一、概述
碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過對梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對比試驗，力學(xué)性能顯著得到提高，據(jù)試驗研究統(tǒng)計粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5～8%.此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比，具有自重小、施工簡便、施工周期短和耐久性好等特點(diǎn)。
美國、日本等國于二十世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行實驗研究，目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，僅日本1997年用于加固修復(fù)的碳纖維布使用量就達(dá)70萬m2.我國近兩年來，科研單位和院校在這方面的研究和應(yīng)用做了大量工作，生產(chǎn)出一系列的碳纖維復(fù)合材料，使工程降低了費(fèi)用，同時也取得了較成熟的設(shè)計方法和施工經(jīng)驗，為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。
二、立交橋改建工程設(shè)計簡介
健翔立交橋位于北京的北四環(huán)路與八達(dá)嶺高速路相交處，于1998年建成。橋梁上部結(jié)構(gòu)為6跨、L＝18m預(yù)應(yīng)力砼簡支梁。中央設(shè)隔離帶，兩側(cè)為雙向機(jī)動車道，兩外側(cè)為非機(jī)動車道，全寬55m.隨著城市交通量的增長，立交橋現(xiàn)有的寬度已不能滿足交通量的需要，為確保四環(huán)路成為城市快速路，需將現(xiàn)況橋梁向南、北兩側(cè)拓寬至72m，將現(xiàn)兩外側(cè)的非機(jī)動車橋改建為輔路橋，并新建非機(jī)動車橋。現(xiàn)況橋上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁，對應(yīng)機(jī)動車道部分的荷載均按汽車—超20級、掛車—120設(shè)計，而對應(yīng)非機(jī)動車道的上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁荷載均按汽車—15級、掛車—80進(jìn)行設(shè)計，并且改建為輔路橋后要求荷載均為汽車—超20級、掛車—120.現(xiàn)非機(jī)動車橋的主梁拆除更換，但各中墩蓋梁的機(jī)動車和非機(jī)動車中間未斷開，為三跨一聯(lián)的變截面普通鋼筋砼連續(xù)結(jié)構(gòu)。
經(jīng)反復(fù)核算比較，為盡量減小蓋梁正負(fù)彎矩區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)加固工作量，一方面采用了減輕橋梁自重措施，將砼橋面改為輕質(zhì)（容重為19KN/m3）砼橋面，另一方面加寬中墩蓋梁下墩柱寬度，蓋梁的正負(fù)彎矩及剪力均相應(yīng)減小，這樣對應(yīng)機(jī)動車部分蓋梁的現(xiàn)鋼筋配置可滿足設(shè)計要求，而對應(yīng)輔路（現(xiàn)非機(jī)動車橋）部分蓋梁按現(xiàn)配筋其應(yīng)力與設(shè)計要求相差10～15%.為節(jié)省工程投資，且根據(jù)現(xiàn)四環(huán)路交通不允許中斷的情況，經(jīng)有關(guān)部門批準(zhǔn)，確定將全橋的5排中墩蓋梁的20個正負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理，全橋蓋梁加固面積395m2，其具體加固位置見圖。
三、加固方案和材料的選定
1加固方案的選定
各中墩蓋梁原設(shè)計為隱形蓋梁給加固工作帶來較大的困難，最早提出采用噴射鋼纖維砼和外包鋼板的加固方案，因主梁梁端在跨間處距蓋梁外側(cè)面僅5cm，經(jīng)計算比較與施工空間的限制上述兩方案可行性較小，最后確定選用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋的10倍以上，而彈性模量也與鋼筋相近，較適合于鋼筋砼結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固工程。另外施工簡便，適用于要求施工周期短的加固工程。
2材料的選定
近二、三年來，我國引進(jìn)了美國、日本生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費(fèi)用高影響推廣應(yīng)用。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)，為該工程材料的選用奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)比較采用北京鐵華大眾科技發(fā)展有限公司的碳纖維布和配套樹脂，其中碳纖維布采用的是國外進(jìn)口優(yōu)質(zhì)絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，費(fèi)用較低。產(chǎn)品通過質(zhì)檢部門的嚴(yán)格檢驗，各項性能指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。下面是碳纖維單向布和配套樹脂的規(guī)格及與日本同類產(chǎn)品（日鐵系列指標(biāo)）性能對比結(jié)果（見表1～5）。
