全国市政工程行业科技成果展示：纤维复合板材在桥梁维修加固中的应用研究

    “纤维复合板材在桥梁维修加固中的应用研究”项目于2012年4月立项，2015年3月完成，并通过了天津市高新技术成果转化中心组织的项目成果鉴定。项目研究由天津市交通科学研究院承担。该研究项目成果获2015年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖，其成果适用于各类公路及市政桥梁结构的维修与加固工程。

    项目研究技术原理

    随着国内桥梁建设事业蓬勃发展，在取得举世瞩目的成就的同时，由于施工质量及超载车辆等各种原因，部分桥梁的结构安全性能及耐久性能已经不能满足日益增长的交通需求。据统计，中国仅公路桥梁每年新增1万余座，2010年全国桥梁总数接近40万座，其中使用年限超过30年的将超过10万座，危桥将达到1.8～2.0万座。加上大量的立交桥和高架桥，届时，需要维修的桥梁总计将达到12万座，约占全国桥梁总量的30%。

    随着桥梁维修任务的增加，在既有桥梁的维修加固工作中对新材料新工艺的需求日益突出。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。

    “纤维复合板材在桥梁维修加固中的应用研究”课题旨在明确FRP板材对桥梁的加固效果，为FRP板材在桥梁维修加固工程的广泛应用提供理论依据。该项目研究所采用的技术原理主要有以下几方面：

    1）基于现役开裂预应力梁、钢筋混凝土梁的静载试验，研究采用碳纤维板加固后既有板梁的力学特性及破坏模式；基于有限元模拟分析，研究加固前后板梁的承载能力变化，验证静载试验数据的可靠性。通过前两项工作内容，研究碳纤维板材加固法对提高主梁承载力、抑制裂缝发展的作用，以验证碳纤维板材加固法对主梁的加固效果，为该加固方法在桥梁维修加固工程中的推广应用做理论支撑。

    2）研究碳纤维板加固技术的施工工艺及配套材料性能指标要求，规范碳纤维板材加固施工工艺。

    3）对国内常见的碳纤维板预应力张拉锚具体系进行对比分析，总结各自特点及锚固效果，为预应力碳纤维板在工程应用中的合理选择做指导。

后张预应力板梁梁底粘贴碳纤维板

    项目关键技术及创新点

    该项目研究的关键技术及创新点主要体现在以下几个方面。

    1）针对缩尺梁的静荷载试验不能准确模拟现役开裂主梁的真实受力情况等缺点，提出以现役开裂的主梁进行静载试验，通过分析粘贴碳纤维板材加固前后板梁的抗弯强度、刚度、裂缝开展情况、极限状态破坏模式等方面与其他加固方式加固板梁的不同，得到碳纤维复合板材、预应力碳纤维复合板材对主梁的加固效果。

    2）采用Midas-FEA有限元程序，对试验梁进行实体有限元建模分析，从强度、刚度、破坏模式等方面分析验证静载试验结果，从理论上验证碳纤维板材对主梁的加固效果。

    3）对粘贴碳纤维板施工工艺流程、预应力锚具形式、预应力张拉机制、施工时环境温湿度、等方面提出要求，规范碳纤维板材加固施工工艺；对碳纤维板材、碳板粘结胶等材料提出要求，规范碳纤维板材加固时所用的材料性能。

    与国内外同类技术的比较

    粘贴碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究是近十年来最为普遍的，国外在该领域的研究起步较早，相应的研究成果较多，其中早期的研究成果主要以完整梁的抗弯加固受力性能为主。研究手段大都采用加固钢筋混凝土小梁室内试验，通过与参考梁的对比，分析粘贴碳纤维片材加固钢筋混凝土试验梁抗弯强度、跨中挠度、受拉钢筋应变、裂缝宽度与形态以及破坏模式的影响，从而对粘贴加固效果做出合理的评价。国内现有研究成果大都采用了上述研究方法。

    然而，采用普通粘贴碳纤维材料的加固方法存在许多的不足与缺陷，主要体现在：无法完全发挥碳纤维板的高强性能、碳纤维材料的强度利用效率较低、同时对构件正常使用阶段性能改善不大，要体现这种加固方式的优势，更好的发挥出碳纤维材料的高强性能及解决上述问题，最好的方法就是对 CFRP 材料施加预应力。预应力碳纤维板材加固是近些年国外重点研究的一项新型补强加固技术，在我国已经有很多的科研单位和院校在进行研究。该技术结合了普通粘贴碳纤维材料与预应力加固技术的优势，同时弥补了这两种加固技术的缺陷。

    但是目前国内外关于预应力碳纤维板的试验研究，大部分只是针对完整梁或少数持载加固梁所进行的研究。而根据已有的文献，加固后的预裂梁与加固后的完整梁的受力性能是不同的，两者在正常使用荷载情况下的受力性能有着较大的差异，这主要表现在加固梁受拉区钢筋、混凝土的应变降低幅度以及刚度提高程度等方面。目前国内外对预裂梁的研究成果比较少，且没有对现役主梁在加固前后基于混凝土开裂后正常使用状态下的受力性能进行有效的对比性研究，难以解释采用碳纤维板加固法对实际桥梁的加固效果。

    该项目针对以上待解决的问题，以现役开裂的主梁进行静载试验，主要特点是：①针对缩尺梁的静荷载试验不能准确模拟现役开裂主梁的真实受力情况等缺点，提出以现役开裂的主梁进行静载试验，通过分析采用不同方式加固前后板梁的抗弯强度、刚度、裂缝开展情况、极限状态破坏模式等方面的不同，得到碳纤维复合板材对主梁的加固效果；②采用FEA有限元程序，对试验梁进行实体有限元建模分析，从强度、刚度、破坏模式等方面分析验证静载试验结果，从理论上验证碳纤维板材对主梁的加固效果；③对施工工艺流程、预应力锚具形式。预应力张拉机制、施工时环境温湿度等方面提出要求，规范碳纤维板材加固施工工艺；④对碳纤维板材、碳板粘结胶等材料提出要求，规范碳纤维板材加固时所用的材料性能。

    综上所述，国内外未见与该项目技术特点相同的纤维复合板材应用于桥梁维修加固研究的文献报道。

钢筋混凝土梁底粘贴预应力碳纤维板

    项目应用成果与效益

    该项目研究成果已成功应用于津滨高速公路津北桥的预应力连续箱梁、天津市津围公路宝平立交桥的预应力连续箱梁、天津市丰年村立交桥的20m简支预应力板梁等桥梁结构的维修加固工程，加固后的桥梁结构安全度得到提高，使用效果良好，未见有早期破坏迹象，综合经济和社会效益显著。

    本课题研究的粘贴碳纤维板材加固法仅为更换板梁或粘贴钢板施工时间的三分之一到五分之一，大大节约了时间，节省了施工成本；同时粘贴碳纤维板施工对桥上交通没有影响，无需中断桥上交通，给公路的养管单位带来很大的经济效益，可计算直接经济效益达250万元。

    该项目成果在各类公路和市政桥梁结构维修与加固工程中具有较好的推广和应用前景。

    （天津市交通科学研究院 供稿）

    注：本文刊载于《市政技术》2017年第6期，第1、2页。