高弹模碳纤维片材剖析

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1、日本建设设计咨询协会会员 RCCM（日本注册土木设计管理师 杨涛 辰日株式会社 代表取缔役 高弹模碳纤维片材 在改善公路桥、梁板跨中挠度 方面的新突破 主要内容 n公路桥梁病害的分类和成因 n桥梁上下部结构病害整治的常用工法和效 果 n高弹模碳纤维片材在改善梁板跨中挠度方 面的优势 n高弹低强与高强低弹碳纤维片材的结构加 固的试验对比和设计案例说明 一 公路桥梁病害的分类和 成因 n根据不同的角度和研究目的，对桥梁病害的分类不 同。在此我们将桥梁的病害分为结构性和构造性病 害 。 n结构性病害是指桥梁结构在受外界荷载的影响下， 使既有结构整体的承载能力有所下降的病害。这里 所指的外界荷载可以是

2、桥梁所承受的车辆荷载，也 可以是自然灾害给桥梁带来的影响（风荷载、地震 和船舶的冲撞等）。这种病害最大特点就是由于它 的存在使整个结构的承载能力受到很大的影响。 桥梁结构性病害，大致分为 ： 拱桥结构病害 墩台位移引起拱圈的变形及严重开裂 横向联系不足而引起失稳 拱圈截面不足或强度不够引起承载能 力的降低 拱上填料排水不畅等原因引起的侧墙 破坏 桥台位移引起的损坏 设计荷载偏低 砖石拱桥常见的其他结构病害 梁桥结构病害 n弯曲裂缝：在混凝土梁上施加弯距时，将产生弯 曲裂缝。 n剪切裂缝：剪切裂缝有时也称斜裂缝。首先发生 在剪应力最大的部位。 n断开裂缝：钢筋混凝土构件受拉时进入整个截面 的裂缝

3、称为断开裂缝。 n扭曲裂缝：混凝土构件受扭转与弯曲同时作用而 产生的裂缝称为扭曲裂缝。 n局部应力引起的裂缝：局部应力引起的裂缝，主 要表现在：墩台支座处受到较大局部应力；构件 突然受到冲击荷载；预应力梁锚固端受到较大局 部应力而引起的裂缝。 混凝土结构的其他病害 n混凝土碳化 n氯化物的渗入 n碱硅反应 n硫酸盐侵蚀 n酸侵蚀 n冻融作用 桥梁构造性病害主要分为 1 伸缩装置 桥梁伸缩装置的病害及损坏原因 n设计方面的原因 n施工方面的原因 n管理维护原因 2 桥面铺装 3 桥头跳车 4 钢筋混凝土结构的构造裂缝 （水泥、骨料、材料质量和施工质量） 5 钢筋锈蚀 钢筋锈蚀对结构的影响很大，主

4、要表现在： 钢筋锈蚀而引起体积膨胀（约为原来的2.5倍），从而使混凝土产生剥离、开裂 、破裂,破坏了混凝土的受力性能，降低了材料的耐久性能，影响桥梁的使用寿 命。 削弱钢筋的受力断面。 铁锈层及其引起的混凝土裂缝（主要是沿钢筋纵向的裂缝），削弱了钢筋（抗拉 抗剪）和混凝土（抗压）的共同作用。 二 桥梁上下部结构病害 整治的常用工法和效果 桥梁上部常用的加固工法 n桥面补强层加固法 n增大截面和配筋补强加固法 n锚喷混凝土加固法 n粘贴钢板加固法 n拱圈增设套拱加固法 n碳纤维片材加固梁式桥 碳纤维是一种新型建材，因其质轻、耐腐蚀、片材很薄 ，抗拉强度高而被广泛应用于土木工程的加固与补强上 n体

