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桥梁碳纤维加固技术研究 摘要 我国公路和铁路交通量近年来流不断的增加、车速不断提高、车辆轮载增 大，于是对沿线的桥梁在强度、刚度、耐久性等诸多方面提出了更高的要求。 由于我国很多桥梁建于上个世纪六、七十年代，基于当时的车流量和各方面的 发展规划，桥梁设计等级普遍偏低；另外，某些既有桥梁由于施工质量差和运 营期间维护不到位，不可避免地会产生裂缝、混凝土破损、钢筋锈蚀、蜂窝及 防水层失效等缺陷，从而导致耐久性及承载力达不到设计要求。因此，必须对 其进行维修加固。碳纤维布由于其高强、低重量、耐腐蚀等优点而广泛用于结 构加固中，与其它加固方法相比，碳纤维布加固具有易于施工工效高、造价低 且耐腐蚀等优点，制定了碳纤维布加固施工的工艺流程和施工方法，供工程实 践参考。 关键词：加固：碳纤维布；a n s y s ；界面处理；单元类型 r e s e a r c ho nr e i n f o r c i n gb r i d g e ss t r e n g t h e n e dw i t h c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c a b s t r a c t w i t ht h er i s eo nt h eh i g h w a ya n dr a i l w a yo ft r a f f i cd i s c h a r g e ，t h er a i s i n go f v e h i c l ev a r i e t ya n dt h eg r o w t ho fw h e e ll o a d ，ah i g h e rd e m a n dw a sp r e s e n t e do n i n t e n s i t y , r i g i d i t ya n dd u r a b i l i t yo ft h ee x i s t i n gb r i d g e s ，a n ds of o r t h i no u rc o u n t r y ， m o s to fb r i d g e sw e r eb u i l ti n19 6 0 so r19 7 0 s ，w h i c hw e r eb a s e do nt h a tt i m et r a f f i c d i s c h a r g ea n dd e v e l o p m e n tp l a n n i n g ，s od e s i g nc r i t e r i o no ft h e s eb r i d g e sw e r ev e r y l o w e r i na d d i t i o n ，i tw a si n e v i t a b l et ob r i n ga b o u tc r a c k s ；c o n c r e t er u p t u r e ，s t e e l r u s t ，h o n e y c o m ba n dw a t e rp r o o fl a y e rf a i l u r e ，b e c a u s es o m ee s t a b l i s h e db r i d g e s w e r eb u i l tb yp o o rc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c ed u r i n gt h ec o u r s eo fo p e r a t i n g p e r i o d a l la b o v em e n t i o n e dl e a dt od u r a b i l i t ya n db e a r i n gc a p a c i t yc o u l d n 。tg a i nt o d e s i g n s t a n d a r d m a i n t e n a n c ea n d s t r e n g t h e n i n gm u s tb ed o n eo rt h e s e b r i d g e s c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ( c f r p ) i su s e di ns t r u c t u r es t r e n g t h e n i n g b e c a u s eo fi t sh i g hs t r e n g t h ，l o ww e i g h t ，r e s i s t i n gc o r r u p t s c o m p a r e dw i t ho t h e r s t r e n g t h e n i n gm e t h o d ，c a r b o nf i b e rr e i n f o r e e dp l a s t i ch a ss u c hb e n e f