碳纖維單向布性能對比表 2
碳纖維單向布的規(guī)格表 1
CFC 日鐵FTS 測試方法
牌號 單位面積碳纖維布的質(zhì)量g/m2 拉伸強(qiáng)度 MPa 3730
3930
4050 3400 非標(biāo)
CFC20 200±10 拉伸模量 GPa 235 230 非標(biāo)
CFC25 250±10 抗剪強(qiáng)度 MPa 114 非標(biāo)
CFC—30 300±10 粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 256 JIS K5400
注：用于加固補(bǔ)強(qiáng)
表面處理樹脂性能對比表 3
SE 日鐵FP—NS 方法
粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 2.2 2.9 JIS K5400
注：用于被加固砼結(jié)構(gòu)的表面處理
修平樹脂性能對比表 4
浸漬樹脂性能對比表 5
IE 日鐵FE-E3P 方法
RE 日鐵FE—2 方法 拉伸強(qiáng)度 MPa 57.5 29 JIS K7113
壓縮強(qiáng)度 MPa 76 34 JIS K7208 拉伸模量 GPa 93.1 39 JIS K7203
抗剪強(qiáng)度 MPa 14.3 9.8 JIS K6850 抗剪強(qiáng)度 MPa 85.1 JIS K7208
粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 2.1 2 JIS K5400 粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 15.5 9.8 JIS K6850
注：用于砼結(jié)構(gòu)表面修平 注：用于碳纖維布的粘貼、浸漬，使其與砼結(jié)合成為一個牢固整體
通過采用上述碳纖維復(fù)合材料對鋼筋梁、板和柱等構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固前、后不同類型的力學(xué)性能試驗研究，以及對施工環(huán)境條件、施工工藝的防護(hù)層的探討和研究，并經(jīng)過反復(fù)的實驗與檢驗證實產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)良，并在航天、航空和軍事方面得到應(yīng)用，現(xiàn)以批量生產(chǎn)。
碳纖維單向布具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用專用的樹脂和碳纖維布，按設(shè)計要求粘貼于砼表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)物加固補(bǔ)強(qiáng)效果。通過對梁、板、柱等進(jìn)行加固前后大量對比試驗，力學(xué)性能顯著得到提高，據(jù)試驗研究統(tǒng)計粘貼一層碳纖維單向布的梁板，其抗彎性能可提高5～8%.此技術(shù)與其他粘鋼、噴射砼等加固技術(shù)相比，具有自重小、施工簡便、施工周期短和耐久性好等特點(diǎn)。
美國、日本等國于二十世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行實驗研究，目前已經(jīng)大量使用此技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，僅日本1997年用于加固修復(fù)的碳纖維布使用量就達(dá)70萬m2.我國近兩年來，科研單位和院校在這方面的研究和應(yīng)用做了大量工作，生產(chǎn)出一系列的碳纖維復(fù)合材料，使工程降低了費(fèi)用，同時也取得了較成熟的設(shè)計方法和施工經(jīng)驗，為廣泛推廣該技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。
二、立交橋改建工程設(shè)計簡介
健翔立交橋位于北京的北四環(huán)路與八達(dá)嶺高速路相交處，于1998年建成。橋梁上部結(jié)構(gòu)為6跨、L＝18m預(yù)應(yīng)力砼簡支梁。中央設(shè)隔離帶，兩側(cè)為雙向機(jī)動車道，兩外側(cè)為非機(jī)動車道，全寬55m.隨著城市交通量的增長，立交橋現(xiàn)有的寬度已不能滿足交通量的需要，為確保四環(huán)路成為城市快速路，需將現(xiàn)況橋梁向南、北兩側(cè)拓寬至72m，將現(xiàn)兩外側(cè)的非機(jī)動車橋改建為輔路橋，并新建非機(jī)動車橋。現(xiàn)況橋上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁，對應(yīng)機(jī)動車道部分的荷載均按汽車—超20級、掛車—120設(shè)計，而對應(yīng)非機(jī)動車道的上部結(jié)構(gòu)主梁和中墩蓋梁荷載均按汽車—15級、掛車—80進(jìn)行設(shè)計，并且改建為輔路橋后要求荷載均為汽車—超20級、掛車—120.現(xiàn)非機(jī)動車橋的主梁拆除更換，但各中墩蓋梁的機(jī)動車和非機(jī)動車中間未斷開，為三跨一聯(lián)的變截面普通鋼筋砼連續(xù)結(jié)構(gòu)。