5、外预应力加固法 桥梁下部常用的加固法 n扩大基础加固法 n增补桩基加固法 n碳纤维桥墩抗震、增载加固法 n墩台拓宽加固法 、 各种加固法的效果分析 n上述各种加固工法就 其解决的目的，各有 优缺点，在此我们主 要就梁式桥的三种常 用加固工法做比较。 从上述分析可以看出，用高强度碳纤维片材加固桥墩， 梁板有着比其他工法更多的优点。从大量实际应用中我 们发现，高强度碳纤维片材，在桥梁（包括柔性墩、柱 ）的抗震加固中，增载加固和梁板为增强承载力的加固 、混凝土裂缝修补后密闭补强和提高加固后耐久性等方 面比其他工法有更多优势的地方。 但是我们从大量的破坏性试验和加固后效果的分析中 也发现，单纯的高强度

6、低弹模的碳纤维片材（抗拉强度 30004000MPa,弹模2.4105)在改善梁板跨中挠度 方面还满足不了我们希望的理想状态。从破坏试验的结 果分析，变形、挠度超标时，实际强度的利用仅在10 30%左右，为改善高强度碳纤维片材这一明显的不足， 很多国内外大学，科研机构做了大量对高强度碳纤维片 材施加预应力以改善强度利用不足和提高刚性方面的研 究。从这几年的研究表明从理论和实验室的精密试验结 果来看，是成立的和成功的，但在实际应用上目前还存 在很多问题，比如张拉设备的安装，数以亿计的碳丝预 应力数值的调控以及实际加固工费成本的不可预见，我 们认为现阶段高强度碳纤维片材预应力的应用尚待时日 。 三

7、高弹模碳纤维片材 在改善梁板挠度方面的优势 n为了更好的解决梁板跨中挠度的问题，近年在日本很多研究机构就此做 了大量的研究。 n自从碳纤维片材加固工法应用于各种土木工程以来，对于碳纤维片材加 固效果的研究就从来没有间断过。许多学者从加固理论和实验研究两个 方面，以各种混凝土结构物为对象研究碳纤维片材加固对抗拉耐力、抗 剪耐力、破坏扭矩、裂缝形成以及应变、挠度等的改善效果。尤其是近 一两年来，越来越多的研究者认识到高弹模碳纤维片材对于改善公路桥 梁及铁路桥梁桥板的挠度比高强度碳纤维片材有着明显的优势。 n高弹性碳纤维片材是用沥青基碳丝来编织成的片材，其基本性能不同于 聚丙烯腈基高强度型碳纤维片材

8、，两种片材的主要性能如下。 碳纤维纤维 种类类 碳丝丝直径 （m） 碳丝丝比重 抗拉强度 （N/mm2 ） 弹弹性模量 （N/mm2 ） 伸长长率 （） 高弹弹模型 100 161 1900 2400 6.4105 8.2105 061 高强度型 70 180 3400以上 2.45105 21 研究结果表明 n在相同载荷作用下，混凝土结构物的厚度及混凝土强度 越大则挠度越小。粘贴高弹模型碳纤维片材加固的场合 ，结构物的挠度大大低于粘贴高强度型碳纤维片材的场 合。达到相同挠度的条件下，高强度型碳纤维片材的粘 贴量约为高弹模型的23倍。 n剪应力的实测值表明，采用高弹模型碳纤维片材加固时 ，无论

9、是发生断裂时的剪应力还是出现裂缝时的剪应力 都要比采用总面积计算法得出的计算值高，而采用高强 度型碳纤维片材加固的场合，试验值与计算值基本相同 。 n在抗拉强度的利用率上还可以满足设计上的要求,最大程 度的发挥了高弹模型碳纤维片材的抗拉强度（利用率达 7090%），而高强度型碳纤维片材在相同应变的情 况下，抗拉强度的利用值仅为20 30%。 四 高弹低强与高强低弹碳 纤 维片材的结构加固的试 验对比和设计案例说明 抗弯曲加固效果的比 较 1试验法 试验材料：碳纤维布：新日本石油生产碳纤维布 HT300(300g/m2) 层补强 高强度品 UHM300(300g/m2) 一层补强 高弹模品 树脂

