２００５年 四川公路設計院 鄭遠鵠 吳士東晨光化工研究院 王 洪 楊旭明 摘要 碳纖維（GFRP）是一種高強度、高性能的新材料，碳纖維布加固橋梁和混凝土結構，是近年發展起來的一種高新技術。它性能優良，質量可靠，施工便捷，設備簡單，不損傷梁體，不增加構件重量，不留加固痕跡造價相對較低。本次通過設計、化工、科研、施工各方的密切合作，成功地將這一新材料、新技術運用于隆納高速公路橋梁加固，掌握了全套加固技術。
一、 概況 隆納高速公路主線K70±340和匝道AKO±838.38兩座橋，均為跨徑13米的綱筋混凝土板橋，梁高55厘米，橋梁總寬分別為33.9米和25.75米，每橋由獨立的兩幅組成，幅寬為20.73米、13.17米、13.47米、12.28米。該兩橋原設計為預制安裝鋼筋混凝土鉸接板橋，后因施工條件變化，改為分幅全寬現澆鋼筋混凝土體板橋。鉸接板改為整體板后，橫向鋼筋仍按原鉸接板中構造箍筋φ8設置。 結構改變后，板寬大于或等于板跨，除縱向內力外，還產生了板內橫向變距，而橫向鋼筋太弱，就形成了大量縱向裂縫，需進行橫向加固和封閉裂縫。 二、修復方案的選擇 本橋所處路段當時尚未正式通車，要拆除重建也是一種補救措施，但業主基于社會影響，工期和造價，選擇了原橋加固的方法。 根據該橋情況，有3種修復加固方法可供選擇：
1、橫向預應力加固 本橋兩側邊緣鉆孔或粘錨預應力錨頭（錨座），用于粘結或有粘結預應力鋼鉸線進行橫向張拉，然后對錨頭和有粘結預應力鋼絞線用砼封包，并進行裂縫封閉。 此是一種主動性的加固方法，它可以減少和消除板梁中前期已形成的橫向應力，改善梁體應力狀態，加固效果良好。缺點是該法要在梁體上鉆孔、打洞、鑿毛、植筋，對梁體和受力鋼筋有一定傷害，同時在梁底形成外露無粘接筋或混凝土肋，加固痕跡明顯，有損梁體美觀；該法加固工作量也較大。
2、粘貼鋼板法 在梁底和加強鋼板上鉆孔，將抗剪螺栓置入梁底鉆孔，通過鋼板與經嚴格處治的梁底間的樹脂粘劑和螺栓對鋼板加壓，使加固鋼板與梁底面粘為一體，從而達到加固的目的。 此方法旨在改善和減小后期活載受力，對前期已產生的恒戴內力無作用。 此方法所需材料采購方便，不需埋置預應力錨具和進行預應力張拉，但此法梁體鉆孔極多，且須與鋼板鉆孔一一對應，難度較大，對原梁體結構有所損傷，且加固痕跡顯著，特別對于剛落成橋梁，有損業主形象。
3、粘貼碳纖維（GFRP） 在經除去浮漿、打磨和整平的梁體表面，用樹脂類粘結劑橫橋向粘貼碳纖維布，從而達到修復加固的目的。 碳纖維布（GFRP）是一種高強度、高性能的新材料，用它加固梁體，不鉆孔、不植筋、不需特殊設備、不增加梁體重量，施工便捷、質量可靠、封閉性能尤佳，除色澤微偏黑外，不留其它痕跡。業主接受了此種加固方法。
三、碳纖維加固材料性能
1、碳纖維布 本項目所用碳纖維布為連續纖維單向排列的布狀碳纖維制品，厚度0.1毫米、寬度100毫米，其基本物理力學指標如下表： 表1 碳纖維布基本力學指標 *注：本工程采用該碳纖維布。 碳纖維材料是一種具有獨特的化學結構的高分子聚合物，它具有優異的抗拉強度和位伸模量，其單層（100毫米寬）碳纖維復合材料的極限抗拉力可達32KN，滿足了橋梁加固修復的結構要求；同時，由于其獨特的化學結構，它具有不燃燒、耐腐蝕和使用壽命長的特點，極適宜于橋梁、高層建筑的結構加固。 本次工程采用的碳纖維材料，出廠檢驗指標：拉伸彈性模量272Gpa/0.1mm，拉伸斷裂載荷4.5KN/層·10mm、拉伸伸長率1.73%。抽樣自檢指標：拉伸斷裂載荷5.74KN/層·10mm（含膠粘劑部分強度）。
2、粘結劑及復合樹脂 本工程采用晨光化工研究院研制的系列建筑結構粘合劑及施工工藝，根據不同部位、不同作用、不同氣候、不同情況，選用不同型號產品。性能指標見表2。 表2 膠粘劑的性能指標 碳纖維復合材料加固修復砼結構，膠粘劑的選擇和使用是非常重要的。碳纖維能否充分發揮出應有的力學性能，能否緊密地與砼表面貼合和傳遞所受的應力，能否與碳纖維材料相容并形成穩定高強的復合材料，與膠粘劑的品種和綜合性能關系甚大。膠粘劑除了應具有較高的力學性能外，不同用途的膠粘劑還應具備不同的特點：如底膠應具備較低的粘度，通過毛細作用滲透到砼結構中，形成“爪”式粘接結構；找平膠應具備良好的觸變性；最主要的粘碳纖維膠，不僅要具有好的滲透性以利于浸透碳纖維，同時還應具有一定的初粘力，以防碳纖維布塌落而形成空洞或空隙，另一方面，由于碳纖維布粘貼加固是由多種膠粘劑共同作用而成，不同的膠粘劑之間的閑親和力或相容性必須良好。總之，對于膠粘劑而言，其粘接強度（包括粘接拉伸強度，剪切強度等）的指標是最主要的。 表3 幾種膠粘劑相互粘接力性能 膠粘劑自檢測試，TH81抗拉強度55.5Mpa，抗壓強度67Mpa，剪切強度21.2Mpa（鋼～鋼）；TH71-1剪切強度20.4Mpa（鋼～鋼）；TH81-1粘接拉伸強度45.1Mpa，剪切強度31.9Mpa（鋼～鋼）。 四、施工工藝 本工程施工工藝見圖1，施工流程示意圖： 五、碳纖維布加固的評述
1、碳纖維布加固與鋼板加固效果相同，它不能主動去改變結構前期受力，但可與原結構共同承擔后期恒載和活載，滿足結構受力需要。
2、粘貼碳纖維布加固是一種新型、高效的結構修復加固技術，它高強、高效，對結構無損傷，外觀無影響，荷載不增加，適用范圍廣，施工便捷、質量可靠，深受業主們的喜愛。
3、粘貼碳纖維布能改善裂縫分布狀況和裂縫寬度。試驗證明，粘貼碳纖維布后，裂縫間距減小，變密、變均勻，裂縫寬度減窄。這是結構者所期望的。
4、碳纖維布封閉性能優良。特別是本工程所采用的性能優良的TH系列封縫粘合結構膠形成的復合材料，具有很高的強度的封閉性能，不會在結構破壞前開裂，其牢固地罩在結構表面，防止有害氣體和物質腐蝕鋼筋。 本次是對縱向裂縫進行加固，但同時對橫向裂縫起到了封閉作用，保護了縱向受力主筋。 本次加固的兩座小橋粘貼面積690平方米，施工工期一月，全面實現了業主意圖和工期要求，已于二OOO年十一月通過業主、質檢、設計、施工、監理組織的質量驗收，獲得各方一致好評。