥青系碳纤维两大类。目前在工程中应用的碳纤维是由多股连续纤维与基材（树脂）胶合后经过“挤压”和“拉拔”成型后制成的连续纤维。按其出厂形状可分为片材（布材和板材）、棒材（无肋棒材、有肋棒材、集束棒材）、型材（网格形、矩形、工形、层压形、蜂窝形）和特殊构造用材料等。目前我国结构加固修复中采用的主要是片材，表1所示为市场上常用的碳纤维材料性能技术指标比较。
我国从1997年开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构的技术进行研究，主要有梁、柱、板等构件用碳纤维加固的作用效果和机理，以及节点、构造连续、耐久性、FRP应用等方面。在材料生产方面，目前国内有少量碳纤维生产，但碳纤维片材的匀质和低树脂含量等关键技术上与国外相比尚有很大差距，对材质难以保证。粘结用的树脂是根据不同部位的使用功能和使用条件来选用不同的型号和性能指标的环氧树脂，如修补树脂用于填补不平，和混凝土结合有很高的粘结强度。
3 加固方法比较[-page-]
目前国内外常用的结构加固方法有粘贴钢板加固法、增大断面加固法、体外预应力加固法及碳纤维加固法等。
3.1 粘贴钢板加固法
该法与碳纤维加固法相类似，主要采用双组环氧树脂粘结剂把钢板或其他钢制件粘结在混凝土表面，并构成一个混凝土、粘结剂及钢板三相复合物系统。让钢板部分替代钢筋的作用，从而提高结构的承载力。该法有施工简便快速、对结构整体尺寸的改变极小、对原结构破坏小等优点。因此，当钢筋混凝土构件的承载力不足或因变形、裂缝影响结构正常使用时，就可通过结构胶将钢板粘贴到钢筋混凝土构件外部恰当位置来满足其承载力和正常使用要求。然而，由于抗剪加固需要牢固的锚固措施易对混凝土结构产生破坏作用。另外，由于钢板本身的刚度较大，混凝土表面平整度对加固效果影响较大，混凝土表面严重的不平整会导致钢板与混凝土有效粘结面积减少，从而影响加固效果。
3.2 增大断面加固法
该法是在己有梁上补浇混凝土，增加构件的断面面积，以提高桥梁的承载能力，其成败关键是新老混凝土的结合问题。因此务必作好新老混凝土的结合处理，确保其结合良好。由于新浇混凝土为二次受力构件，所以结合面应力状态复杂。此外，其加固周期长而影响桥面交通，且梁底部和侧面浇筑比较困难。
3.3 体外预应力加固法
该法是借助所施加的预应力以减少构件产生的拉应力。一般采用无粘结预应力混凝土技术做加固。其优点是不但能提高结构承载力，也能明显改善构件的抗裂性能，缺点是预应力加固构件是二次受力构件，存在应力超前和应变滞后现象。原构件预应力作用产生的压缩变形对控制张拉量的计算影响较大。由于钢板本身的防腐蚀能力差，对于海洋或具有腐蚀性较强的环境不宜采用。
3.4 碳纤维加固法
由于碳纤维布是柔性材料，施工时可以依靠现场用剪刀裁剪成所需的形状和尺寸，对构件的不同外形都具有极高的适应能力，且重量轻，现场施工基本是手工操作，不需要大型设备和施工工具，在较小的空间即可进行施工，所以施工速度很快，施工工期短，粘贴质量可以得到保证。从经济角度分析，碳纤维布价格虽然相对较高，但在运输、存储、装卸、加工、维护过程中的费用相对较少，施工机具简单，从而减少了机械台班费，施工速度快，相应又缩短了工期，也节省了人工费用，碳纤维耐久性好，又减少了后期维护费用。因此，加固工程综合造价中碳纤维相对要低。[-page-]
综合施工难易程度、施工工期和施工质量等因素，采用碳纤维加固钢筋混凝士桥梁结构具有巨大的理论和实践意义。
4 碳纤维材料加固原理
碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用原理与钢筋混凝土结构的工作原理相似：
(1)钢筋与混凝土具有良好的握裹性。两者在受力后共同变形形成协调性，碳纤维需借助粘结材料与混凝土结合，两者之间的结合必须大于混凝土本身的抗剪强度。通常使用的粘结树脂为胶结剂，它涂于混凝土表面，易渗入混凝土内与之结合成类似树脂混凝土，可加强混凝土强度，并与碳纤维密切结合，有效传递剪力，而使碳纤维和混凝土结合成一体。
(2)钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度。碳纤维的强度虽然高，但其弹性模量与钢筋差不多，见表2，故碳纤维用于钢筋混凝土的加固上不会有搭配问题，因而可以用于弥补钢筋混凝土内钢筋的抗拉不足部分。
(3)钢筋与混凝土具有相近的温度线性膨胀系数。钢筋混凝土结构不会由于强度变化产生相应的温度内应力，而碳纤维材料的热膨胀系数a较混凝土和钢筋要小的多，约为1 x10-5/℃，因而当升温15℃时，在碳纤维材料中将发生拉应力δ约为32.25MPa，但对碳纤维材料而言仅为极限强度3400MPa的1％左右，故影响不大。
(4)钢筋与混凝土有良好的化学相容性。因为在混凝土中具有一定的碱性性质，故不会使钢筋发生锈蚀。由于碳纤维加工过程中已经历了2000~3000℃的考验，故可以适用恶劣的使用环境，与原结构用环氧树脂粘贴后，能可靠地与原结构物共同工作。[-page-]
由于碳纤维材料具有与钢筋混凝土相容的材料物性，且其又具有耐酸、耐碱、耐盐、耐老化、耐高温、耐低温等特性，故粘贴碳纤维材料在表面后对原结构有良好的保护作用，故可以广泛应用于桥梁加固工程。
5 展 望
碳纤维材料是一种强度高、重量轻、耐久性好的复合材料，是一种较为理想的桥梁的加固材料。针对目前运营的桥梁中存在的老化、破损、裂缝等问题，在广泛应用碳纤维材料加固桥梁技术基础上，不断尝试创新，使用新技术、新工艺和新方法使得加固过程更加快捷、经济、安全和可靠。在不断完善桥梁加固技术的过程中，为我国交通现代化进程起到巨大的促进作用，更好地倡导和谐社会进程。
