碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁施工工法.pdf

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1、碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁施工工法碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁施工工法 中交一公局第三工程有限公司 赵慧君 陈胜亮 王双其 张文博 李兆彬 1 1 前言前言 工程材料的进步及新材料的发现是土木工程发展的前提和动力。碳纤维材料的出现及其应用,使土木工程加固与补强技术研究更上一个台阶。碳纤维布是一种新型建材,因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力,尤其是当高度受限制时的首选加固方法,其施工工艺亦较简单。碳纤维布加固修补结构技术是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料(CFRP)用于混凝

2、土结构加固修补的研究始于80 年代美、日等发达国家，我国起步很晚，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心引进开发了此项目，并在全国建筑加固与鉴定第四届学术会议上获奖。现将碳纤维布加固桥梁混凝土结构施工工艺总结编制成工法。2 2 工法特点工法特点 2.1 碳纤维布强度高，效果好。2.2 加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性。2.3 自重轻，加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸。柔性好，易于裁剪，适用范围广。2.4 施工简便（不需大型施工机构及周转材料），工效高，不需现场固定设施，施工占用场地少易于操作，经济性好。2.5 施工工期短，因此，碳纤维结构加固技术在混凝土结构加固方面已产生较大

3、的效应。3 3 适用范围适用范围 3.1 适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。广泛用于各种类型和形状的混凝土结构，且不改变结构形状以及不影响结构外观。3.2 基层混凝土的强度等级不低于 C15。4 4 工艺原理工艺原理 加固机理是将碳纤维布采用高性能的环氧类粘结剂粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。碳纤维布的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能

4、很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。5 5 施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点 5.1 工艺流程 5.2 操作要点 5.2.1 梁底粘贴碳纤维布加固设计方案 施工平台 测量放线 砼基面处理 基面清洁 涂刷底胶 基面找平 涂浸渍胶 粘贴碳纤维布 涂面胶 自然养护 裁剪下料 反复滚压、除气泡、补胶 刮找平胶 反复滚压、除气泡 梁体涂装 混凝土表面处理混凝土表面处理 根据实际情况，梁底采用了粘贴碳纤维布的

5、加固方式。碳纤维布粘贴于梁肋下方，空心板肋板下布设 25cm 宽的单层碳纤维布和 50cm 宽的双层碳纤维布，箱梁肋板下布设 50cm宽的双层碳纤维布。碳纤维布材料选用不大于 12k（1k=1000）的小丝束聚丙烯腈基,单层碳纤维布材的单位面积纤维质量为 300g/m2。空心板粘贴碳纤维布横断面布置形式空心板粘贴碳纤维布横断面布置形式 箱梁梁底粘贴碳纤维布横断面布置形式箱梁梁底粘贴碳纤维布横断面布置形式 5.2.2 施工放线 按照设计要求，在梁底弹墨线，对粘贴区域进行标识定位。5.2.3 混凝土表面处理（1）在混凝土表面划线，确定粘贴碳纤维布位置。（2）在该范围除去粉刷层，清除结构表面剥落、疏

6、松、蜂窝等劣质混凝土，露出混凝土结构层，混凝土表面凸起部分应凿掉，使其尽可能平整，必要时可用修补材料将表面修复平整。涂抹底胶、粘贴碳纤维布涂抹底胶、粘贴碳纤维布 碳布二次刮胶碳布二次刮胶 （3）转角粘贴处要进行倒角处理，并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于 20mm。（4）被粘贴混凝土面打磨平整，除去表层浮浆、松散物及油污等杂质，直至露出混凝土新面。（5）用丙酮或工业酒精清洗混凝土表面化，要求无灰尘、无油污、并保持清洁干燥。5.2.4 涂刷底胶（1）配制底层树脂胶，根据环境温度控制的浓度，底胶浓度不宜大。（2）将底胶涂抹在混凝土表面，用笔刷和橡皮刮刀用力反复涂抹，使底胶能均匀充 分地粘附混凝土表面

