碳纤维复合材料在桥梁加固中的设计应用研究

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总423期
2017年第9期（3月 下）

收稿日期：
2017-02-08

作者简介：
刘国庆，男，工程师，主要研究方向为公路工程。

碳纤维复合材料在桥梁加固中的设计
应用研究

刘国庆
（河北廊坊市广阳区交通运输局地方道路管理站，河北 廊坊 065000）

摘要：
由于现在运行服役的桥梁存在不同程度的疲劳受力状态，针对这一问题，通过旧桥加固改造工作实践，分析了桥梁疲

劳破坏的现象及原因，研究了使用新技术、新材料及新工艺的桥梁加固方法，提出了利用碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结
构的理论应用问题。
关键词：
碳纤维；复合材料；桥梁加固

中图分类号：U445.4 文献标识码：
B

0 引言
我国在八十年代以后建造的许多桥梁由于汽车轴载的
提升、交通渠化及超载等原因，导致现在运行服役的桥梁
存在不同程度的疲劳受力状态，常见现象有；裂缝（斜截
面裂缝和梁板纵向裂缝）、混凝土脱落（尤其混凝土强度
较低的部位混凝土与钢筋剥离）、挠度变形（纵向挠曲明
显）很明显，严重影响运输功能和存在交通安全隐患，桥
梁加固工作势在必行，旨在提高结构承载力与使用功能，
常见的传统加固方法有：采用增大结构截面与配筋加固；
补焊钢筋或粘贴钢板加固；体外预应力加固；碳纤维布粘
贴法加固等，但前3种技术方法施工复杂且工期较长具有限
制性，唯有粘贴碳纤维加固法相对简单，能够很好的提高
梁或板的抗弯能力，故提出设计理论与应用问题。

1 利用碳纤维加固桥梁结构的原理及力学特点
碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinfrced）简称
CFER，具有质量轻（钢筋的1/4）、高强度（普通钢材的

（7—9倍）、回弹模量高（2.5×10
5～5.5×105
MPa）、伸

长率低等独具的力学特点，由于线膨胀系数与钢筋基本相
同而材料体积用量少，使用该材料加固旧桥基本不增加结

构的恒重及最大截面几何尺寸，同时具备抗老化的特点不
用进行表面处理，施工方法简捷、工程造价低廉并且缩短
工期。
1.1 碳纤维加固材料的性能

碳纤维加固材料的性能见表1。
1.2 碳纤维材料加固钢筋混凝土结构的假定条件

（1）结构加固时不考虑混凝土的抗压强度，当截面变
形较小而达到承载能力状态时；受拉区混凝土开裂所承受
的拉力忽略不计。
（2）结构加固时剪应力可忽略不计，认为破坏截面的
剪力与抗压变形较很小，则不考虑剪力变形。
（3）碳纤维材料与混凝土变形相协调，由于两者材
料的线膨胀系数基本相同并具有较好的粘结力不滑移，
只有碳纤维与混凝土片材之间存在足够的粘结力时；两
者才能够工作，这是利用碳纤维材料加固混凝土结构的
理论前提。
（4）碳纤维材料为弹性材料，结构关系表达式为：
σcn=Ecnεcn，选用碳纤维片材的拉应变允许值不大于材
料本身极限拉应变的2/3～0.01之间，主要借鉴与钢筋的极
限应变值为0.01，而且粘贴碳纤维片材的位置应与原结构钢

