碳纤维板材加固技术在桥梁工程中的应用概述

摘 要：本文介绍了碳纤维板材的力学特性及加固机理，概述了碳纤维板材加固技术的应用及研究现状，并总结了该技术的研究方向，希望对其在桥梁加固工程中的广泛应用有所裨益。

关键词：碳纤维板材；桥梁加固；力学特性

中图分类号：U445文献标识码： A

1. 前言

随着我国经济实力的不断增强以及人民生活水平的不断提高，现有的交通基础设施已经难以满足巨大的人口基数以及日益繁荣的社会生产经济活动的需求。国家在交通基础设施建设上投入了巨大的资源，大量的公路、桥梁、铁路、城市轨道交通等正以前所未有的速度进行建设，城市化与交通网络化进程的发展速度正在不断加快。

而越来越多的桥梁得到建设的同时，大量建于较早时期的旧桥其养护维修加固的工作正日益繁重。环境的侵蚀、材料的日益老化、车辆荷载的提高以及超限车辆的普遍存在均造成许多旧桥无法满足安全运营的需要。为了合理的分配有限的公路建设资金，节省国家交通建设资源，挖掘在役旧桥的承载潜力，研究开发新型的桥梁加固技术及材料，并在病危旧桥的加固工程中合理的加以应用，恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交通运输的需要，是切合我国当前国情的必然选择。

2. 纤维板材介绍

高性能纤维增强复合材料(FRP) 加固修复混凝土结构是20世纪80年代末在美、日等发达国家兴起的一项新技术，随着不同FRP产品的出现和发展，FRP板材以其高强、高弹性模量、轻质、高耐久性等优异的力学性能，越来越受到结构工程界的广泛关注。

FRP板材是由增强材料和基体构成，目前结构工程中常用的FRP板材主要是树脂基体的碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）、无碱或耐碱玻璃纤维（GFRP）以及玄武岩纤维( BFRP)。各种纤维材料力学性能参数变化范围很大，因此在工程中有很大的灵活性和可设计性。

⑴ 碳纤维(CF)

碳纤维存在某些固有的缺陷，如抗冲击强度和抗剪切强度低，导电，会产生电磁干扰等，应用范围受到一定限制。但因其具有高强度、高模量、施工简便等优异的力学性能，是FRP的首选材料， 已被广泛应用于建筑结构加固中。中国碳纤维的年消耗量为4200t，约占世界总产量的25%，其中增长速度最快、最有发展潜力的就是碳纤维增强复合材料( CFRP)。

⑵ 对位芳纶(AF)

对位芳纶具有高强度、高模量、低延伸、电绝缘、抗震性好、柔软、施工简便等优良性能，在许多方面与CF 具有互补性， 是一种重要的FRP 用材。AF可以单独使用，也可与CF、GF 等混用。国外AFRP 的用途相当广泛， 日本有关厂商和大型建筑公司还专门成立了一个“芳纶补强研究会”。但是， 中国AFRP在结构加固方面的应用尚处于起步阶级，研究较少。

⑶ 玻璃纤维(GF)

可用作FRP的玻璃纤维包括无碱GF和耐碱GF。GF的抗拉强度为3000MPa，延伸率较低，价格便宜，但弹性模量仅60GPa，耐碱性差，易受盐腐蚀，施工操作性较差，因此，应用范围受到较大限制，通常用于对补强要求相对较低的场合。

⑷ 玄武岩纤维(BF)

玄武岩纤维是一种以玄武岩为原料，经高温熔融拉丝而制得的新型矿物纤维。BF的强度和模量较高，且与混凝土有天然的相容性，其价格界于AF和GF之间。但因其原料取自天然的玄武岩，产品性能分散性较大，目前尚处于试验阶段。

3. 碳纤维板材力学特性及加固机理

（1）碳纤维板材力学特性

CFRP板材具有高强度和高弹模的特点。主要有两种类型的碳纤维材料被应用于混凝土结构加固，一种是高强度型，另一种是高弹模型。高强度型碳纤维的抗拉强度比钢筋高10倍，弹性硬度几乎与钢筋相当。高弹模型碳纤维抗拉强度比钢筋大6~8倍，而弹性模量比钢筋大1.8~2.6倍。

高强度碳纤维板材的抗拉强度达到3400Mpa～4000Mpa，弹性模量有2.35×105Mpa~3.8×105Mpa等几种，与钢筋相近或略高，因此，有很好的与钢筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各异的环氧树脂材料，可以使界面树脂渗入混凝土中，片材紧随构件外形粘贴，粘贴用的树脂又具有较高粘结强度，能有效传递碳纤维片与混凝土两种材料间的应力，保证不产生界面的粘结剥离。

