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碳纤维加固技术在铁路桥梁加固补强中的应用

马兰英，李超，李作运

(鞍钢铁路运输公司 鞍山 114000)

摘 要：利用碳纤维片高强和可粘贴的性能，把碳纤维片用环氧树脂粘贴在被补强的混凝土结构表面，有效封闭了混凝土裂缝，并与原混凝土结构形成一体共同承受荷载，使混凝土结构得到了有效的加固补强。

关 键 词：铁路桥梁；碳纤维；加固补强

1 国内外现状和研究发展趋势

随着铁路运量和荷载越来越大，铁路标准越来越先进。而在20世纪50~70年代所修建的桥梁，由于当时的设计标准低，注重于材料的节省，造成断面单薄，安全储备低，加上年久老化，大多出现保护层脱落、钢筋锈蚀断裂、混凝土开裂等现象，已不能适应现时安全生产的需要。因此，加强对旧、危桥梁的检测、鉴定、加固与维修是十分必要的。然而桥梁加固与维修有较大的难度，首先是要保证生产运行。其次是要受到结构形式的限制，加固必须利用原有结构进行设计。第三是桥梁加固与维修技术要求较高、工作量较大。基于加固方案实施的复杂性，要求研究出一种可操作性强的加周处理方法。目前可采取的措施有以下几种：

(1)改变结构形式。如变简支梁为连续梁，变简支梁为撑架、刚架，变悬臂梁为连续梁等，这样可使控制弯矩降低，但增加了基础、梁体结构、新旧混凝土结合设计、施工一系列环节，造成工期长、施工质量不容易控制、施工中支架模板耗用量大等，增加加固成本。

(2)外力减荷。施加与荷载效应相反的外力，如采用体外预应力。该方案影响桥梁过水断面，影响排洪、通航，施工期间可能受到洪水和漂流物的威胁，易因桥下排水不畅影响铁路路基稳定。

(3)内力调节。在外荷载不变情况下，通过结构措施使每一受力单元(如每块板、每片梁)的分布内力减少。如增强横向联系、减少横向分配系数、降低荷载分布内力，此项措施适合于钢结构桥梁加固，对简支梁不适用。

(4)增大断面。增大断面增加了原结构的承载能力，同时也会加大自重，自重加大产生的内力增量会抵消结构承载能力的提高。此外，增大断面还需克服一个障碍，即新增结构面积与原有结构的界面能否良好结合，确保新老两部分面积是否能很好协同受力。因此，这种方案的有效程度较低，但由于它直观，容易被接受。

(5)粘贴高强度受力材料。在混凝土表面粘贴高强度的受力材料，符合结构受力特点，传统的做法是在混凝土表面粘贴钢板。但在实际工程中，由于钢板面积大、刚度大、可塑性差、很难与原结构粘贴紧密，加上钢板自重大、操作不便，限制了其应用。

多年以来一直在期待一种实用的高强材料。要求其强度、弹性模量大而重量较轻，又有较好的柔性，以避免上述方法的缺点而容易操作。而碳纤维正是这样一种材料，它的出现，会使增大断面的加固有一个根本改观。

2 碳纤维的市场需求和定位

利用碳纤维片高强和可粘贴的性能，把碳纤维片用环氧树脂粘贴在被补强的混凝土结构表面，与原混凝土结构形成一体共同承受荷载，使混凝土结构得到了有效的加强。这种方法能适应各种外形的补强，可多层粘贴，能有效地封闭混凝土裂缝。它与传统的加大混凝土截面或粘钢板补强相比，具有节省空间、施工简便、不影响车辆通行、施工设备少、容易操作、施工质量易保证、基本不增加结构尺寸及自重、耐腐蚀、耐久性能好等特点，采用该方法，可大大提高建筑物的使用寿命，降低加固成本。因此，碳素纤维备受青睐和关注，其特点：

(1)抗拉强度高，是同等截面钢材的7～10倍。

(2)重量轻，密度只有普通钢材的1/4。

(3)耐久性好，可阻抗化学腐蚀、恶劣环境、气候变化的破坏。

(4)施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。

(5)适用范围广，混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固。可大幅度提高构件的承载能力、抗震性能和耐久性能。

3 碳纤维加固技术在鞍钢桥梁加固补强中应用

鞍钢东环市73号铁路桥始建于1990年，为单孔钢筋混凝土简支梁桥，桥长6.95m。桥上有火车通行。该桥桥台为混凝土结构，桥台长度为3500mm，宽度为1750mm，高度为2860mm；上部结构为2片钢筋混凝土简支板梁，每片简支板梁梁长为6950mm，梁宽为1920mm，梁高为600mm。该铁路桥位于北出口沙河大桥附近，是鞍钢铁运环市干线的主要通道，大孤山铁矿及球团等鞍钢生产原料运输必经这座桥。由于长期承受动载，梁体混凝土开裂、疏松、粉化、脱落严重，外露主筋箍筋严重锈损，部分钢筋截面已锈至原截面1/4，桥体有渗漏等破损状况，严重影响桥梁耐久性及使用安全。为查明桥梁结构配筋情况和承载能力，对73号铁路桥进行结构可靠性鉴定，为桥梁改造工程提供技术依据。