i ta se a s yt o c o n s t r u c t i o n ，h i g he f f i c i e n c y ，l o we n g i n e e r i n gc o s ta n dr e s i s t i n gc o r r u p t sa n ds 0o n a n dt e c h n i q u e sf l o wa n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，w h i c hc o n c r e t eb e a m ss t r e n g t h e n e d w i t hc f r pa r ee s t a b l i s h k e y w o r d s ：r e i n f o r c e ；c f r p ；a n s y s ：i n t e r f a c eh a n d l e d ；e l e m e n tt y p e s 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表3 1 表4 1 表格清单 各种纤维复合材料的物理力学性能。7 纤维复合材料与钢筋性能比较7 碳纤维材料等级和特性8 对三种不同树脂的施工性能要求1 1 钢筋混凝土与碳纤维的搭配性1 3 口、晶参考值1 8 a n s y s 中钢筋混凝土有限元分析模型3 1 插图清单 图3 1e h o g n e s t a d 模型1 7 图3 2r i c h h 模型1 7 图3 3清华模型1 8 图3 4钢筋盯一占曲线1 8 图3 5碳纤维布仃一占曲线1 8 图3 6 各种破坏特征的应变关系1 9 图3 7c f r p 加固梁截面受力示意图2 0 图4 1主应力空间中的m i s e s 屈服面2 4 图4 - 2 主应力空间中的屈服面2 5 图4 3等向强化时的屈服面变化图2 5 图4 4 随动强化时的屈服面变化图2 6 图4 5混凝土单轴受力应力一应变曲线2 7 图4 6 简化的钢筋应力一应变曲线2 9 图4 7 不同材料单元连接形式3 0 图4 8随动强化模型3 2 图4 9 散裂缝模式3 4 图5 1第一层碳纤维粘贴示意图3 9 图5 2 第二层碳纤维粘贴示意图3 9 图5 3第三层碳纤维粘贴示意图4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金墅王些盍堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字魄冲7 l 月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁至些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 r 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金壁王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索r 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：；长逛l 签字日期：y 订年i p 月猡日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： a + - 导师签名：过：2 7 手 签字日期 。 年i p 只。孑日 电话：l 歹 ，6 ；0 邮编： 致谢 本论文是在导师蔡敏教授、王章虎副教授的悉心指导下完成的。感谢导师 两年多来辛勤的培育。在攻读硕士学位期间，导师在学业上和生活上都给予我 极大的关心、支持和帮助。导师不仅带给了我大量的知识财富，而且教给了我 许多做人道理、处事能力。在论文的选题、资料的借阅、论文疑难解答等方面 都给予了极大的帮助，论文的完成凝聚了导师大量的心血和精力。导师渊博的 学识、严谨的治学态度、理论联系实际的学术风格和诲人不倦的敬业精神等都 将使我终生受益，在此谨向导师致以崇高的敬意和最诚挚的感谢! 在研究生学习中还自始至终得到了外国语学院赵速梅教授的精心培养和帮 助，在此也向她表示诚挚的谢意! 最后，深切地感谢爸爸妈妈，感谢你们。 再次感谢所有为本论文的顺利完成提供过无私帮助的人们! 作者：张逗 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 我国公路桥梁现状 到2 0 0 6 年底，我国已有通车里程3 4 4 7 0 万k m ，高速公路总里程达4 5 3 万k m 居世界第二位。全国公路总里程中，国道1 3 3 4 万k m ，省道2 3 9 6 万k m ， 县道5 0 6 5 万k m ，乡道9 8 7 6 万k m ，专用公路5 8 0 万k m ，村道1 5 3 2 0 万k m ， 分别占公路总里程的3 9 、6 9 、1 4 7 、2 8 6 、1 7 和4 4 3 。全国公路桥 梁达5 3 3 6 万座、2 0 3 9 9 l 万延米。