經(jīng)反復(fù)核算比較，為盡量減小蓋梁正負(fù)彎矩區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)加固工作量，一方面采用了減輕橋梁自重措施，將砼橋面改為輕質(zhì)（容重為19KN/m3）砼橋面，另一方面加寬中墩蓋梁下墩柱寬度，蓋梁的正負(fù)彎矩及剪力均相應(yīng)減小，這樣對應(yīng)機(jī)動車部分蓋梁的現(xiàn)鋼筋配置可滿足設(shè)計要求，而對應(yīng)輔路（現(xiàn)非機(jī)動車橋）部分蓋梁按現(xiàn)配筋其應(yīng)力與設(shè)計要求相差10～15%.為節(jié)省工程投資，且根據(jù)現(xiàn)四環(huán)路交通不允許中斷的情況，經(jīng)有關(guān)部門批準(zhǔn)，確定將全橋的5排中墩蓋梁的20個正負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理，全橋蓋梁加固面積395m2，其具體加固位置見圖。
三、加固方案和材料的選定
1加固方案的選定
各中墩蓋梁原設(shè)計為隱形蓋梁給加固工作帶來較大的困難，最早提出采用噴射鋼纖維砼和外包鋼板的加固方案，因主梁梁端在跨間處距蓋梁外側(cè)面僅5cm，經(jīng)計算比較與施工空間的限制上述兩方案可行性較小，最后確定選用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋的10倍以上，而彈性模量也與鋼筋相近，較適合于鋼筋砼結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固工程。另外施工簡便，適用于要求施工周期短的加固工程。
2材料的選定
近二、三年來，我國引進(jìn)了美國、日本生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)行了一些工程的加固，并取得了較好效益，但費(fèi)用高影響推廣應(yīng)用。近期由于國產(chǎn)化系列的碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)，為該工程材料的選用奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)比較采用北京鐵華大眾科技發(fā)展有限公司的碳纖維布和配套樹脂，其中碳纖維布采用的是國外進(jìn)口優(yōu)質(zhì)絲，質(zhì)量可靠穩(wěn)定，費(fèi)用較低。產(chǎn)品通過質(zhì)檢部門的嚴(yán)格檢驗，各項性能指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。下面是碳纖維單向布和配套樹脂的規(guī)格及與日本同類產(chǎn)品（日鐵系列指標(biāo)）性能對比結(jié)果（見表1～5）。
碳纖維單向布性能對比表 2
碳纖維單向布的規(guī)格表 1
CFC 日鐵FTS 測試方法
牌號 單位面積碳纖維布的質(zhì)量g/m2 拉伸強(qiáng)度 MPa 3730
3930
4050 3400 非標(biāo)
CFC20 200±10 拉伸模量 GPa 235 230 非標(biāo)
CFC25 250±10 抗剪強(qiáng)度 MPa 114 非標(biāo)
CFC—30 300±10 粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 256 JIS K5400
注：用于加固補(bǔ)強(qiáng)
表面處理樹脂性能對比表 3
SE 日鐵FP—NS 方法
粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 2.2 2.9 JIS K5400
注：用于被加固砼結(jié)構(gòu)的表面處理
修平樹脂性能對比表 4
浸漬樹脂性能對比表 5
IE 日鐵FE-E3P 方法
RE 日鐵FE—2 方法 拉伸強(qiáng)度 MPa 57.5 29 JIS K7113
壓縮強(qiáng)度 MPa 76 34 JIS K7208 拉伸模量 GPa 93.1 39 JIS K7203
抗剪強(qiáng)度 MPa 14.3 9.8 JIS K6850 抗剪強(qiáng)度 MPa 85.1 JIS K7208
粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 2.1 2 JIS K5400 粘結(jié)強(qiáng)度 MPa 15.5 9.8 JIS K6850
注：用于砼結(jié)構(gòu)表面修平 注：用于碳纖維布的粘貼、浸漬，使其與砼結(jié)合成為一個牢固整體
通過采用上述碳纖維復(fù)合材料對鋼筋梁、板和柱等構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固前、后不同類型的力學(xué)性能試驗研究，以及對施工環(huán)境條件、施工工藝的防護(hù)層的探討和研究，并經(jīng)過反復(fù)的實驗與檢驗證實產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)良，并在航天、航空和軍事方面得到應(yīng)用，現(xiàn)以批量生產(chǎn)。