首先对结构布置、桥梁结构上设备荷载(即使用活载、结构构件破损、腐蚀、锈蚀)进行调查，对桥梁和桥台进行回弹及钻芯取样检测，以检测当前混凝土强度等级。再依据国家铁路桥涵、混凝土等规范进行结构验算，以确定桥梁的耐久性。结构耐久性是结构在正常维护条件下，随时间变化而仍满足预定功能要求的能力，对于混凝土结构是指结构在使用过程中，在内部的或外部的、人为的或自然因素作用下的混凝土保持自身工作能力的一种性能[1]。混凝土结构耐久性降低的原因是结构抗力随使用期的延长而降低，而抗力衰减的原因是混凝土强度的下降及钢筋锈蚀[2]。影响钢筋锈蚀的主要原因之一是混凝土的碳化，混凝土的碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋的表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，致使钢筋锈蚀，加剧混凝土收缩，最终导致结构承载能力下降。通过检测，梁体混凝土强度介于C20和C25之间，强度较低，从长久看混凝土保护层对钢筋的保护作用将减小，对建筑不利。混凝土碳化深度大于6mm，混凝土裂缝局部存在表层剥落，钢筋外露锈蚀。根据《铁路桥涵工程质量检验评定标准》，通过验算并充分考虑结构的重要性、耐久性及现今使用状态，虽然暂时能维持运营，但安全储备不足，不能满足铁路桥梁的耐久性要求，且现有矿山运输车辆严重超载，亟需对该桥梁进行技术改造。具体加固方法与措施(见图1)：

3.1 碳纤维布施工工艺

(1)施工准备：熟悉图纸、放线、定位、材料准备。

(2)表面处理：清除被加固表面的剥落、疏松、蜂窝腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。用修复材料将表面修复平整，被粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污、杂质，直至完全露出结构新面。转角处要进行倒角处理，并打磨成圆弧形状，圆弧半径不小于20mm，混凝土表面应保持干燥。

(3)涂刷底胶：用滚筒刷将底胶涂于混凝土表面，表面指触干燥时即可进行下一工序施工。

(4)找平处理：采用修补胶对表面凹陷部位进行修补，表面指触干燥时即进行下一步工序施工。

(5)粘贴碳纤维布：按设计要求尺寸裁剪碳纤维布，配制涂匀粘贴胶后粘碳纤维，用特别的滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，并使粘贴胶浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，待表面指触干燥时，再进行下一层粘贴。

(6)表面保护：表面勾涂粘贴胶保护。

3.2 裂缝灌胶施工

(1)裂缝处理：用钢丝刷等工具，清除裂缝表面的灰尘、浮渣等污物，然后用压缩空气将裂缝内的灰尘吹出，再用棉丝沾丙酮擦拭裂缝表面。

(2)封缝：用小铲刀将封缝胶刮抹到裂缝上，厚度1mm左右，宽度20～30mm，抹胶时应防止产生小孔和气泡，要刮平整，保证封闭严密可靠。

(3)配胶：按灌缝胶说明书提供配比配制，搅拌至颜色均匀，然后使用。一次配胶量不宜过多，以40～50min用完为宜。

(4)灌胶：将配制好的灌缝胶装入注射器，竖向裂缝按从下向上顺序，水平裂缝按从一端向另一端顺序，灌胶时待注胶管(孔)溢出胶为止，依次注胶，直至所有注胶管(孔)均注完。注胶结束后及时清理残留结构胶。

(5)成品保护：灌胶结束后，在24h内不得扰动注胶部位，3~5天后可拆除注胶管(孔)。

4 结束语

按照以往的加固方法(换梁工艺)，需要首先与生产运输部门办理线路封闭作业手续，再将施工区域内的信号转辙机、接触网线路迁移，拆除桥梁上部铁轨、轨枕、渣石等，既影响生产，又耗费其他相关专业人财资源，而采用粘贴碳纤维布新工艺加固梁体，既不影响铁路生产运输，也无需支模、吊装等繁琐的施工设备，大大缩短了工期，降低了人工、材料、机械、施工管理等工程直接费、间接费，用少量的投入提高了老旧桥梁的承载能力，延长了桥梁使用寿命，降低了行车隐患。实践检验，效果良好，应在其他铁路桥梁加固补强中继续推广使用。

参 考 文 献：

[1]   铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定.北京：中国铁道出版社，2004.

[2]   铁路桥梁检定规范.北京：中国铁道出版社，2004.