（2）碳纤维板材加固机理

采用碳纤维板材粘贴加固，一般是粘贴在梁底受拉区，以提高截面的抗弯承载力，这时碳纤维板的作用类似于梁底受拉钢筋。碳纤维板和混凝土梁通过粘结层传递剪应力(锚固剪应力)和粘结正应力(剥离正应力)，以达到共同工作的目的。然而，在碳纤维板端部处往往产生较大的锚固剪应力和剥离正应力，因此，其常见的破坏模式主要有三种：

① 受压区混凝土被压坏相当于混凝土适筋梁破坏梁体所具有的良好延性：

② 混凝土粘结面剪切破坏，即在碳纤维板端部应力作用下由于粘结层的剥离强度较低导致碳纤维板剥落；

③ 混凝土保护层剥落破坏，这是由于端部混凝土保护层被拉裂产生竖向裂缝，当裂缝延伸到纵向钢筋后，又沿钢筋产生水平向的剥离裂缝，使碳纤维板连同保护层发生剥离破坏。

4. 碳纤维板材加固技术的应用现状

粘贴碳纤维板材加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究是近十年来最为普遍的，国外在该领域的研究起步较早，相应的研究成果较多，其中早期的研究成果主要以完整梁的抗弯加固受力性能为主。研究手段大都采用加固钢筋混凝土小梁室内试验，通过与参考梁的对比，分析粘贴碳纤维板对加固钢筋混凝土试验梁抗弯强度、跨中挠度、受拉钢筋应变、裂缝宽度与形态以及破坏模式的影响，从而对粘贴加固效果做出合理的评价。

国内现有的研究成果大都采用了上述研究方法。在已有的研究方法中，碳纤维板材主要粘贴于加固梁的受拉面，也有少数学者针对我国相关技术规程对侧面粘贴的抗弯加固效果进行了试验验证。根据已有研究的加载方案，国内外学者对一次受力问题研究的较多，对二次受力问题(持载加固问题)研究较少。通过对基于完整梁以及二次受力(保持荷载情况)抗弯加固受力性能的试验研究，目前已经就下述结论达成了共识：

1．在梁的受拉区粘贴碳纤维板可显著提高梁的承载能力；在不达到“超筋"限制并确保粘结锚固可靠的前提下，提高幅度与板材厚度及配筋率有关；

2．粘贴碳纤维板可提高加固梁在加载后期的抗弯刚度，但对弹性受力阶段的刚度改善效果不明显；

3．粘贴碳纤维板材可有效抑制加载后期的裂缝，但对提高开裂弯矩以及改善早期开裂的效果并不显著；

4．在加载小于60~70％极限荷载的情况下，加固梁的复合截面仍能很好地满足平截面假定。开裂后，碳纤维板与混凝土复合截面一般不再满足严格意义上的平截面假定；

5．达到极限状态时，碳纤维板的实测拉应变仍远小于碳纤维板材的极限拉应变，即粘贴于加固梁上的碳纤维板存在一个综合强度的问题；

6．在没有可靠锚固措施的情况下，多数加固梁发生了碳纤维板的剥离，加固梁的破坏模式具有明显的脆性特征，发生剥离破坏加固梁的极限承载能力甚至低于未加固的参考梁；

7．附加的端部锚固及局部加强措施(如碳纤维布U型箍条或压条)可有效防止碳纤维板的剥离，明显提高破坏时的跨中挠度和截面曲率，确保加固梁发生延性破坏。

5. 展望

已有的研究成果解决了粘贴碳纤维板加固钢筋混凝土梁的基本受力性能，为这一技术的深入研究及推广应用奠定了一定的基础。然而，由于只是针对完整梁或少数持载加固梁所进行的研究，无法解释某些公路桥梁粘贴碳纤维板加固前后受力性能的变化规律。这就需要针对实际公路桥梁的破损特点，关于加固破损梁的受力性能进行更深入的研究，从而为碳纤维板加固技术在桥梁工程中的广泛应用奠定理论基础。

参考文献：

[1] 叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展. 土木工程学报. 2006，39(3)：24-33；

[2] 张红霞，魏大祥. 碳纤维加固技术在桥梁结构施工中的应用. 生产一线. 2007. 24；

[3] 徐芸等．碳纤维板加固梁一次受力和二次受力的试验研究．第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会论文集．昆明．2002．7 P：329-332。