據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2001年底，我國(guó)20年前修建橋梁13萬(wàn)座，30年以前修建的橋梁11.4萬(wàn)座，當(dāng)時(shí)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)都很低，而都又服役二、三十年，特別是大噸位車輛的發(fā)展，有很多橋梁已經(jīng)不適應(yīng)要求，只能限載通過(guò)。雖然已經(jīng)有一部分舊橋得到了加固補(bǔ)強(qiáng)，但仍有很大一部分仍在使用。由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)狀況和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后，不可能投入更多的資金對(duì)舊橋梁進(jìn)行重建，因此必須通過(guò)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的辦法對(duì)舊橋梁進(jìn)行改造，使其達(dá)到使用要求。

目前我國(guó)已經(jīng)積累了豐富的舊橋加固經(jīng)驗(yàn)，總的說(shuō)來(lái)大致有以下幾種方法：加大截面加固法、外包型鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼板加固法、玻璃鋼加固法、噴射混凝土加固法等。各種加固方法都有其優(yōu)點(diǎn)，都得到了較好的實(shí)踐運(yùn)用。

近年來(lái)，纖維類材料在土木工程中的運(yùn)用一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。隨著材料科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出來(lái)了許多高科技纖維材料。在所有的纖維材料中，碳纖維是迄今為止用于土木工程領(lǐng)域最早、技術(shù)最成熟，也是運(yùn)用數(shù)量最大的一種高科技材料。隨著碳纖維材料被應(yīng)用于建筑業(yè)，碳纖維加固技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。

本文簡(jiǎn)單地介紹了碳纖維的特點(diǎn)以及用其加固橋梁的技術(shù)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上介紹了用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固橋梁的應(yīng)用范圍，最后簡(jiǎn)要介紹了用碳纖維加固橋梁的施工要點(diǎn)，對(duì)于橋梁加固的發(fā)展和實(shí)際運(yùn)用具有一定的意義。

1　碳纖維的特點(diǎn)

碳纖維是以聚丙烯腈或者中間相瀝青纖維為原料經(jīng)過(guò)高溫碳化制成。用于混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的碳纖維種類較多，可以按不同的分類方法進(jìn)行劃分。按形狀分類，可分為：片材(包括布狀和板狀)；棒材；型材；短纖維。按力學(xué)性能可以分為：高模量纖維；高強(qiáng)度纖維和中等彈性模量纖維。

在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中，碳纖維中的布狀材料和棒材都運(yùn)用較多。碳纖維布的基本力學(xué)性能可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，目前有許多檢測(cè)方法，尚未形成統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。但總的講來(lái)，碳纖維布和碳纖維棒材有較高的拉伸強(qiáng)度，一般大于1800MPa；彈性模量較大，一般略大于鋼材的彈性模量，大于220GPa，一般在300GPa～640GPa之間。延伸率較小，不大于2%。其中碳纖維棒材的強(qiáng)度稍小于碳纖維布，而彈性模量則稍大。

在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)中，需要把碳纖維布和碳纖維棒材用有一定強(qiáng)度的粘結(jié)膠粘貼到混凝土上，使其和混凝土共同工作，以達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。

2　碳纖維加固橋梁的技術(shù)特點(diǎn)

由于碳纖維材料的強(qiáng)度和彈性模量都很高，在橋梁加固中，和其它的加固技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)勢(shì)：

ａ)高強(qiáng)高效　由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中，可以充分利用其高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)來(lái)提高橋梁或其構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達(dá)到高效加固的目的。

ｂ)耐腐蝕性及耐久性好　碳纖維材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而用碳纖維材料加固的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐腐蝕和耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學(xué)腐蝕問(wèn)題，特別是在腐蝕環(huán)境下進(jìn)行加固更有優(yōu)勢(shì)。

ｃ)不增加構(gòu)件的自重及體積　碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，經(jīng)加固修補(bǔ)的構(gòu)件，基本上不增加結(jié)構(gòu)的自重和尺寸，也不會(huì)減少建筑物的使用空間。這對(duì)于橋下要求通航或者有通行要求的舊橋進(jìn)行加固特別重要。

ｄ)適用面廣　由于碳纖維布是一種柔性材料，可以任意地裁剪，所以這種加固技術(shù)可以廣泛地運(yùn)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位，且不改變結(jié)構(gòu)形狀、不影響結(jié)構(gòu)外觀。對(duì)于橋梁的墩臺(tái)、梁板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件都能夠順利的進(jìn)行加固。