表1 碳纤维加固材料的性参数表
碳纤维种类
力学性能
TXD-C—20TXD-M5—30FTS-C5—30FTS-C6—30FTS-C7—30

设计强度（N/mm
2
）≥ 3000≥3400300002500020000

回弹模量（N/mm
2）≥ 2.3×1053.0×1053.8×1055.0×1055.5×105

纤维密度（g/cm3）1.761.81.822.12.17
延伸率（%）≥ 1.4<0.8<0.81.820.143
设计厚度（mm）0.1160.1670.1650.1430.143
TRANSPOWORLD
交通世界
筋的合力作用点位置相吻合。
2 碳纤维材料加固钢筋混凝土结构的计算方法
（1）正应力计算：假设一根矩形截面的钢筋混凝土梁，横截面几何尺寸为b×h,跨径为L，活载作用下的跨中弯矩为Mp,拟在梁底粘贴碳纤维片的面积为Ace,依据结构力学原理则有以下方程成立：∑X=0 1/2bxσh=As fy+Afσf∑Mz=0 bx/2σh=（h-x/3）=M0∑MD=0 Afσf（（h-x/3）+As fy（h-x/3）=Mp（2）依据结构在弹性阶段的模量比的线性关系，可将碳纤维的面积等效的换算为普通钢筋的面积，若选用FTS-C6—30碳纤维片材，回弹模量为Ef=5.0×105（N/mm2），则换算的钢筋面积为：A=Ef /Eg Af =nAf =n×5.0×105/（2.1×105）Af =2.38Af， 依此重新计算钢筋合力作用的位置及有效高度h0′，对纤维的应力状态进行复合，基于碳纤维自身质量轻一般采用容许应力法，容许应力[σcf]可取K=1.3—1.5的的安全系数。（3）由混凝土受压区高度和纤维的应变产生的弯矩计算：M=a1·ƒc·b·x(h-x/2)- As·ƒy（h-h0）εf=[εcu(h-xn)/xn ]-εixn=x/0.8式中：M为包括初始弯矩的总弯矩设计值（KN·m）；a1为混凝土强度系数，取0.8—1.0；ƒcƒy为分别为混凝土轴心抗压强度和钢筋受拉强度设计值（MPa）；b、x分别为混凝土的截面宽度和受压区高度（㎝）；h、h0分别为加固构件的截面高度和有效高度（㎝）；xn为按平面假定的中性轴高度；As-为原结构中的抗拉钢筋面积；ƒtb为纤维布的设计应力；εf为由平面假定得到的混凝土边缘达到极限应变时，位于受拉边纤维布的应变系数；εcu-为混凝土的极限应变3.0×10-4，εfa为纤维布的允许应变系数，抗拉强度标准值除以纤维布的弹性模量；εi为粘贴纤维布之前初始弯矩下混凝土受拉边缘的拉应变。（4）受弯状态下的纤维布加固面积的计算：εf＜εfa时：Aƒ max ≤（a1·ƒc· b· x + – As·ƒy）/ Ef·εf；εf＞εfa时：Aƒ min≥（a1·ƒc· b· x + As′·ƒy′–As·ƒy）/ƒtb （5）梁、板斜截面受剪部位的加固计算：计算公式：Q≤Q1+Q2+Q3，Q3=Af·ƒf（Sina+Cosa）·hf /Sf；AAƒ =2n·t·wf；ƒƒ=Ef·εf。式中：Q为加固梁的剪力设计值（KN），Q1及 Q2为未加固梁的混凝土及钢筋分别承担的剪力（KN）按《公桥规》之规定计算；Q3为碳纤维布承担的剪力（KN）；Ef 为纤维布的回弹模量（MPa）；Aƒ为矩形截面纤维布的用量（㎝2）；ƒƒ为纤维布的抗弯设计应力（MPa）；a为纤维布方向与轴向的夹角（°）；hf为纤维布的粘贴高度（cm）；Sf为纤维布条状的中心距离（cm）；n为粘贴纤维布的层数；t为单层纤维布的厚度（㎜）；wf 为纤维布条状的宽度（㎝）；Ef为碳纤维布的回弹模量；εf为抗剪设计时纤维布的允许应变，封闭缠绕
时取0.004，U型粘贴时取0.0025，两侧粘贴时取0.002。

3 利用碳纤维加固桥梁的施工方法
3.1 粘贴位置及平面尺寸设计
（1）纤维片的宽度不应大于150㎜，厚度不应大于2.0
㎜，相邻纤维片的中心距离经计算确定，粘贴抵抗剪应力
的纤维片应与原始结构内的抗剪钢筋方向相一致，裁剪的
纤维材料应进行编号记录。
（2）对于受弯构件宜在受拉区沿轴向平直粘贴碳纤维
材料，在主纤维方向的断面端部进行锚固处理，按照设计
尺寸裁剪纤维复合材料形状，搭接长度不宜小于100㎜，同
时避开主要受拉区。
3.2 底面处理

（1）施工前修补结构裂缝，对于脱落的混凝土利用环
氧树脂砂浆进行填充刮平，结构表面凹凸不平的必须打磨
成绝对的平面，因关系到碳纤维片的拉应力影响问题。
（2）外转角粘贴位置应打磨成半径不小于25
㎜的圆弧
状态，内转角用环氧树脂砂浆修补成圆弧倒角，并除尘后
保持干燥。
3.3 涂刷底面胶

调制底面胶一次性涂抹在混凝土表面，避免漏刷、流
淌和气泡现象，待底面胶固化后检查胶面，如有毛刺必须
抹平，如有胶层被破坏的要重新涂刷，等完全固化后在进
行下道工序。
涂刷固化胶的下道工序时间不宜超过500个（温度×
小时），粘贴纤维复合材料的施工温度宜在5～35℃条件
下进行。
粘贴立面纤维片按照由上而下的顺序，使用滚筒工具
将纤维片从一端向另一端滚压，除去胶体与纤维片之间的
气泡。采用多层粘贴时，待前一层纤维片避免有触摸干燥
时，即可涂抹胶液进行粘贴下一层。

4 结论
旧桥加固的技术原理是利用原来结构所具备的抗弯
及抗剪能力，依据结构设计原理通过验算设计，采用新技
术、新材料对旧桥进行加固再利用，旨在提高旧桥结构的
承载力，采用碳纤维复合增强材料，对于矩形截面的加固
效果非常显著，在构件的表面进行粘贴补强，具有质量
轻、耐腐蚀、抗老化、操作简单、技术新颖与造价低廉等
独具的优越性，彰显较强的理论意义与经济意义。
（编辑：钱宇宁）