韦水倒虹管桥大梁加固工程

韦水倒虹管桥大梁加固工程
, f; l. u& ?3 j' L: c8 Q
　　
+ T* C6 F6 W* q6 j- L碳纤维布加固技术在韦水倒虹管桥大梁加固工程中的应用 2005年 张红

$ R2 P" I( l$ \摘要：韦水倒虹管桥建成运行已40年，经检测发现除混凝土强度、弹模提高外，大梁上还产生了裂缝。文章以碳纤维布加固技术在韦水倒虹管桥大梁加固中的应用为实例，较详细的介绍了碳纤维布的特性以及加固技术，并通过材料及加固补强受力分析，探讨了粘碳纤维布来弥补钢筋混凝土强度不足的新技术，总结了施工中应注意的问题。
% k0 b; e! ~  D8 k' S; m关键词：钢筋混凝土 大梁 加固技术 碳纤维布

1.工程概况 宝鸡峡灌区是陕西省第一大灌区，工程始建于1958年，1971年7月建成通水。韦水倒虹工程是宝鸡峡灌区塬上总干渠跨越韦水河谷的一座大型输水建筑物，建成时号称亚洲第一倒虹，运行30余年来，累计向下游输水110多亿立方m。韦水倒虹工程由压力管道、进出口、管桥和退水等部分组成。韦水倒虹管桥长112m，为七孔四跨的等弯矩双悬臂梁式钢筋混凝土结构，大梁混凝土当初设计标号为140#。管桥1962年建成运行已40年，2001年9月经陕西省水利工程质量检测中心站对管桥检测后发现，大梁外观基本完好，在大梁与桥墩连接部位梁上产生了呈垂直向的裂缝。管桥各部位混凝土抗压强度及弹性模量较原设计值都有所提高。大梁混凝土的最大碳化深度为62mm，平均碳化深度为49mm，已超出大梁钢筋保护层设计厚度，内部钢筋存在锈蚀威胁；另外，按现行规范复核，大梁实际配筋量比设计要求量少20%左右。鉴于以上情况，决定对管桥大梁实施加固处理。
1 h- u/ D" C+ o7 X3 G( b5 ?" _ 2.加固方案的选择 加固技术的发展与材料的发展密切相关，而对混凝土梁的加固已从最初单一加大截面法逐步向聚合物混凝土修补、外包钢加固、预应力加固、粘碳纤维布加固等多种方法过渡发展。 韦水倒虹管桥同时承重着两条输水管道，加固时要求管桥依然承担着一条管道的输水任务，因此要求在保证加固质量的基础上既不能影响到正常输水，又能方便施工，为此通过多方案论证比较，最后集中在外包钢板和粘碳纤维布两种方案上。最终又因粘碳纤维布方案具有：强度高、重量轻、耐腐蚀，有良好的粘合性、施工方便不影响正常输水、对原结构不产生新的损伤、能有效的封闭混凝土的裂缝、不影响外观结构、不增加原构件断面尺寸等优点而被采用。
6 O1 N, P3 J9 e$ X( N4 T% [+ A3.碳纤维布材料特点 普通碳纤维是聚丙烯晴或中间相沥青纤维为原料经高温碳化制成的，其应力应变量完全线弹性，不存在屈服点和塑性区。加固混凝土构件所用的碳纤维布很薄，是由大量受力主方向纤维和少量垂直受力主方向纤维相互编制形成的。碳纤维布最早主要应用于航空、航天等领域，近几年来已被广泛应用于民用建筑中。本工程所用的碳纤维布由南京彤天科技实业有限责任公司生产，是一种黑色半刚性片材，规格为CFW300，每平方m重300g，名义厚度0.167mm，经国家玻璃纤维产品质量监督站检测中心测试，抗拉强度4070MPa，相当于Ⅰ级钢筋强度的17倍，远超过设计抗拉强度3000 MPa的要求。
# h! L5 G5 Q2 [! g 4.碳纤维布用的粘结材料 粘碳纤维布加固质量的好坏与粘结材料有着直接关系，因此要求粘结材料固化后具有极高的强度和韧性，在确保碳纤维与混凝土之间力的传递的同时，又不会产生粘结材料的脆性破坏。本工程使用的粘结材料是WSX高分子聚合物，由A、Ｂ两种组分组成，使用时需将A、Ｂ两种组分按４∶１的质量在一定的条件下混合并搅拌均匀后方可使用。粘结材料固化时间为24h，一次配好的材料必须在2h内使用完。经固化后的粘结材料剪切强度、抗拉强度、抗压强度分别可达到11.9MPa、33MPa 、91.3MPa。
. V4 V7 G" t" g" p* o  z8 p* X 5.碳纤维布加固补强受力分析 由于碳纤维布具有很高的抗拉强度，通过高强粘结剂与大梁粘结形成整体，达到与原结构共同受力的目的。加固时将碳纤维布受力主向与梁的受力主向保持一致，并在两端分别设置锚固，以便约束混凝土表面裂缝，防止扩展，从而达到提高构件抗弯刚度，减少构件挠度，改善梁体受力状态。碳纤维布加固的混凝土构件，在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态。当纤维布用量过多时，构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎破坏，与此同时，由于碳纤维为完全弹性的材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响，构件的延性将有所降低，因此，一般应按碳纤维抗拉强度的三分之二进行抗弯承载力计算。在进行受力分析时，一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准近似换算成一定用量的钢筋，然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析计算，虽是近似计算，但理论分析结果与实验数据吻合得很好。如韦水倒虹管桥大梁底部粘一层３００ｇ／ｍ２的碳纤维布，亦相当于在管桥大梁底新增５φ１８的钢筋。
6.碳纤维布施工工艺