ｅ)便于施工　將碳纖維材料用于加固混凝土橋梁，在施工時(shí)不需要大型的機(jī)械設(shè)備，占用施工場(chǎng)地少，沒(méi)有濕作業(yè)，工效極高。

用碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)有十分顯著的優(yōu)點(diǎn)，然而用碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)的造價(jià)較高，建議在補(bǔ)強(qiáng)加固橋梁時(shí)和其它的加固方法進(jìn)行綜合對(duì)比、選擇。

3　碳纖維布加固橋梁時(shí)的運(yùn)用范圍

上面談到用碳纖維布可以對(duì)各種構(gòu)件進(jìn)行加固，具體到橋梁加固中，它主要的可以對(duì)承受彎矩和剪力的構(gòu)件的正截面承載力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)斜截面承載力進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)截面的承剪進(jìn)行加強(qiáng)；另外，用碳纖維布還可以對(duì)受壓構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。簡(jiǎn)單介紹一下。

3.1　正截面承載力加強(qiáng)

用碳纖維布加強(qiáng)受彎構(gòu)件的正截面承載力時(shí)，一般采用如圖1所示的粘貼方法。

圖1　碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)正截面 1—鋼筋；2—粘貼碳纖維布

具體的，在梁的底部粘貼一層或者數(shù)層碳纖維布，其截面形式可做成圖1ｂ的形式。如有可能，碳纖維布應(yīng)該粘貼成如圖的Ｕ型截面，這種截面正截面的承載力提高更大。粘貼層數(shù)可以參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》的正截面承載力的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算定量。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，仍然采用平截面假設(shè)，適當(dāng)考慮碳纖維布強(qiáng)度的折減(一般碳纖維的強(qiáng)度不能夠完全發(fā)揮[2])，建議一般取其強(qiáng)度的60%為宜。

3.2　斜截面抗彎和截面承剪加強(qiáng)

用碳纖維布對(duì)斜截面抗彎加固、或者用以提高截面的抗剪能力時(shí)，一般可采用圖2所示的粘貼方式。

一般，把碳纖維布剪成條狀，粘貼在梁的側(cè)面，粘貼方向最好和梁體內(nèi)的主拉應(yīng)力跡線相一致，這樣碳纖維布能夠充分發(fā)揮其抗拉效能，阻止混凝土的開裂，進(jìn)而也可以提高梁的抗剪能力。

計(jì)算時(shí)，仍可以參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》中對(duì)于彎起鋼筋的抗彎和抗剪的考慮方式來(lái)考慮碳纖維布的作用，進(jìn)而確定碳纖維布的用量。

圖2　碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)斜截面抗彎以及截面抗剪能力 1—碳纖維布

3.3　受壓構(gòu)件的加固

用碳纖維對(duì)受壓的混凝土柱進(jìn)行加強(qiáng)時(shí)，一般可以用如圖3所示的粘貼方法。

在加固后的受壓混凝土桿件中，碳纖維的作用類似于混凝土柱中箍筋的作用，因此計(jì)算時(shí)仍可以參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》中對(duì)于箍筋的處理方法，對(duì)碳纖維布的作用進(jìn)行量化，以確定粘貼的層數(shù)。另外，柱體可以全部用碳纖維包裹，也可以部分包裹，初期的研究證明部分包裹可能更具優(yōu)勢(shì)，如圖3的立面圖所示。

圖3　混凝土受壓構(gòu)件的加固 1—粘貼的碳纖維布；2—混凝土柱體

用碳纖維布加固的混凝土柱不僅能夠提高承載力，而且能夠提高混凝土柱的延性[2]。因此，對(duì)處于地震活動(dòng)較為頻繁地區(qū)的橋梁墩臺(tái)進(jìn)行加固時(shí)，用它更具優(yōu)勢(shì)。

4　碳纖維布加固的施工要點(diǎn)

用碳纖維布加固橋梁時(shí)，應(yīng)該按照以下步驟進(jìn)行，并注意每一步的關(guān)鍵。

ａ)施工準(zhǔn)備　充分分析、研究加固的橋梁或其構(gòu)件的特點(diǎn)，并對(duì)使用的材料、配套樹脂、機(jī)具做好準(zhǔn)備工作。