其中特大桥梁1 0 3 6 座、1 7 1 4 5 万延米，大 桥3 0 9 8 2 座、6 3 8 5 8 万延米，中桥1 2 1 l 万座、6 0 7 3 0 万延米，小桥3 8 0 5 万 座、6 2 2 5 7 万延米。 据不完全统计，我国己建成的主跨在2 0 0 m 以上的公路、城市、公铁两用 桥近1 0 0 座，主跨在4 0 0 m 以上的有3 0 座，主跨在6 0 0 m 以上的有1 2 座，已建 成和将建成的一批特大跨径桥梁的科技含量高，技术复杂，施工难度大。也就 是说，我国桥梁建造技术己进入世界先进水平的行列。 另一方面，我国公路桥梁的养护、维修、加固及技术改造有待进一步加强。 据初步估计，我国公路桥梁约有1 3 处于3 、4 类的状况。除此之外，属荷载标 准低、桥面宽度窄、不能满足通行要求的约占桥梁总长的1 5 。以桥梁大省湖 北省为例，桥梁总长约5 0 余万延米，其中3 、4 类桥梁约为1 5 万余延米，而无 法满足通行要求的达1 8 万延米。又以河北省为例，全省现有公路桥梁8 0 0 0 余 座，2 8 余万延米，其中8 5 为中小桥，钢筋混凝土桥梁占6 8 ，圬工拱桥占3 1 ， 其他桥梁占1 ，而3 、4 类桥梁共7 万余延米，计2 0 0 0 余座。相对来说，高 等级公路上的3 、4 类桥梁所占比例较小，约为3 0 ( 桥梁数量) ，而低等级公路 上的桥梁所占比例较大，约为7 0 t ”。 总体来说，公路桥梁的主要技术缺陷有以下几个方面： 1 设计荷载标准偏低，承载能力不足。早期建造的桥梁，特别是2 0 世纪6 0 年代、7 0 年代建造的桥梁，设计荷载大多在汽车一15 级以下，有的是汽车一1 3 级，有的甚至在汽车一1 0 级以下。随着交通量的增加和荷载等级的提高，原有 的桥梁已经无法满足现今交通的需要，有些桥梁已经出现严重的病害，有些桥 梁则呈出现病害的可能。 2 通行能力不足。主要表现在桥面宽度不足；桥梁平面线形、纵断面线形 标准太低；桥上通车净空或桥下通车净空不足。 3 人为及自然因素引起结构的损坏。比如超出设计的洪水、泥石流、浮冰、 冰冻、地震、强风、船舶撞击，河道不恰当开挖，桥梁基础下的岩溶、矿山坑 道等，引起桥梁结构的局部损坏。 4 超期服役。这部分桥梁并不是太多，主要是建造时期较早，比如2 0 世纪 5 0 年代、6 0 年代建造的桥梁，设计使用的寿命只有3 0 5 0 年，而这些桥梁目 前仍在使用中。 5 超负荷使用。按路线等级或者预期设计荷载等级来说，这一部分设计荷 载等级并不低，但由于一些特殊的原因，桥梁使用荷载大大超出设计荷载，致 使桥梁长期在超重荷载作用下运营。 6 设计、施工的先天不足。有些桥梁设计上不是很合理，结构构造处理不 合理，桥梁在早期的运营时其缺陷并不明显，运营一定时间后，病害逐渐显现 出来。有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等方面的影响，存在一 定的技术缺陷，随着运营时间的增加，其病害也逐渐在发展。 7 养护维修及加固措施不当。有些桥梁的技术缺陷是由于养护维修不恰当 引起的。比如桥面维修增加过大的恒载，致使桥梁负担加重；桥面排水处理不 当，桥面渗水；又如支座维修不当，约束了承重结构的变形等。有些桥梁则是 加固不当引起的。比如加固施加的预应力大小或者位置不恰当，引起结构的二 次病害；又如结构体系改变不合理，致使结构的关键部位应力超限等。 在桥梁维修加固方面，有一种非常不均衡的趋势。由于高等级公路中桥梁 所占比例较大，而高等级公路均是近几年兴建的，故桥梁维修加固的高峰大约 5 0 年后才出现，现今的桥梁病害主要出现在低等级公路中的桥梁，目前的桥 梁维修加固任务并不是很繁重，一旦桥梁养护加固的高峰到来时，以目前的维 修加固技术和技术工程力量将是难以应付的。而且我国新建桥梁技术发展较快， 但桥梁养护维修加固技术的发展相对滞后。 因此，进一步加强对桥梁的养护维修、加固及技术改造的研究及其工程应 用有其重要意义。 1 2 国内外加固技术研究概况 1 2 1 桥梁加固技术 当桥梁结构物无法满足承载能力、通行能力( 如荷载标准提高、原结构严重 损伤从而使承载能力降低、桥面过窄妨碍车辆畅通) 、防洪等要求时，则需对桥 梁结构进行必要的加固、拓宽等技术改造。桥梁加固改造是一项十分重要而又 极具将专业知识灵活运用的工作，即将专业的基础理论与实际已有病害的桥梁 结构结合在一起，需要考虑的因素将涉及到方方面面的问题。从某种意义上讲， 无论是加固改造方案的拟定与设计计算，还是加固改造的具体实施，其难度往 往比新建桥梁还大。 桥梁主要承重结构的加固补强的根本目的是为了恢复和提高其承载能力， 改善其使用性能，防止桥梁结构的安全隐患，提高其通行能力。加固与技术改 造的方法大致分以下几种类型： 1 加固补强薄弱构件 对于有严重缺陷或因通行重型车辆而不能满足承载力要求的薄弱构件，可 以采用新的材料( 钢筋、钢板、混凝土及复合材料等) ，增大构件截面尺寸、增 2 设外部预应力钢筋或用化学粘贴剂粘贴补强材料等补强措施进行加固补强，这 种方法实际上是通过增加构件的刚度或增加受力材料数量来提高原构件的承载 能力。 