复合材料在桥梁工程中应用

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1、摘要：随着公路交通的日益拥挤繁忙，出现桥梁不堪重负，老化破损现象，严重影响道路畅通，原有的公路桥梁已远远不能适应交通大发展的需求。本文针对桥梁加固、方法原理探索和材料分析，阐明碳纤维材料在桥梁加固中的广泛应用的发展前景。1前言伴着我国经济实力逐渐增强，公路交通运输日益繁忙，特别近几年来，我国的交通事业迎来了新的高峰。但随着公路客货运输量及运输车辆轴载的不断增大，许多旧有的公路桥梁已严重不适应交通大发展的需要。据资料显示，许多干线公路桥梁长期处于超负荷状态，致使部分技术状况较差的桥梁不堪重负，发生老化、破损、裂缝等现象，成为

2、濒临坍塌的“危桥”，严重影响道路畅通。据估计，我国公路桥梁约1/3处于3、4类的状况。此外，属荷载标准低、桥面宽度窄、不能满足通行要求的桥梁约占总长15%。所以对现有桥梁进行技术改造，使之能适应现阶段运营状况，已成为缓解空通发展与现有公路桥梁状况矛盾的主要措施。研究表明，桥梁加固费用一般约为新建桥梁费用的10~20%，双曲拱桥加固改造费用约为新建桥梁费用的20~40%，经济和社会效益非常显著，且有工期短、施工条件便利、维持原桥貌等优势。因此，加强对现有桥梁破损情况进行调查、分析、研究，采取相应的维修、加固措施进行加固，对我

3、国公路运输的发展有重大意义。2桥梁加固旧桥加固是指自桥梁建成后，产生桥梁的维修、改造和需求，针对已经变旧的桥梁所发生的不能满足继续使用的状况进行处理，但在旧桥加固过程中存在几个问题：①通车的桥梁因有现实的交通需要，必须在不中断交通的情况下进行加固，所以加固时有交通干扰；②加固一般必须在原有结构上进行，只能在此基础上做文章，所以存在结构形式限制；③使新老结构完美结合是一个难题，包括新老结构体系的变化和过渡。因为凡是需要加固的桥梁多半是危桥，结构均处在不利状态，所以对旧桥加固从各个角度看都是个巨大的挑战。碳纤维又称增强复合材料

4、（CarbonFiberRein-forcedPlastic，简称CFRP)，是一种纤维复合材料(FRP)。纤维复合材料是由基体材料和增强材料（如碳纤维）等两种以上组合材料在宏观上组成，由于其强度高、比刚度大、抗疲劳性、减振性、耐腐蚀性能好，逐渐受到现代建筑设施的重用。碳纤维根据原料、制造方法的不同，有PAN（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。按其出厂形状可分为片材（布材和板材）、棒材（无肋棒材、有肋棒材、集束棒材）、

5、型材（网格形、矩形、工形、层压形、蜂窝形）和特殊构造用材料等。目前我国结构加固修复中采用的主要是片材，表1所示为市场上常用的碳纤维材料性能技术指标比较。 我国从1997年开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构的技术进行研究，主要有梁、柱、板等构件用碳纤维加固的作用效果和机理，以及节点、构造连续、耐久性、FRP应用等方面。在材料生产方面，目前国内有少量碳纤维生产，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和性能指标的环氧树脂，如

6、修补树脂用于填补不平，和混凝土结合有很高的粘结强度。3加固方法比较目前国内外常用的结构加固方法有粘贴钢板加固法、增大断面加固法、体外预应力加固法及碳纤维加固法等。3.1粘贴钢板加固法该法与碳纤维加固法相类似，主要采用双组环氧树脂粘结剂把钢板或其他钢制件粘结在混凝土表面，并构成一个混凝土、粘结剂及钢板三相复合物系统。让钢板部分替代钢筋的作用，从而提高结构的承载力。该法有施工简便快速、对结构整体尺寸的改变极小、对原结构破坏小等优点。因此，当钢筋混凝土构件的承载力不足或因变形、裂缝影响结构正常使用时，就可通过结构胶将钢板粘贴到钢

7、筋混凝土构件外部恰当位置来满足其承载力和正常使用要求。然而，由于抗剪加固需要牢固的锚固措施易对混凝土结构产生破坏作用。另外，由于钢板本身的刚度较大，混凝土表面平整度对加固效果影响较大，混凝土表面严重的不平整会导致钢板与混凝土有效粘结面积减少，从而影响加固效果。3.2增大断面加固法该法是在己有梁上补浇混凝土，增加构件的断面面积，以提高桥梁的承载能力，其成败关键是新老混凝土的结合问题。因此务必作好新老混凝土的结合处理，确保其结合良好。由于新浇混凝土为二次受力构件，所以结合面应力状态复杂。此外，其加固周期长而影响桥面交通，且梁底

8、部和侧面浇筑比较困难。3.3体外预应力加固法该法是借助所施加的预应力以减少构件产生的拉应力。一般采用无粘结预应力混凝土技术做加固。其优点是不但能提高结构承载力，也能明显改善构件的抗裂性能，缺点是预应力加固构件是二次受力构件，存在应力超前和应变滞后现象。原构件预应力作用产生的压缩变形对控制张拉量的计算影响