$ C3 b+ W5 t$ \. ~  _: Z) d' T 6.1施工材料及主要机具 所用材料有：ＷＳＸ粘结胶、碳纤维布。所用机具有：角磨机、吹风机、调胶容器、台秤等。
6.2作业条件 施工应在５℃以上环境温度条件下进行。如果环境温度低于５℃，应使用适于低温的特殊胶种或采用其它加温处理措施。如温度低于０℃暂停施工。
6.3操作工艺 6.3.1工艺流程 表面处理——涂底胶——粘碳纤维——涂面胶——外表面处理 6.3.2结构表面处理 ①混凝土外表层出现剥落、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予凿除。对于较大面积的劣质层在凿除后应用聚合物水泥砂浆进行修复。 ②混凝土表面采用角磨机打磨，除去表面浮浆、油污等杂质，直至完全露出新面。打磨应平整，要求表面无明显的凹凸现象，尤其是表面的凹凸起部位要磨平。 转角处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（10mm≤圆弧半径R≤20mm）。 ③用无油压缩空气吹除粉尘，并用丙酮或无水酒精擦拭，使得表面干净并保持干燥。 ④混凝土表面若凹凸不平，用修补材料填平；模板接头处等出现高差的部位应用修补材料填补，尽量减少高度差。 6.3.3涂刷底层ＷＳＸ胶 ①涂刷底层ＷＳＸ胶为Ａ、Ｂ两组份。使用前按产品使用说明规定的比例先后置于容器中，用电动搅拌器均匀搅拌，直至胶的色泽均匀，完全无色差。搅拌容器内不得有油污，应避免任何杂质进入容器。 ②用滚筒刷或毛刷均匀涂抹于混凝土表面，胶层厚度应满足设计要求。等胶体表面指触干燥后，再进行下一步施工。 ③宜根据现场实际气温决定树脂的用量并严格控制使用时间。 6.3.4碳纤维布粘贴 ①按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，尽量避免搭接，如若搭接，则碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得少于150ｍｍ。 ②调制ＷＳＸ胶（方法同底层ＷＳＸ胶）。然后均匀涂抹于所要粘贴的部位，胶层厚度应满足实际要求。搭接、拐角等部位要多涂抹一遍。 ③粘贴碳纤维布，用特制滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，并使粘贴用粘结剂充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤。待纤维表面指触干燥后方可进行下层粘贴。 6.3.5涂面胶 在碳纤维布的表面仍涂抹ＷＳＸ胶，要求涂刷均匀，不得有漏涂。 6.3.6外表面处理 ①在碳纤维布涂面胶未干时撒上黄砂，以增加水泥砂浆粉面时的粘结强度（即增加粗度）。 ②最后用2ｃｍ厚的水泥砂浆将碳纤维布保护。
/ Q& b- o9 m7 M2 B1 a7 K 6.4施工中的安全与保护 6.4.1裁剪及使用碳纤维布时应注意远离电源，尤其是高压电线及输电线路。 6.4.2碳纤维布配套胶的原料应密封贮存，远离火源，避免阳光直接照射。 6.4.3胶的配制和使用场所，必须保持通风良好。 6.4.4现场施工人员应穿工作服，同时还须戴口罩和手套，严禁施工现场吸烟。 6.4.5施工现场应配备必要的灭火器以备救护。
6.5工程质量验收 目前关于碳纤维布加固工程的现场质量检验还没有非常完善的方法。对于韦水倒虹主要以检查碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，具体做法是用小锤轻轻敲击或手压碳纤维布表面来判断粘结效果，如出现空鼓等不密实的现象应采用针管注胶的方法进行补救，有效粘结面积小于90%，判定粘结无效，需拆除重新施工。对于碳纤维布粘贴面积大于1000m２以上的工程或特别重要的结构，为检验其加固效应应与甲方协商进行现场荷载试验，其结构的强度和刚度等各项指标均应满足国家规范规定的设计及使用要求。
7.结 语 韦水倒虹管桥大梁底部粘碳纤维布加固共240 m２，在建成满荷载试水的检测中，管桥16米大梁跨中挠度仅1．06毫米，加固效果良好。2003年7月29日，全国灌区续建配套与节水改造项目会议的专家和代表对此项加固新材料、新技术和取得的社会经济效益给予了充分的肯定和高度的赞扬。 碳纤维布所具有的强度高、重量轻、耐腐蚀等优异的物理力学性能，以及良好的粘合性和广泛的适用性，在未来必将使碳纤维布加固技术取代其他砼加固技术成为建筑上加固受弯砼构件的流行新技术，在水利工程、桥梁、房屋建筑等维修改造、加固中将大有可用之处。

参考文献：
１．谌润水　胡钊芳　帅长斌　公路旧桥加固技术与实例[M]　人民交通出版社　２００１年１０月
& i7 e7 G/ z" L1 C: l/ N: g２．李盛彪　黄世强　王石泉　胶粘剂选用与粘接技术[M]　化学工业出版社　２００２年５月
* F% Y) d1 B" j% y2 ?* p３．吴人洁　高聚物的表面与界面　科学出版社[M]１９９８年
４．高作平　陈明祥　混凝土结构粘接加固技术新进展　中国水利水电出版社[M]　１９９９年
3 Q5 ]) b. a; S( B2 }) w1 j５．中国工程建设标准化协会标准　混凝土结构加固技术规范（CECS:90） 中国计划出版社[M] 2005-12-25

6 |# W: r1 x# o2 f- V% ^( `[ 本帖最后由 anhui_ts 于 2007-4-16 14:01 编辑 ]