罗 鹏，何锦仪

（佛山市盛建公路工程监理有限公司，广东 佛山 528000）

1 概述

若简单地回顾一下人类开发利用建筑材料的历史，就可以发现，首先是利用最贴近人们的土木材料，随着人类文明的进步，逐渐发展到利用木、石材料、混凝土材料或钢材。可以想象，建筑材料由传统的材料发展现代的钢筋混凝土材料，其中蕴含了历史的演变和科学技术的革命。正是由于土木建筑工程的需要和科学技术的发展，促使建筑材料不断更新。新材料、新技术的出现，为土木建筑工程的发展提供了更加广阔的空间。现代复合材料（FRP）以其出色的机理性能、优良的耐腐蚀性能和良好的公益性能扩展了建筑材料的范围。图1表示人类使用材料的变迁情况。可以说，复合材料是人类与大自然斗争产生的智慧的成果。

将复合材料按其所含纤维的种类，可分为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、维呢纶纤维、硼纤维等。目前已开发成熟并在土木工程中利用的主要是前三种。通常可按图2对复合材料进行分类。

表1所示为纤维增强复合材料与钢筋及预应力钢绞线的基本力学性能比较，其荷载～应变关系见图3。由此可知，纤维增强行使材料的应力～应变关系无明显的屈服点，直至极限度为一条直线，属脆性破坏。

在上述几种纤维增强复合材料中，碳纤维材料的技术发展迅速。品种多、用途广、用量大。并且在桥梁工程界得到普遍关注，特别是在桥梁加固工程中得到广泛应用。这是因为它具有众所周知、无可比拟的优点：高强度、高弹模、耐腐蚀、耐疲劳和易加工性。

表1 连续纤维增强复合材料与钢材的力学性能比较

采用（粘贴）CFRP进行加固是一种新型的加固方法。国外始于10年前，在国际上深受重视并已获得了较多和应用和发展。其优越性已在对美国洛杉矶和日本阪神地震中被损坏建筑的修复中得到验证。国内则是最近几年的事。虽然起步晚，但发展的势头很快，首先主要应用于房屋建筑工程，现在已发展到公路、铁路桥梁领域。

2 混凝土试验梁加固试验

为了检验粘贴碳纤维布的加固效果，日本方面曾专门制作了一批混凝土试验进行加固效果试验。试验梁按极限状态法设计，为钢筋混凝土矩形小梁。梁全长2.4m，跨度为2.0m,梁高为0.35m，梁宽为0.2m。这批试验小梁中，一部分粘贴了碳纤维布，另一部分则未粘贴，以进行对比。

对试验梁按相同的荷载加载，进行了抗弯能力试验，观测了梁体在试验荷载作用下的挠宽，应力以及承载能力。试验结果表明：粘贴碳纤维布以后，其抗弯能力提高了近1倍；当加载到裂缝宽度为0.2mm时，其承载能力提高了30%左右。说明碳纤维参与原混凝土梁共同工作，加固效果良好，此种加固材料是一种值得信赖的新型材料。

3 工程应用

我国在上世纪九十年代初开始全面铺开公路基础设施的建设，由于我国的经济持续快速发展，交通量与日俱增及车辆的严重超载等因素，这一时期修建的公路桥梁已经难以负荷现在的交通量和实际的荷载，有一部分桥梁已经开始出现裂缝、渗水等现象，而且最近几年一直呈逐渐增加的趋势。下面简要介绍最近所进行的两个典型项目。

3.1 广州广北跨线桥的加固工程

（1）桥梁概况

该桥为横跨京广铁路大动脉的高速公路跨线桥（见图4），主跨60m+100m+60m。桥型是钢筋混凝土双箱单室预应力混凝土连续箱梁。此桥采用悬臂梁加挂孔梁先简支后连续的方法施工，矩形空心墩。设计荷载为汽车-超20，挂车-120。

（2）病害情况及原因分析

此桥使用多年后，在连接挂孔的牛腿附近出现多条裂缝，经检测、分析裂缝主要是因剪切钢筋配置不足而造成的剪切裂缝。此桥的加固方案为在牛腿附近的箱梁内外侧粘贴450 g/m2碳纤维布2层，以补充抗剪钢筋的不足。在箱梁顶板处粘贴200 g/m2碳纤维布2层，以提高桥面板的抗弯性能。对于抗剪碳纤维布还采用了钢条进行锚固，使得碳纤维受力更为可靠。