2 增设辅助构件 在原结构基础上增加新的受力构件，如在多梁式梁桥中为增强横向联系而 增设的端横梁、中横梁；又如桩基承载力不足时增设扁担桩、增设扩大承台等。 3 改变结构体系 不同的结构体系其受力性能不同，通过结构体系的转换来改变原有结构的 受力状况，人为地改善原结构受力整体性能，以达到改善和提高桥梁承受荷载 能力的目的。例如将有推力体系的拱桥改变成无推力体系的拱桥以改善拱圈、 拱脚及拱顶截面的受力状态；又如将原有的多孔简支梁桥通过一定的构造措施 改变为连续梁桥，利用连续体系来改善原有简支梁跨中部分的受弯等。结构体 系的转变一般都能起到较好的加固补强的效果，但随着体系的改变所形成的新 体系中某些构件或截面的受力需按新体系进行认真的检算，并采取相应的措施。 4 更换构件 桥梁局部构件有严重缺陷而不易修复时，也可采用新的构件替换原有结构。 如斜拉桥的拉索锈蚀损坏时，可用新的拉索来替换：当桥梁支座失去功效而不 能满足主梁变形受力的要求时，可将主梁顶起更换支座；又如少筋微弯板梁桥 的微弯板，破损后不易修复，也可考虑更换；再如双曲拱桥的拱波、刚架拱桥 的桥面板等。 5 桥梁拓宽 当桥梁宽度不足影响到桥梁通行能力时，桥梁就需要加宽。加宽一般和提 高荷载等级改善桥面线形等可能同时进行。 6 其他上部结构的特殊改造方法 有些加固改造方法在实际工程中的应用不多，如桥面平面线形的改善，桥 梁的升高或降低等。 7 墩台基础处治 在桥梁上部结构进行补强加固提高其承载能力的同时，对桥梁下部结构及 基础是否需采取补强措旋也应认真研究。如果原桥下部结构及基础具有足够的 潜力，可以满足上部结构补强加固所增加的桥梁自重以及活荷载对它的要求时， 则可不再采取补强措施。 如果墩台基础的承载能力不足，或者上部结构缺陷、承载能力的降低等是 由于墩台与基础的位移或缺陷等引起的，则应对原桥墩台基础进行必要的补强 加固。常用的方法较多，如基础灌浆，加钢筋混凝土桩，扩大承台，基础及台 后打粉喷桩，基础周围抛置片石、块石( 常置于钢筋笼内，主要用于防冲刷) 等。 8 桥台加固处治 3 当桥台本身因其强度刚度不足时，可能发生较大的位移，可采用的方法很 多，如对桥台进行顶推，改变桥台结构形式，对桥台身进行局部补强等。 9 桥墩加固处治 桥墩的加固补强技术，一般通过对桥墩结构的补强、限制或减小墩顶的位 移、增加墩身承载能力( 如改变墩身结构形式、增加墩身截面面积) 等途径进行。 1 2 2 碳纤维加固技术 碳纤维又称增强复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，简称c f r p ) 。 1 9 5 0 年美国w r i g h tp a f f e r s o n 空军基地将人造丝通过2 0 0 0 高温进行牵引，制 成了高强度碳纤维。1 9 5 9 年美国w a t t 和日本进藤昭男用奈酚( p a n ) 审0 成了碳 纤维。1 9 6 0 年初，日本大古杉郎又从石油和煤沥青中制得了碳纤维。1 9 6 9 年又 从特殊的共聚p a n 中生产出高强、高弹模的碳纤维( 芳香族聚酸胺纤维1 。1 9 7 2 年美国杜邦公司生产出g = 1 2 1 5 t m 3 ，强度达3 0 0 0 m p a 的a r a m i d ( 阿拉米德) 碳纤维。 碳纤维根据原料、制造方法的不同，有p a n ( 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。 c f r p 材料首先应用于航天工业，七十年代在技术上己趋成熟，但直到八 十年代初才在土建工程中开始进行应用研究。瑞士联邦材料测试研究所首例于 1 9 9 1 年7 月在总长2 2 8 m 的多跨连续箱形梁桥( t b a c h 桥) 进行了碳纤维加固试验 和研究并获得了成功。9 0 年代在国际上对碳纤维材料怎样应用于土建工程中进 行了广泛和系统的研究，尤其在桥梁、隧道和房建加固工程中首先得到了广泛 采用【2 1 。 一些发达国家均编写了各种相关的设计、施工规程、指南、手册和建议规 范，以使碳纤维材料在土建工程中能得到推广和应用。 1 9 9 7 年英国至少有3 0 座桥梁和结构物采用了c f r p 加固和修补。1 9 9 9 年 后，由欧洲统一规范要求桥梁承载能力提高到4 0 吨级货车标准，故欧洲的大批 旧桥均需进行加固。在美国和加拿大，苦于盐害严重，约有6 0 万座桥梁受到不 同程度的损坏，如果要全部新建，约需耗资三万亿美元，故此美国家已对c f r p 材料逐渐产生了浓厚的兴趣，美国混凝土协会( a c t ) 已成立了专门的委员会( a c 工4 4 0 ) ，美国各研究机构也已普遍展开了对c f r p 的研究，并已成为当今的一 大热门研究课题。加拿大己建立了相关的研究开发基地，并编写了c f r p 的有 关规程条例。日本自1 9 8 4 年开始，采用c f r p 在土建中的应用，已有l o 多年 的历史。自1 9 9 8 年开始，日本建设省进行了题为“建设事业中的新素材、新材 料利用技术开发”，为期五年的大型综合研究项目。