ｂ)原結(jié)構(gòu)混凝土基面處理　對(duì)粘貼的混凝土基面進(jìn)行打磨處理。如果在潮濕環(huán)境，應(yīng)該對(duì)表面進(jìn)行干燥處理；應(yīng)該清除表面的浮灰；應(yīng)該把轉(zhuǎn)角打磨成圓弧狀；混凝土表面如有裂紋，應(yīng)該首先封閉裂紋。表面處理關(guān)系到粘貼的效果，是碳纖維布能否和原結(jié)構(gòu)共同工作的關(guān)鍵，應(yīng)該予以足夠重視。

ｃ)刷底層樹脂　底層樹脂的作用是保證碳纖維布和混凝土構(gòu)件有足夠的粘結(jié)，以使它們共同工作；底層樹脂應(yīng)該均勻、全面，避免厚度不一和局部漏刷。

ｄ)粘貼碳纖維布　用浸潤(rùn)樹脂把碳纖維布粘貼平順，擠出其中的氣泡。如果為多層，重復(fù)前面步驟——再貼纖維布、再擠出氣泡，最后覆上聚酯薄膜。

ｅ)粘貼的碳纖維布的表面處理　待樹脂固化后，根據(jù)需要可以在碳纖維布的外面刷一層防曬漆或者防火漆，以減緩樹脂的老化、或者增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防火性。

5　碳纖維棒材加固橋梁結(jié)構(gòu)的一般方法

碳纖維棒材對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，由于受到自身幾何形狀的影響，它主要的用于對(duì)受彎構(gòu)件的正截面承載力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)斜截面承載力進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)截面的承剪進(jìn)行加強(qiáng)。下面將碳纖維棒材加固橋梁結(jié)構(gòu)的一般方法簡(jiǎn)單介紹如下：

5.1　正截面承載力加強(qiáng)

用碳纖維棒材加強(qiáng)受彎構(gòu)件的正截面承載力時(shí)，一般采用植筋的方法。

當(dāng)受彎構(gòu)件的正截面抗彎能力不能滿足需要而采用碳纖維棒材加固時(shí)，首先鑿除梁底的混凝土或者在梁底混凝土中鑿出縱向的溝槽，將碳纖維棒材綁扎在結(jié)構(gòu)原有的縱向主拉鋼筋上，或者錨固在鑿出的溝槽中，然后澆注環(huán)氧混凝土，封閉碳纖維棒材并使其和原有的混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)成整體。待環(huán)氧樹脂固化后，結(jié)構(gòu)加固工作就完成了。

碳纖維棒材的用量可以參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》的正截面承載力的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算定量。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，仍然采用平截面假設(shè)，適當(dāng)考慮碳纖維棒材強(qiáng)度的折減，另外注意選用和混凝土彈性模量和溫變系數(shù)相當(dāng)?shù)沫h(huán)氧混凝土，以避免環(huán)氧混凝土在工作中由于受力或者溫變因素和原結(jié)構(gòu)脫離而達(dá)不到預(yù)期效果。

5.2　斜截面抗彎和截面承剪加強(qiáng)

用碳纖維棒材對(duì)斜截面抗彎加固、或者用以提高截面的抗剪能力時(shí)，一般也采用植筋方式。

加固時(shí)，可參照?qǐng)D2，在梁的側(cè)表面、和梁體內(nèi)的主拉應(yīng)力跡線一致的地方，鑿出溝槽(直接對(duì)抗剪加固時(shí)，溝槽也可和箍筋反向一致)，放入碳纖維棒材，然后運(yùn)用環(huán)氧樹脂混凝土封閉。加固后，碳纖維布棒材可發(fā)揮其抗拉效能，阻止混凝土的開裂，進(jìn)而也可以提高梁的斜截面抗彎能力和截面抗剪能力。

計(jì)算時(shí)，仍可以參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》中對(duì)于彎起鋼筋的抗彎利抗剪的考慮方式來(lái)考慮碳纖維的作用，進(jìn)而確定碳纖維棒材的用量，同時(shí)也應(yīng)該注意環(huán)氧混凝土的選擇。

6　結(jié)論

用碳纖維加固橋梁，無(wú)論采用片材或者棒材，均有受力明確、施工簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于橋梁中不同部位的受力構(gòu)件均可以方便地加固，是值得推廣運(yùn)用的一種新技術(shù)。建議有條件的地方結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究，以促進(jìn)舊橋加固技術(shù)的發(fā)展。