（3）裂缝处治方法

由于该桥位于南方雨水充沛的城市，有大量裂缝的桥梁长年累月受到潮湿空气的侵蚀，对桥梁结构的承载能力、耐久性均有不利影响，所以必须对裂缝进行全面彻底的修补，对结构进行加固。为了便于修补加固，对裂缝进行了分类：第一类是受力裂缝，这类裂缝较严重；第二类是非受力裂缝，裂缝宽度大于0.20mm；第三类是裂缝宽度小于0.20mm的非受力裂缝。

对于第一类裂缝，通过进行结构验算，采取先压力灌缝再粘贴碳纤维布的方法，以提高结构的承载能力及结构耐久性；对第二类裂缝，采取压力灌浆补强的方法；第三类裂缝，采取表面封闭处理的方法。碳纤维的布粘贴位置见图5。

此工程采用的是新日铁FTS-C1-45型碳纤维布 400 m2，FTS-C1-20型碳纤维布 200 m2，配套树脂采用新日铁生产的FP-NS（底层树脂）、FE-Z（找平材料）、FR-E3P（浸渍树脂）。

（4）加固效果检验

自从2002年10月全桥加固完成后，对该桥进行了静动载试验，验证了加固效果。试验结果表明：在试验荷载使用下，梁体的控制断面的应变、变位校验系数均满足相关规范的要求，残余变形很小，其动力特性值与同类桥梁结构物比在常值范围，桥跨结构满足设计荷载的荷载等级要求。加固工程完成后，至今已运行近3年多，运行情况正常。

3.2 深圳市泥岗立交桥加固维修工程碳纤维加固项目

（1）桥梁概况

深圳市泥岗立交桥建成于1994年，全桥共分为三联，跨径分别为30 m+37m+30 m、3×27 m、3×27 m，上部结构为预应力混凝土连续曲线梁，梁高1.65m，断面为单箱双室箱形。泥岗立交是按汽车－超20级及挂车－120荷载标准设计的。4号桥预应力配筋束在原设计标准下的应力状态基本满足规范要求。

（2）裂缝情况

由于深圳市交通量增长很快，特别是重型载重车及集装箱很多，又鉴于泥岗立交是深圳市的重要交通枢纽，超载情况严重，长期在超负荷状况下工作，部分主梁过早出现裂缝。经现场检测鉴定，四号桥第二联至第三联裂缝均小于0.15 mm，且数量不多。第一联普遍存在裂缝，部分底板已裂通，裂缝数量较多，大部分为大于0.15mm，基本上属于由于超载所引起的受力裂缝，经复合验算，决定对四号桥采用粘贴碳纤维进行加固补强处理。

（3）裂缝处理方法

裂缝封补胶采用铁道部科学研究院铁道建筑研究所研制的裂缝封补胶，该系列产品于1994年通过技术鉴定。1992年以来对上千孔各类铁路及公路混凝土桥梁进行了修补，效果非常好，很多已经过近10年的现场考验，证明其耐久性也很好。该系列产品有以下几种：

a.ZV型混凝土修补胶（用于宽度小于0.15mm的裂缝表面封闭）

ZV型修补胶是以高分子共聚物为基本原料，掺加适量改性剂、有机助剂配制成的水乳状产品，无毒、不燃、无腐蚀性，pH值为6～6.5，粘度200～500 cP。ZV型修补胶对混凝土有很强的粘结强度，它可以直接渗入混凝土中，掺入水泥浆中配制薄层涂料用于裂缝表面封闭，其粘结强度见表2。

表2 ZV型修补胶粘结强度

b.TK型注缝胶（用于宽度大于0.15 mm的裂缝注缝）

系改性环氧树脂注浆材料，其基本性能如下：初始粘度40～80MPa.s，硬化后抗压强度40～60MPa，与混凝土的抗拉粘结强度3～4 MPa，弹性模量3.5×103MPa。双组份包装，甲液为主剂，乙液为硬化剂，甲液与乙液重量配比为2∶1。