日本自1 9 9 5 年阪神大地震 以后，认识到采用c f r p 片材粘贴加固结构物的方法十分简易方便和可靠，于 是投入了大量人力物力，加紧对碳纤维的开发研究，并发行了种种相关的规程、 4 指南和手册。 我国从1 9 9 7 年才开始对c f r p 加固维修补强土木结构方面进行研究，发展 势头迅猛，进展飞快。国内己有很多科研部门和高等学校对碳纤维的加固技术 从不同的方面进行各种试验研究，并撰写了很多高质量的论文和积累了丰富的 资料。其研究内容有梁、柱、板等构件用碳纤维补强加固的作用效果和机理， 以及节点、构造连接、耐久性、c f r p 的应用等方面，于2 0 0 3 年由中国工程建 设标准协会编写了碳纤维片材加固混凝土结构技术规程。 在材料生产方面，目前国内虽有少量c f r p 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，对材质性能难以保证。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、不同 的性能指标的环氧树脂。修补树脂用于填补不平，易于和混凝土结合，有很高 的粘结强度。而我国现在还没有上述的专用环氧树脂，国产的环氧树脂性能单 一，与国外产品相比差异较大。为保证工程质量和碳纤维片材的补强效果及耐 久性，碳纤维材料和专用的环氧树脂目前主要仍需从日本、美国等国外进口。 由于我国起步较迟，因而大都仍是从基本性、验证性和试验着手，从简支 梁、柱的加固着眼，因而重复性较多，尚有待进一步深化。 1 2 3 加固技术的经济性 在一些经济发达国家，工程结构的维修和加固费用有的已达到或超过新建 工程的投资。例如美国9 0 年代初期用于旧建筑物维修和加固上的投资已占到建 设总投资的5 0 ，英国这一数字为7 0 ，而德国则达到8 0 。世界上经济发达 国家的工程建设大都经历了三个阶段，即大规模新建阶段，新建与维修并重阶 段，工程结构维修加固阶段。我国解放以来，从“一五”始直至现在一直进行 大规模的工程建设，当这些工程建设活动达到顶峰后，结构的耐久性问题将更 加突出。据统计，我国2 0 世纪6 0 年代以前建成的房屋约有2 5 亿立方米，这些 房屋己进入中老年阶段，全部拆除重建在目前不符合我国国情，这便需要对其 进行结构鉴定和可靠性评估，以便进行维护和加固，以延长它们的使用寿命。 桥梁方面，旧桥加固所需的资金是新建桥梁费用的1 0 2 0 ，一般新桥基建 投资超过旧桥大修投资的o 5 2 倍。我国公路部门的实践表明：桥梁的加固费 用约为新建桥梁费用的1 0 2 0 ，双曲拱桥的加固费用约为新建桥费用的 3 0 【3 j 。可见在对工程结构的损伤程度、承载能力、以及耐久性等问题进行正 确评价与估计的基础上，采取相应维修、加固措施，挖掘现有工程结构的承载 能力，是一项具有显著经济效益和重大社会效益的工作。 很多资料表明，当前许多发达国家，建设重点以放存既有工程结构的加固 与改造方面，而新建项目则降为次要地位。 而采用碳纤维对桥梁进行补强加固，与粘贴钢板、增加钢筋混凝土截面面 积、施加体外预应力等桥梁常用加固方法比较，具有适应性广、力学性能优异( 强 5 度高、不增加结构自重及体积) 、化学性能稳定( 不腐蚀) 、施工简单、方便( 不需 大型施工机具、施工不需中断交通) 、不需进行定期维护等特点，性能价格比更 为合理。 同时，采用碳纤维对桥梁进行补强加固施工费用仅为建相同跨径、宽度， 结构类似的新桥费用的4 1 0 ，是全部更换现有桥梁上部结构维修加固方案费 用1 4 1 ( 未计入墩台、基础加固费用) 的5 7 2 ，且随碳纤维加固市场的日益规范和 碳纤维国产化程度增加，碳纤维加固费用将有望进一步降低，经济效益将更加 显著。 此外，采用碳纤维对桥梁进行补强加固施工，工期短，不需中断交通，社 会经济效益更为显著。 1 3 本文研究内容 本文主要研究粘贴碳纤维补强加固法在桥梁加固中的应用。粘贴碳纤维加 固技术是一种新型的桥梁加固改造技术，主要研究内容包括以下几个方面： 1 碳纤维材料的力学特性及加固机理研究。碳纤维( c f r p ) 是用抗拉强度极 高的碳纤维经环氧树脂预浸而成的结构增强复合片材。将它用环氧树脂作为粘 结剂，沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件上，粘贴剂作为它们之间 的剪力连接媒介，形成新的复合体，使增强贴片与原有的钢筋共同受力，增大 了结构抗拉或抗剪能力，有效地提高结构的强度、刚度、抗裂性和延性，控制 裂缝和挠度的继续发展。 2 粘贴碳纤维加固后结构的分析计算方法。主要包括基本假定、粘贴碳纤 维加固后结构的分析计算方法，截面刚度计算，抗弯承载力计算和抗剪计算， 以及考虑原结构材料非线性的计算方法。 3 碳纤维加固的a n s y s 计算分析方法研究。主要包括塑性理论基础，建立 有限元模型时钢筋与混凝土截面的处理方法，碳纤维布混凝土截面的处理方法， 非线性分析的计算步骤等。 4 以实际加固工程依托，在加固前对其进行详细的病害检查，并进行加固 前的荷载试验。按前述研究成果，结合桥的实际情况，提出加固方案并予以实 施。为验证本文研究的可靠性，在加固完成后，进行荷载测试，截面刚度计算， 抗弯承载力计算和抗剪计算。 