7、，并浸入混凝土。5.2.5 找平处理（1）配制底层树脂胶，搅拌要充分均匀。（2）底层树脂胶水干燥后对混凝土表面凹陷部分用找平胶修补、平整。不应有棱角。（3）转角处应用找平胶修复为光滑的圆弧形，半径不小于 20mm。（4）找平胶水干燥后进行下一步工序。5.2.6 粘贴碳纤维布（1）按结构尺寸裁剪碳纤维布，为便于粘贴，裁剪好的碳纤维布应卷在小圆棍或圆筒上，并编号以备使用。在裁剪和卷布过程应保持碳纤维布表面无灰尘、杂物。（2）配制浸渍胶：根据需粘贴的碳纤维量确定所需浸渍胶的数量，按比例将 A、B 两组份胶均匀的搅拌。每次搅拌的胶当次使用，超过时间不可使用，每次配胶量不宜超过2 公斤。（3）将配制好的

8、浸渍胶用毛刷均匀地涂抹在结构表面，然后将碳纤维面均匀地敷设在浸渍胶层上。用专用的橡胶滚或橡胶刮刀，沿纤维方向用力滚压或刮平，应注意不要来回滚压、刮平，应沿一个方 养护、固化养护、固化 向滚压、刮平，排除气泡和多余的胶液，使浸渍胶充分渗透碳纤维布并与混凝土表面牢固粘接。滚压、刮平时不得伤碳纤维布。5.2.7 涂刷浸渍胶 在碳纤维布表面再次均匀涂抹浸渍胶，用滚筒或橡胶刮刀滚压、抹平，应使浸渍胶充分渗透碳纤维布。5.2.8 养护、固化（1）碳纤维布补强施工后应防止雨淋或受潮，并注意保护施工面不受硬物损伤。（2）一般情况下在常温下养护、固化，当环境温度保持在 20以上时，24小时固化，具有一定强度，3

9、5 天可受力，若低于 15固化时间延长，1015天方可受力使用。必要时也可采取人工加温，保持温度在 1520，一般使用红外线灯加热。5.2.9 粘贴碳纤维布施工注意事项（1）碳纤维复合材料为导电材料，使用时应尽量远离电气设备及电源。（2）使用中应避免碳纤维布的弯折。（3）碳纤维布配套树脂胶的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。（4）树脂胶的配制和使用场所，应保持通风良好。（5）现场施工人员应采取一定的劳动保护措施。（6）现场施工电器、照明用电必须安全、可靠。6 6 材料与设备材料与设备 6.1 材料 工程材料用量 序号 材料名称 单位 备注 1 碳纤维布 m 2 2 环氧砂浆 m 3

10、3 结构胶 Kg 4 聚氨酯面漆 T 5 腻子 袋 本桥加固所用碳纤维材料选用不大于 12k（1k=1000）的小丝束聚丙烯腈基（PAN 基纤维），不得使用大丝束纤维。碳纤维复合材料的主要力学性能指标如下：性能项目 纤维类别 抗拉强度标准值（Mpa）弹性模量（Mpa）伸长率（%）弯曲强度（Mpa）纤维复合材料与混凝土正拉黏结强度（Mpa）层间剪切强度（Mpa）碳纤维 布材 级 3400 2.4105 1.7 700 2.5 且为混凝土内聚破坏 45 级 3000 2.1105 1.5 600 35 板材 级 2400 1.6105 1.7-50 级 2000 1.4105 1.5-40 碳纤维

11、板材满足高强度 I 级板要求的板材，宽度 100mm，厚度 1.2mm，且其纤维体积含量实测值需高于 70%。单层碳纤维布材的单位面积纤维质量为 300g/m2。6.2 设备 按照施工部署，施工所需机械设备提前到达现场，做好开工准备。施工机械以自有为主，社会租赁为辅。拟投入的机械设备：序号 设备名称 型号 单位 备注 1 刮刀 把 2 角磨机 把 3 钢丝刷 把 4 空气压缩机 3m3/min 台 5 滚筒刷 个 7 7 质量控制质量控制 7.1 标准规范（1）建筑结构加固工程施工质量验收规范（GB50550-2010）；（2）城市桥梁工程施工与质量验收规范（CJJ2-2008）；（3）公路桥

