碳纤维板材加固技术在桥梁工程中应用概述

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1、碳纤维板材加固技术在桥梁工程中应用概述　　摘要：本文介绍了碳纤维板材的力学特性及加固机理，概述了碳纤维板材加固技术的应用及研究现状，并总结了该技术的研究方向，希望对其在桥梁加固工程中的广泛应用有所裨益。关键词：碳纤维板材；桥梁加固；力学特性中图分类号：U445文献标识码：A1.前言随着我国经济实力的不断增强以及人民生活水平的不断提高，现有的交通基础设施已经难以满足巨大的人口基数以及日益繁荣的社会生产经济活动的需求。国家在交通基础设施建设上投入了巨大的资源，大量的公路、桥梁、铁路、城市轨道交通等正以前所未有的速度进行建设，城市化与交通网络化进程的发展速度正在不断加快

2、。7而越来越多的桥梁得到建设的同时，大量建于较早时期的旧桥其养护维修加固的工作正日益繁重。环境的侵蚀、材料的日益老化、车辆荷载的提高以及超限车辆的普遍存在均造成许多旧桥无法满足安全运营的需要。为了合理的分配有限的公路建设资金，节省国家交通建设资源，挖掘在役旧桥的承载潜力，研究开发新型的桥梁加固技术及材料，并在病危旧桥的加固工程中合理的加以应用，恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交通运输的需要，是切合我国当前国情的必然选择。2.纤维板材介绍高性能纤维增强复合材料(FRP)加固修复混凝土结构是20世纪80年代末在美、日等发达国家兴起的

3、一项新技术，随着不同FRP产品的出现和发展，FRP板材以其高强、高弹性模量、轻质、高耐久性等优异的力学性能，越来越受到结构工程界的广泛关注。FRP板材是由增强材料和基体构成，目前结构工程中常用的FRP板材主要是树脂基体的碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）、无碱或耐碱玻璃纤维（GFRP）以及玄武岩纤维(BFRP)。各种纤维材料力学性能参数变化范围很大，因此在工程中有很大的灵活性和可设计性。⑴碳纤维(CF)碳纤维存在某些固有的缺陷，如抗冲击强度和抗剪切强度低，导电，会产生电磁干扰等，应用范围受到一定限制。但因其具有高强度、高模量、施工简便等优异的力学性能，是FR

4、P的首选材料，已被广泛应用于建筑结构加固中。中国碳纤维的年消耗量为4200t，约占世界总产量的25%，其中增长速度最快、最有发展潜力的就是碳纤维增强复合材料(CFRP)。7⑵对位芳纶(AF)对位芳纶具有高强度、高模量、低延伸、电绝缘、抗震性好、柔软、施工简便等优良性能，在许多方面与CF具有互补性，是一种重要的FRP用材。AF可以单独使用，也可与CF、GF等混用。国外AFRP的用途相当广泛，日本有关厂商和大型建筑公司还专门成立了一个“芳纶补强研究会”。但是，中国AFRP在结构加固方面的应用尚处于起步阶级，研究较少。⑶玻璃纤维(GF)可用作FRP的玻璃纤维包括无碱GF

5、和耐碱GF。GF的抗拉强度为3000MPa，延伸率较低，价格便宜，但弹性模量仅60GPa，耐碱性差，易受盐腐蚀，施工操作性较差，因此，应用范围受到较大限制，通常用于对补强要求相对较低的场合。⑷玄武岩纤维(BF)玄武岩纤维是一种以玄武岩为原料，经高温熔融拉丝而制得的新型矿物纤维。BF的强度和模量较高，且与混凝土有天然的相容性，其价格界于AF和GF之间。但因其原料取自天然的玄武岩，产品性能分散性较大，目前尚处于试验阶段。3.碳纤维板材力学特性及加固机理（1）碳纤维板材力学特性7CFRP板材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

6、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10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。高强度碳纤维板材的抗拉强度达到3400Mpa～4000Mpa，弹性模量有2.35×105Mpa~3.8×105Mpa等几种，与钢筋相近或略高，因此，有很好的与钢筋共同工作的性能。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，保证不产生界面的粘结剥离。（2）碳纤维板材加固机理采

7、用碳纤维板材粘贴加固，一般是粘贴在梁底受拉区，以提高截面的抗弯承载力，这时碳纤维板的作用类似于梁底受拉钢筋。碳纤维板和混凝土梁通过粘结层传递剪应力(锚固剪应力)和粘结正应力(剥离正应力)，以达到共同工作的目的。然而，在碳纤维板端部处往往产生较大的锚固剪应力和剥离正应力，因此，其常见的破坏模式主要有三种：①受压区混凝土被压坏相当于混凝土适筋梁破坏梁体所具有的良好延性：②混凝土粘结面剪切破坏，即在碳纤维板端部应力作用下由于粘结层的剥离强度较低导致碳纤维板剥落；7③混凝土保护层剥落破坏，这是由于端部混凝土保护层被拉裂产生竖向裂缝，当裂缝延伸到纵向钢筋后，又沿钢筋产生水平

8、向的剥离裂