6 第二章碳纤维材料的力学特性及加固机理 2 1 各种纤维材料的性能特点 纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r e e dp l a s t i c s 或f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r 以 下简称f r p ) 是一种性能优异的复合材料，已被国内外土木工程领域的研究者和 工程师广泛接受，例如在新建建筑及桥梁结构中的应用以及用作补强加固材料 等，出现了许多新的结构形式和应用方法。土木工程领域通常应用的f r p 复合 材料从材料成分上分主要有：碳纤维( c f r p ) 、玻璃纤维( g f r p ) 和芳纶纤维 ( a f r p ) ，其主要特性如表2 1 所示，各种纤维复合材料与钢筋性能比较见表2 2 所式。 表2 1 各种纤维复合材料的物理力学性能 就以上表可以看出，c f r p 材料具有高强度和高弹模特点 5 1 ，其弹性模量可 达2 3 1 0 5 m p a 以上，抗拉强度达到3 4 0 0 m p a 5 0 0 0 0 m p a 。a f r p 材料的强度 和弹模稍低于c f r p 材料，但其拉断时的延伸率增大。g f r p 材料的强度和弹 模更低，其延伸率更大。 从材料形式上分，纤维复合材料主要有片材、棒材和型材等形式。所有的 f r p 都有一些共同的性质：高的强度重量比和刚度重量比率，在拉断前均为弹 7 性，热膨胀系数低，各向异性，轻质、耐腐、无磁，良好的抗疲劳性能及高的 耐久性等，使其作为未来的结构材料潜力巨大。 另外，f r p 具有的其他特性，如粘结、徐变及松弛等随纤维、胶液、纤维 含量、表面处理方法等的不同而异，其综合应用形式和功能是日前通常所用的 土木工程材料的结构设计所达不到的。f r p 复合材料使用维护成本低、可以自 由裁剪、节省材料、简化施工步骤，虽然其前期投资较大，但从长期投资的角 度看效益明显。它们在工程中成功应用的基础是新的复合结构的概念和体系， 并将新材料与传统材料如钢、混凝土结合起来，发挥了材料各自的优点。 2 2 碳纤维材料的力学特性 结构用纤维复合材料简称为f r p 。f r p 加固技术是利用树脂类粘结材料将 纤维复合材料粘贴于混凝土表面，并利用f r p 良好的抗拉强度，达到增强构件 承载能力、刚度的目的。碳纤维是f r p 的一种，为极细纤维，其单位强度高但 直径小，由环氧树脂与构造物结合在一起后在纤维方向上具有高抗拉强度。其 特性除强度高外，抗腐蚀性佳外，且没有疲劳老化现象，已在钢筋混凝土构件 加固上应用十佘年左右。碳纤维在钢筋混凝土构件加固上主要作用为抵抗拉力， 一般适用于抗弯构件的板与梁的受拉力部位，梁与柱( 桥墩) 的抗剪力部位、柱 或墩的围束加固以及钢筋锚定( 握裹) 长度不足部位等。 c f r p 材料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1 0 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。 表2 - 3 是市场上常用的碳纤维材料性能技术指标。 表2 3 碳纤维材料等级和特性 类型碳纤维材料 纤维 高抗拉碳纤维高弹模碳纤维 等级f t s c 1 2 0f t s c 1 3 0f t s c 5 3 0 f t s c 6 3 0 f t s c 7 3 0 纤维重量( g m 2 ) 2 0 0 3 0 03 0 03 0 03 0 0 纤维密度 1 81 81 8 22 12 1 7 p i2 j , m 设计厚度m i l l 0 1 1 10 1 6 70 1 6 50 1 4 30 1 4 3 设计抗拉| 登度 3 5 5 0 03 5 5 0 03 0 0 0 02 5 0 0 02 0 0 0 0 ( k g f c m ) 高强度碳纤维片的抗拉强度达到3 4 0 0 m p a 4 0 0 0 m p a ，弹性模量有2 3 5 1 0 5 m p a 3 8 1 0 5 m p a 等几种，与钢筋相近或略高。因此，有很好的与钢筋共 8 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【6 】，保证不产生界面的粘 结剥离。 2 2 1 碳纤维布的力学性能 1 碳纤维原丝的力学性能。 碳纤维布的力学性能与碳纤维丝束的力学性能有直接关系，碳纤维布拉伸 强度一般都低于其相应碳纤维原丝的拉伸强度，而离散系数却高于碳纤维原丝 的离散系数。例如日本某公司h t a 1 2 k 碳纤维，拉伸强度为4 0 0 0 m p a ，标准 偏差为1 7 8 4 m p a ，而制成布后，拉伸强度为3 5 6 7 2 m p a ，标准偏差为2 4 4 8 m p a 。 因此，碳纤维丝束的力学性能是碳纤维布的重要力学指标。各碳纤维布生产厂 家使用碳纤维原丝质量规格不尽相同，所以编制生产出碳纤维布拉伸强度和离 散系数各不相同。 2 碳纤维布拉伸强度和离散系数。 