12、梁加固施工技术规范（JTG T J23-2008）；（4）公路桥涵施工技术规范（JTG TF50-2011）；（5）公路工程技术标准（JTG B01-2014）；（6）公路水泥混凝土路面施工技术细则（JTGT F30-2014）；（7）公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)；（8）建设工程施工质量验收规范实施指南（第二版）；（9）建设工程施工质量验收规范实施指南（增修部分）；7.2 质量保证措施（1）碳纤维布施工前需对原构件的裂缝和砼破损修补完成。（2）必须将构件粘贴面的劣化层清除干净，并进行清洗、打磨。保持表面干燥。（3）用修补材料对构件表面的凹凸和接缝部位修复打磨平整。阳角应打

13、磨成圆弧状，阴角应用修补材料填补成圆弧倒角，其半径不应小于 25mm。（4）调制好的底胶应在规定时间内用完。涂后胶面有毛刺，应再次用砂纸打磨平顺。如胶层被磨损，应重新涂刷。固化后应尽快进行下到工序，若涂刷时间超过 7d，应打磨清除原底胶，重新涂刷底胶。（5）雨天或空气潮湿条件下不宜施工。如确实需在潮湿构件上施工，必须烘干构件表面或采用专门的胶黏剂。（6）粘贴布材前，应需再次对粘贴面进行擦拭，确保粘贴面无粉尘。粘贴施工宜在 535 摄氏度环境条件下进行。布材纵向搭接长度不宜小于 100mm，搭接位置需避开主要受力区。已裁剪的纤维布材应尽快使用。（7）粘贴用罗拉沿纵向由低向高，一端向另一端进行滚压

14、。（8）质量检验实测项目 项次 检验项目 合格标准 检验方法 频率 1 碳纤维布材粘贴误差 中 心 线 偏 差 10mm 钢尺测量 全部 2 碳纤维布材粘贴数量 符合设计要求 计算 全部 3 粘贴质量 空鼓面积之和与总粘贴面积之比 小于 5%小 锤 敲 击法 全 部 或 抽样 胶黏剂厚度 板材 2mm1.0mm 钢尺测量 每构件 3 处 布材 2mm 硬度（布材）70 度 测量 （9）进场材料在监理的见证下取样送检，合格后才能投入使用。从材料源头保证质量；施工班组进行自检互检合格后，再由质检员进行质量检验。最后再由监理工程师检验。合格后才能进行下一道工序施工。施工全过程邀请监理全程旁站，以保证

15、过程中质量得到控制；做好完成后的成品保护措施，避免其受到硬性冲击。从施工前，施工中和完工后进行全程质量控制，以保证工程质量。8 8 安全措施安全措施 （1）施工前对全员进行安全技术交底、安全教育和安全培训演练，使其明白安全生产的重要性，熟练掌握安全施工技能，分辨潜在的安全隐患。（2）施工中进行安全检查，定期或不定期开展安全生产排查，对检查出的安全隐患及时进行处理，并督促落实整改情况。（3）进入施工场地的人员均必须佩带安全帽，反光背心和穿防滑鞋，高空作业还应正确使用安全带。严禁酒后作业，疲劳作业。（4）特殊工种（如起重机操作人员、电焊工、电工、架子工等），必须持证上岗。且必须经安全考核合格后才能

16、上岗。（5）施工机具设备必须定期检查，维修和保养。桁架式横向移动施工平台和移动架还应做到班前检查，大风大雨后检查，满足要求才能上架施工。（6）所有临边、门洞（尤其是桥下市场处）要做好安全硬防护，防止焊渣、胶液和施工机具坠落。上下交叉作业必须设置防护措施，严防上层作业物料落入下层。严禁将物料堆放于临边或洞门处。禁止上下抛掷物料。（7）夜间施工应具有足够的照明。在人员通道，还应设置固定的照明设施。在桥梁工程施工过程中，设立醒目的标牌，保证过往车辆行人的安全。（8）施工用电应由专职电工按照三相五线制度进行搭设，严禁非电工人员进行乱搭乱接。（9）现场应配备足够的灭火器。易燃易爆物品应严格进行分区分类堆