10、： 新日本石油生产的TU环氧树脂 n参考昭和39年的公路桥设计要领书，使用了如图1所示 的试验体。设计弯曲力矩为Md=29.4kNm/m 100 D16(SD295) 100800 800200 2000 D13(SD295) 载荷位置 180 碳纤维补强 试验 结果 n根据弯曲试验、得出UHM300-层补强和HT300-层补强有相同 或大于的挠度抑制效果的结论。 弯曲荷重和变位的关系 钢筋混凝土梁的抗弯加 固的计算案例 1 计算条件 （1）断面的条件 翼缘宽：b=2,050 腹板后：bw450 梁 高：h1，250 床板厚度：t170 第1层钢筋位置： d1 1，190 第1层钢筋位置： d

11、2 1，110 主钢筋量 第1层 As1 5-D323.9712 第2层 As25-D32 3.9712 （2）材料和设计应力 现状混凝土 设计基准强度： ck24N/2 弹 性 模 量： Ec25KN/2 设计弯曲压缩应力： ca7.8N/2 现状钢筋（SD30） 弹 性 模 量： Es200KN/2 屈 服 点 应 力： sv295N/2 设计抗拉强度： sa180N/2 补强用高强度型碳素纤维布 保证抗拉强度： cfuk3.4KN/2 弹 性 模 量： Ecf245KN/2 极限设计应变： cf保证应变0.8倍（3.4/245）0.80.0111 补强用高弹性型碳素纤维布 保证抗拉强度：

12、 cfuk1.9KN/2 弹 性 模 量： Ecf640KN/2 极限设计应变： cf保证应变0.8倍（1.9/640）0.80.00238 （3）B活载荷作用时的设计 弯矩 静载荷弯矩： MD695KNm 活载荷弯矩： ML845KNm 合 计 弯 矩： M DL 1540KNm 2 现状断面的安全性 校核 （1）校核方针 按照公路桥规范混凝土桥编中所 述轴向力及弯矩作用时钢筋混凝土构件断 面的安全性校核方法，校核设计载荷作用 时的应力以及极限载荷作用时的屈服抗弯 强度的安全度。 （2）设计载荷作用时的应力校核 从压缩侧缘到中立轴的距离为 式中、AnAs1nAs2（bbw）t B2nAs1d

13、12nAs2d2（bbw）t2 断面2次弯矩按下式计算。 I 用这些式子算出的值如下： 从压缩侧缘到中轴的距离X342.07 断面2次弯矩： I1.0258710114 因此，构件断面的应力如下： 混凝土的压缩应力c MDLx/I （1，540106342.07）/（1.025871011） 5.14N/27.8N/2 NG （3）极限载荷作用时的屈服抗弯强度 的校核 n极限载荷作用时的弯矩Muo按公路桥规范混凝土桥编,表示如下: 1.3MD+2.5ML=1.36952.58453，016.0kNm 1.0MD+2.5ML=1.06952.58452，807.5kNm 1.3（MD+ML）=1

14、.7（695845）62，618.0kNm 因此，校核时使用的极限载荷作用时的弯矩Muo，取上述最大值3， 016.0kNm构件断面的屈服抗弯强度Mur按以下条件计算： 混凝土核钢筋的应力应变曲线以公路桥规范混凝土桥编为准。 因为混凝土的设计基准强度ck为24N/2，极限应变为0.0035。 主钢筋的材质虽然为SD30，用现行方法评价，屈服应力为sv295 N/2，弹性模量Es200KN/2。 以公路桥规范混凝土桥编为准的计算结果如下： 极限载荷时压缩侧缘到中立轴的距离 X69.13 屈服抗弯强度 Muo2，627.0KNm3，016.0 KNm NG 感谢大会给予的交流机会！ 感谢各位专家给予的宝贵意见！ 辰日株式会社愿为中日桥梁加固业 内 同仁搭建技术交流的平台！