从结构可靠度角度来看，碳纤维布拉伸强度和离散系数对结构可靠度指标 都有很大影响。不同碳纤维布( 即使碳纤维原丝相同) ，采用相同的碳纤维标准 强度，对于结构构件的可靠指标也可能显著不同。对于离散系数较大的碳纤维 材料，其构件的可靠度指标较低。所以，评判碳纤维布抗拉力学性能的优劣， 不仅仅是它的平均拉伸强度，其相应的离散系数也是一个很重要的评判指标1 7 1 。 3 弹性模量与延伸率。 碳纤维为线弹性材料，具有线性应力一应变关系。在加固钢筋混凝土梁后， 考虑到碳纤维材料与被加固构件中受拉钢筋的变形协调和碳纤维材料的脆性， 在加固体系中一般规定：碳纤维布的允许拉应变不应大于碳纤维布极限拉应变 的三分之二，并且不大于受拉钢筋的极限应变。如果碳纤维为二次受力，则不 应大于受拉钢筋的极限应变与钢筋的初始应变之差。 2 2 2 碳纤维布抗拉设计强度的取值 目前碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程中对受弯承载力和受剪承 载力的计算建议不采用碳纤维布的标准强度，而且采用碳纤维允许拉应变控制 碳纤维的设计强度，如碳纤维在受弯承载力计算中，当构件的破坏状态为碳纤 维拉断时，碳纤维对受弯承载力的贡献为 s l ： m = 易【白】南( 一叫2 ) ( 2 1 ) 式中：易为碳纤维布的弹性模量 如为碳纤维布的截面面积 【白】为碳纤维布的允许拉应变，且碳纤维布的极限应变勺的2 3 和 0 0 1 较小者。 9 市场上碳纤维布品牌众多，大部分极限应变都在o 0 1 5 以上且与弹性模 量易接近。按照式2 1 ，只要碳纤维的极限应变白大于o 0 1 5 和碳纤维的弹性 模量易相同，其碳纤维的可使用强度都一样。但工程实践表明，对于不同品牌 的碳纤维布对桥梁加固效果确有很大差别，显然对不同的碳纤维材料定义为统 一的设计强度不太合理。 如果仅仅考虑碳纤维布的允许应变，而不计入影响其加固效果的以下其他 因素，将对碳纤维布的工程使用上造成了技术上的障碍。 1 考虑碳纤维布的折减系数 中国建筑科学院曾使用日本进口的碳纤维和粘结材料进行了受弯加固梁的 试验性研究，将对贴覆于梁体表面的碳纤维被拉断时强度与碳纤维的标准强度 进行了比较，比值为0 8 左右。 试验室中，碳纤维布复合后的匀质性能很容易得到保证，表面处理一般也 较为充分，加上其粘结材料都没有受太大环境影响( 无耐久性问题) ，所以由材 料试验中标准试件所得出的强度值，在实际应用中应予以折减。 为体现不同材料、工艺、环境等条件下对碳纤维设计强度的影响 9 1 ，应采 用分项系数法来定义碳纤维的降低系数较为合适： 岛为碳纤维布的设计抗拉强度 厶为碳纤维布的标准抗拉强度 = r i t 2 玎3 叩4( 2 2 ) r 1 为材料性能的稳定性 r 2 为加工工艺对材料均质性和碳纤维布施工性能的影响 r 3 为树脂力学性能的稳定性及施工性能的影响 r 4 为长时间和环境因素造成的材料性能的改变( 耐久性) 设计中应根据以上几个方面确定分项系数。分项系数的数值应根据大量的 试验数据和科学的理论分析加以确定，建议可根据每种材料的不同情况设在 0 6 1 0 之间。 2 考虑碳纤维的受力状态 碳纤维与被加固构件中受拉钢筋的变形协调，取受拉钢筋极限应变时的碳 纤维受拉应力作为碳纤维的设计强度的一个控制值，强度折减值不得大于此数 值。即： 厶易( 2 3 ) 占为受拉钢筋的极限应变，按混凝土结构设计规范( g b j l 0 - 8 9 ) 6 f l 规定 受拉钢筋极限应变为0 0 1 。 如果被加固构件中钢筋的初始应变为岛，则碳纤维的设计强度的控制值为： 乃= ( 铲岛) 易( 扣叫 ( 2 - 4 ) 1 0 根据分项系数确定的原则，建议当构件的破坏状态为碳纤维拉断时，碳纤 维对受弯承载力的贡献的公式为： ry 、 m = 厶如l 矗一三f ( 2 - 5 ) 式中：厶为碳纤维布的标准强度 厶= r l l r l ”r lr 1 4 ，厶6 s 易( 2 - 6 ) 占为受拉钢筋的极限应变，取o o l 按上述原则可以计算出，高质量的碳纤维布及配套粘结材料的设计抗拉强 度比低质量的碳纤维布和配套粘结材料设计强度高3 4 倍。所以在桥梁加固设 计中碳纤维布抗拉强度设计值进行合理取值时很有必要的。 2 2 3 碳纤维布的粘结材料 碳纤维布的常用粘结材料为树脂类。碳纤维加固桥梁时，树脂的主要受力 为抗拉和抗剪作用，应着重考虑树脂与碳纤维布复合后与混凝土之间的粘结强 度( 主要是拉伸、剪切和正拉粘结强度) 、拉伸强度、拉伸模量( 树脂的韧性) 、抗 冲强度和力学松弛性等，而其抗压强度相对次要。 为保证粘结质量，不同季节、不同温度条件下应选用不同型号的树脂，这 样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。另外在每道工序中 都应有不同的要求，具体见表2 - 4 。 表2 4 对三种不同树脂的施工性能要求 脂纤维片材与混凝土粘结碳纤维片材塌落而成空洞或空 在一起，形成复合性整隙。4012 体，共同抵抗外力3 作时的粘度应控制在一定范 围，不能太小，以免胶的滴挂 和片材的垂落或滑移。