17、放，且保持足够的安全距离。（10）梁底施工时，应对施工区域桥下道路或通道采用水马和锥桶进行全封闭。设置安全警示标志，并安排人员进行交通指挥，禁止行车和车辆驶入作业区域。（11）严禁大雨、5 级或 5 级以上大风时，进行登高作业。9 9 环保措施环保措施 贯彻“预防为主、保护优先、施工与环保并重”的原则，接受环境保护、水土保持等部门的监督、检查和指导（1）建立健全文明施工领导小组，由项目经理任组长，具体领导和指导、各施工队具体落实的管理网络，全面开展创建文明工地活动，努力创造良好的施工环境和氛围，保证整体工程的顺利完成。（2）采取有效措施处理生产、生活废水，并确保施工现场无积水现象。（3）桥面破

18、除前，做好扬尘控制计划，可采取清理积尘、桥面洒水、设置隔挡等措施。（4）施工现场配备洒水设备及指定专人负责，在易产生扬尘的场地道路洒水降尘，建立环保工作的自检专检。（5）对施工噪声要有降噪处理和管理措施，使用低噪音、低振动的机具，并进行严格控制，最小限度的减少噪声扰民。（6）施工现场设置足够的照明装置，照明灯加设灯罩，透光方向集中在施工范围，以便施工，尽量减少施工过程中的光污染，夜间施工设红色标志灯。（7）现场内排水设施完善，施工排水经沉淀过滤符合有关标准后方可排放，以防污染。（8）工程交工时后，自觉按照业主、监理要求恢复施工现场，从现场清除或运出设备、剩余材料、垃圾和各种临时工程并保证整个现

19、场和工程的整洁。（9）创建生活区良好的生活环境，要设置足够的临时卫生设施，并定时清扫；生活垃圾要集中堆放，统一运至指定地点废弃。（10）妥善处理周围关系，争取有关单位和过往行人的支持和谅解，为工程的顺利开展营造一个良好的施工环境。10 10 节能措施节能措施 10.1 贯彻执行中华人民共和国节约能源法和地方有关法津法规。10.2 本着节约、降耗的原则，通过技术革新、“四新”应用，减少材料用量。10.3 施工过程中，加强管理，合理组织，减少施工周期、缩短工期，加快周转，提高效率，同时，有效地控制好施工用电。1111 效益分析效益分析 10.1 经济效益分析 由于施工快，能缓解工期，节约加固材料，

20、不需要大型机械施工，节省费用，经济效益很高。10.2 社会效益分析 碳纤维加固无需对结构进行卸载，对于桥梁结构无需中断道路交通运输，且不会影响加固效果。对于高速公路和主要交通干线公路尤其有利，可完全避免中断交通带来的经济损失。同时采用不中断交通的加固方式，也给人们的日常出行避免需绕道通行的不便，创造了良好的社会效益。1 12 2 应用应用实实例例 成都市青龙场立交高跨桥自 1997 年 8 月建成通车，投入运营近十五年。在长期重交通作用下，桥面铺装出现不同程度破损，梁体产生大量裂缝，部分钢构件锈蚀等病害。尤其是经历了“5.12”汶川大地震之后，桥梁上下部结构实际上均受到了不同程度的损害。本立交桥上部结构梁体多为部分预应力砼空心板梁或钢筋砼空心板梁，目前大面积存在梁体底板开裂、渗水泛碱、混凝土破损、露筋、钢构件锈蚀等病害。我公司于 2015 年 8 月运用该工法对此工程进行了结构加固，均保证了施工质量，混凝土梁的强度和刚度均达到了设计要求，使用效果良好。