c.TZ型封缝胶和封缝粉（用于宽度大于0.15mm的裂缝封缝）

TZ型封缝胶和封缝粉配合可用于粘结注浆嘴和封闭裂缝，其固化时间约为3 h，与混凝土粘结强度大于3 MPa，使用时重量配比如下：

粘嘴用浆：封缝胶：封缝粉=1∶1.5～2.5；

封闭用浆：封缝胶：封缝粉=1∶1～2。

裂缝处理包括：首先，注浆补缝：清除裂缝附近尘土、油污，测量裂缝宽度；确定注浆嘴位置，并预先贴上胶布；配制封缝用浆，封闭裂缝；揭去设嘴处胶布，以粘嘴用浆将注浆嘴跨缝粘牢；待粘嘴胶硬化后，重新在注浆嘴处及裂缝上补刷一次封缝用浆；配制注缝用浆；用补缝器注浆；铲去注浆嘴和封缝材料，清理裂缝表面。其次，封闭裂缝：清除裂缝附近混凝土表面粉尘、油污；孔洞和裂缝处预先补平；用水湿润混凝土表面；配制底层聚合物水泥浆；用聚合物水泥浆涂刷底层；配制主层聚合物水泥浆；用聚合物水泥浆涂刷主层。

对桥梁裂缝进行处理的基本原则是：宽度不小于0.15mm的裂缝，采用注浆补缝办法；宽度小于0.15mm的裂缝，采用直接封闭方法。

（4）贴碳纤维布

贴碳纤维布前，首先清除被加固混凝土表面酥松部分至露出混凝土结构层，若有裂缝先行修补，然后使用修补材料将表面修复平整，粘贴部位的混凝土要除去浮浆层及油污杂质，并打磨平整，直至露出集料新面，且表面平整度应达到5mm/m，使用钢尺和三角板进行量测。构件转角要打磨成圆角，半径不小于20mm。打磨后彻底清除粉尘。

本工程第一联为曲线梁，采用分段搭接粘贴，碳纤维呈折线型式顺应梁体的外形。本工程第二、三联为直线梁，采用整跨整布粘贴技术，即将碳纤维片预先裁剪，将整块布移至待贴部位，全部展开，先从跨中贴附，其它部位用人工托起，从中间往两端逐渐赶压，直至全部贴附完成，然后充分赶压消泡。此方法粘贴碳纤维在保证质量的前提下可提高功效。贴碳纤维布的关键工序见图6。

深圳地区属于亚热带暖湿性气候，碳纤维加固施工对温湿度要求极为严格，施工前应对粘贴部位混凝土表层含水率及所处环境温度进行测量，如混凝土表层含水率大于4%时使用强力吹风机进行除湿直至符合要求方可施工；如环境温度小于5℃或空气湿度大于85%时，停止施工。

（5）加固处理效果

为了检验加固效果及经过加固处治后能否满足设计要求和运营要求，对该桥进行了静动载试验及碳纤维拉拔试验，试验结果表明：经过加固后，梁体受力情况良好，碳纤维粘贴非常牢固。

4 体会

（1）碳纤维材料，从其力学性能上看，应力～应变关系曲线中无明显的屈服点或无塑性变形，是一种脆性材料。设计时应充分注意这一特性。采用碳纤维材料加固的混凝土结构按极限状态设计时，其破坏状态有两种可能，一种是碳纤维材料产生极限变形，另一种是受压区混凝土达到极限变形。因此，在计算设计断面的极限承载能力(极限弯矩)时，若混凝土发生弯曲受压破坏，假定结构仍保持平截面假定，求得碳纤维材料发生极限变形时的应变分布，据此推算极限承载力。此时，若碳纤维材料按多层配置时，可以从最外层的碳纤维开始，按逐层达到极限直至破坏考虑。

（2）为使碳纤维布与混凝土表面良好粘贴，真正做到共同参与受力，达到有效的提高结构承载力的目的，在粘贴碳纤维布时必须注意保证粘贴质量。为此要求：

a.在此期间停此桥面上的任何交通，直至施工完成36 h后再恢复交通。

b.当底漆固化后用腻子找平混凝土结构表面时，修平工作的好坏直接影响加固的整体效果，如果被粘贴混凝土表面凹凸不平，将会造成碳纤维布受力不昀，严重时可能造成应力集中，因此，应予以高度重视，认真做好找平这道工序。

c.粘贴碳纤维布时，搭接长度和位置非常重要，受力方向的搭接长度应大于10 cm，非受力方向，理论可以不搭接，但实际施工时为了控制的需要，一般要求有2～5 cm的搭接长度，同时不宜在同一断面设置搭接接头。