桥梁结构加固原理单向碳纤维片材

现有的旧桥上部结构加固技术和方法主要有扩大截面法、外钢法、喷射混凝土法、附加支点加固法、粘钢加固法、预应力加固技术或改变桥梁横向分配系数的方法等。这些方法各有其优点和优势，但大多数施工都比较复杂，也存在一些不足。

外贴碳纤维增强塑料片材(CFRP)是近20年来国外发展起来的一种加固技术。其原理与钢板加固相似，即将拉伸材料粘贴在结构的拉伸侧，与结构共同受力，加固钢筋。碳纤维增强塑料(CFRP)又称碳纤维增强聚合物(CFRP)，是一种由碳纤维和基体树脂组成的新型复合材料。碳纤维是一种含碳量在90%以上的纤维碳材料。为了提高碳纤维与基体的亲和力，需要对纤维本身进行表面处理，形成与基体反应的活性基团。由于碳元素在高温(3800 K升华)下不能熔化，在各种溶剂中不溶于。因此，目前还不可能用简单的碳物质来制造碳纤维。高相对分子质量有机纤维的固相炭化或低分子量碳氢化合物的气相热解可制得碳纤维。目前，碳纤维主要由聚丙烯腈(PAN)或中间相沥青(MPP)纤维经高温炭化而成，具有极高的拉伸强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5μm~8μm之间。它由大量的碳纤维单丝组成，形成工程用碳纤维材料。

所述基体树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂等，可在固化剂的作用下交联固化，使纤维材料与树脂结合在一起，显示出复合材料优异的性能。目前，碳纤维用的基体树脂主要是环氧树脂，因为碳纤维增强塑料用于土木工程加固的首要考虑因素是树脂的强度、施工人员的安全与健康以及施工环境本身。环氧树脂具有强度高、伸长率高、刺激性低、无挥发性溶剂等优点，已成为碳纤维增强塑料增强结构中基体材料的主流。改性环氧树脂，其功能是将分散的碳纤维单丝连接起来，使其受力，发挥整体强度。

单向碳纤维布加固梁的特点

1)优良的耐腐蚀和耐候性

在土木工程领域中，碳纤维增强塑料作为钢的替代品，最直接的原因是它具有钢无法比拟的耐蚀性和耐候性。桥梁结构中钢筋锈蚀是桥梁最严重的病害之一。根据美国公路战略研究项目的报告，1986年美国因锈蚀造成的桥梁损坏修复费用达到200亿美元，这一费用仍在以每年5亿美元的速度增长。钢筋腐蚀一般是电化学腐蚀。当氯离子侵入、混凝土环境碱度、拉伸开裂等因素导致钢筋表面钝化状态完全或部分破坏时，钢筋表面不同部位出现较大的电位差，形成阳极和阴极。在某些情况下(如氧气和水的存在)，钢筋会腐蚀，从而降低结构的承载力。研究结果表明，在弱酸性环境下，经过10,000次冻融循环、干湿交替、一定的光照时间和70°C热水浸泡30天后，碳纤维的耐久性、耐蚀性和抗老化性能没有降低，疲劳强度仍保持在80%左右。碳纤维基体环氧树脂在正常使用温度下，在pH 3~L3范围内具有良好的稳定性。另外，当加速老化时间为10000 h(约相当于在大气中实际暴露35年以上)时，匹配基体树脂的粘接强度保持不变，具有良好的耐久性。可见碳纤维增强塑料具有优良的耐蚀性，因此在短时间内已成为最具竞争力的钢材替代品。

2)工艺简单，施工方便，工作效率高。

碳纤维布加固桥梁结构无湿作业，无大型施工设备，无现场固定设施，施工空间小。常用的碳纤维是布材料和板材。布料是单向或双向织物.其宽度可达20 cm、30 cm、50 cm、100 cm，长度为50m/轮胎~100 m/辊。现场使用可根据需要使用剪刀或刀片。与钢板不同，不需要特殊的切削工具。据有关统计，粘贴加固法同样适用，粘贴碳纤维布法是粘贴钢施工效率的4~8倍。

3)现有缺陷

(1)延性不足；(2)弹性模量与强度之比过低；(3)环氧树脂层传递的剪切力有限。

上述缺陷在一定程度上限制了碳纤维增强塑料在加固领域的应用。由于结构不仅需要强度加固，而且还需要刚度加固，而碳纤维的材料性能决定了普通工艺无法进行的刚度加固，具有较好的经济效益。即使粘贴大量碳纤维增强塑料以提高结构刚度，由于环氧树脂的材料性能以及弯曲和剪切裂缝处的应力集中，也容易导致碳纤维增强塑料与混凝土之间的界面剥离破坏粘结。最终降低了加筋结构的可靠性。另外，由于碳纤维强度高，现有的碳纤维增强技术不能充分发挥其强度，制约了碳纤维增强塑料在加固领域的进一步应用和发展。

结语

单向碳纤维布加固技术是一种新型的加固技术，具有其它加固技术无法比拟的优异性能，在桥梁加固领域有着广阔的应用前景。虽然存在一定的缺陷，但只要合理使用，避免缺陷，仍然非常适合桥梁结构加固。单向碳纤维布加固技术在桥梁加固工程中的应用，可以极大地促进交通基础设施的建设。