粘度也 不能太高，由于树脂的粘度高， 很难扩散和流动，不能充分浸 透纤维，复合材料中残留大的 空隙，得不到理想的补强效果。 2 3 碳纤维加固机理 c f r p 材料是土木工程中的一种新材料，自从问世以后已为众人所瞩目将碳 纤维材料应用于桥梁加固，很大程度上启发于钢筋混凝土结构的工作机理。 钢筋混凝土结构的受力机理，其核心的机理为： 1 钢筋与混凝土有良好的握裹性。能够在受力后共同变形，也即两种不同 的材料必须具有变形协调性。 2 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，且由于钢筋被包裹在混凝土之中，更使钢筋有了 一个可靠的保护，不致因腐蚀而失效。 3 钢筋具有比混凝土更高的弹性模量和抗拉强度，这是钢筋混凝土结构受 力的基本机理。一般两者之比疗= e e 兰l o 1 5 ，即1 9 i l l 2 钢筋相当于1 0 1 5 c m 2 的混凝土面积，因而低弹性模量的材料作为加筋材料是一种不合理的配置，例 如竹筋混凝土结构，低弹模的玻璃纤维混凝土结构等，主要是加筋材料的强度 不可能充分得到发挥，而是被“变形”控制了设计【1 训( 裂缝宽度和挠度等) ，也 即一些低弹性模量的加筋材料必须密切注意正常使用极限状态( 使用功能上的 要求) 的满足。 4 钢筋和混凝土具有相近的温度线性膨胀系数，否则将会由于温度变化产 生相应的温度内应力。 粘贴碳纤维布时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，可以加强混凝土强度，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，达到补强效果。碳 纤维的强度虽然高，但是其弹性模量却与钢筋差不多( 见表2 5 ) ，根据钢筋混凝 土的使用经验判断，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。 1 2 表2 5钢筋混凝七与碳纤维的搭配性 碳纤维材料的热膨胀系数较混凝土和钢筋要小的多，约为1 1 0 5 ，因而 当升温1 5 时，在碳纤维材料中将发生拉应力西为3 2 2 5 m p a ( a x l 5 x 2 3 5 x 1 0 5 ) ，但对于碳纤维材料而言，仅为极限强度3 4 0 0 m p a 的1 左右，故影响不大。 碳纤维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布。将布用专门配制的环氧树脂粘 贴在结构受拉面，树脂固化后与原结构形成新的受力复合体，碳纤维即可与钢 筋共同受力。由于碳纤维片分担了荷载，就降低了钢筋的应力，而使结构得到 了加固补强。但是也必须指出，过高的c f r p 材料强度与现行的混凝土强度并不 匹配，也即c f r p 材料的强度在加固后绰绰有余而不可能得到充分发挥。只有当 碳纤维预应力筋束的广泛采用后才能真正地发挥出其材料的高强特性。 从c f r p 材料而言，碳原子是位于元素周期表的中部，因而其原子层之间形 成强而稳定的结合，能经受住多种化学腐蚀环境，且由于其加工过程中已经历 了2 0 0 0 3 0 0 0 的考验，故能忍受一定的高温( 如沥青摊铺等工艺) 。 既然碳有那么多优点，那又为什么不直接用碳棒或石墨棒来加筋呢? 必须指 出，碳材料表面存在很多微小的凹槽或裂纹，也即其材料的匀质性很差，呈现 强脆性，故很难直接用做加筋材料。通过长期研究，必须首先生产出纤维状的 石墨并掺加一定的聚合物，通过多道在惰性气体中加高温( 2 0 0 0 。c 3 0 0 0 ) 抽 拔和挤压工艺，并经过多道高温热处理后才能使复合材料中的裂缝不致突然扩 展，只有这种碳纤维材料才能应用于结构工程，加工制成的碳纤维连续丝的直 径为7 1 0 x1 0 - 5 m ，对于2 0 0 9 m 2 的碳纤维布片上约有3 0 0 万条碳纤维，且不能 互相绞缠。 正由于碳纤维材料具有与钢筋混凝土相容的材料物性，因而将碳纤维材料 应用于桥梁加固方面，在理论上应是相容的，也是具有充分理论根据的。 2 4 碳纤维加固技术特点 将碳纤维材料用于桥梁加固，其主要特点如下： 1 几乎不增加结构自重和截面尺寸 由于碳纤维的单位体积重量仅为钢材的1 4 左右，且制成布状后其厚为 0 1 1 1 0 1 6 7 m m ，如制成板状的，其厚度也仅为1 4 m m 左右1 1 1 1 ，因而轻、厚度 薄，基本不增加结构的自重和改变截面外形。 2 高强、高效 1 3 具有优异的物理力学性能，非常适合于桥梁结构的加固修复。 3 基本不会改变桥下的净空高度； 4 具有良好的适应性，尤其是布状可以适应各种结构的外形粘贴和裹缠。 5 施工便捷。由于其自重较轻，可操做性强，操作空间要求较宽松，不必 像粘贴钢板技术那样复杂，对运营中的桥梁加固修复将会带来较大的社会经济 效益。尤其对于箱梁构造而言，有时可以在箱室内进行操作，即可以节省庞大 的支架费用，也具有一定的安全性和隐蔽性。( 注：对于箱梁表面的裂缝修复难 免仍要增设临时支架) ； 6 不需大型机具，无需其它固定设施，因而对原结构不会造成新的损伤； 7 具有良好的耐久、耐腐蚀性以及大气环境的腐蚀，给养护工作