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碳纤维加固桥梁应用研究

李慧峰熊旭光

西南林学院园林学院昆明市650224;成都铁路集团公司成都市610000

要:通过对碳纤维的物理力学性能和碳纤维增强塑料(CFRP)加固混凝土摘

梁的抗弯实验分析，提出了CFRP加固混凝土梁的计算原理和方法;并介绍了

CFRP在桥梁加固工程中的应用。

关键词:碳纤维;加固;桥梁;应用

我国现有桥梁主要存在以下问题:(1)桥梁设计荷载标准较低;(2)桥面宽度狭

窄;(3)桥梁年久失修，损坏严重，如墩台滑动、下沉、倾斜、冻害、变形大于计算

值，支座的开裂、老化、坏死，钢筋混凝土梁、拱有永久性严重变形，顺主筋方向

有纵向裂纹，钢筋已严重锈蚀，裂纹超过规范限定值，承载能力大于25,设计要求

等;(4)少数桥梁桥头接线线形很差，影响行车安全。目前经济发达国家的公路桥梁

的不适应情况也很严重，如美国高达20,。

由于交通量的增加、车辆轴载的加大和固有标准的提高，原来设计标准较低的

桥梁已严重影响了汽车运输的发展。提高公路技术标准后，由于桥梁设计荷载的提

高和宽度的增加(要求主干线上的桥梁承载能力达到汽车一超20级、挂车一120或

汽车一20级、挂车一100的荷载标准，桥面宽度也要有相应的提高)，以及公路局

部线形的改移，使原有桥梁要么加固、要么重建，工程量甚为巨大。鉴于投资、材

料和工期的缘故，不可能拆除全部旧桥进行重建，而采取投资较少、节省材料、工

期短的补修和加固措施，是解决以上问题的有效方法。

传统的混凝土结构加固方法为:粘钢加固、外包钢加固、套箍加固、植筋加

固、焊接补筋加固、型钢加固、化学灌浆加固、加大截面法加固、增设支点法加

固、体外预应力等技术和方法进行结构补强、加固处理。上述几种方法虽然有效，

但均受到一定条件的限制，存在以下缺点:对结构的外观及使用空间均有一定影响;

施工时的湿作业和大型设备对环境和生产有一定影响;在有的方法中新旧两部分的

连接对原结构有一定的损伤;加固材料易腐蚀或脱落;增加结构物的荷重等。

碳纤维增强塑料(CFRP，CarbinFibreReinforcedPlastics)加固是20世纪

80年代以来美、日等发达国家研发的应用在土木工程中的新型加固补强技术，已

在建筑物、桥梁、特种结构等各种土木工程中得到广泛而成功的应用。我国自

1997年开始对碳纤维加固混凝土等结构进行研究，并已在一些工程中得到应用，

但相关技术标准、应用规程及施工指南在国内尚属空白。该方法采用同一方向排列

的碳纤维织物，在常温下用环氧树脂胶粘贴于混凝土结构、钢筋混凝土结构、砌体

结构或木结构表面，利用其紧密粘着于混凝土结构表面，使二者作为一个新的整

体，共同受力，从而达到对结构加固补强及改善受力性能的目的，是一种非常简单

而优良的加固补强方法。

CFRP具有轻质(碳纤维加固不增加结构物的荷重)、高强(强度超过钢材，接近

于高强预应力钢筋)，耐腐蚀、耐疲劳、耐火、耐久性好，且施工工艺简便快速、

施工无灰尘和噪音污染，可不间断生产运营，加固补修效果良好等优点，因而得到

工程界的日益重视。

1、碳纤维及碳纤维增强塑料的力学性能

碳纤维是纤维碳化后生成的一种纤维物质，经研究其主成分是碳，由6个碳原

子层层相连而形成的纤维状物质，这时其强度并不高，但添加助剂生产出的碳纤维

却有着极高的抗拉强度，把碳纤维(连续纤维)拉紧，然后用环氧树脂或乙烯醇树脂

把纤维相互粘结在一起，

就形成了碳纤维增强塑料(CFRP)。按照日本土木工程协会(JSCE)关于CFRP的

质量标准，可将CFRP分为几类:棒状、纹状、辫状、格状、板状。

，从表中可以看出碳纤维的强度比平常的钢筋高很碳纤维与钢筋特性示于表1

多。然而，因为碳纤维脆性的存在，如果仅把纤维简单地捆在一起就不能获得

这样高的强度，因而需要使用粘结材料。并且碳纤维具有很强的耐腐蚀性，在化学

物质如氯离子、硫酸以及苛性钠等的作用下，其强度没有明显地下降。

在JSCE的碳纤维增强材料质量标准中对CFRP的力学性能有详细地描述，表2

是日本生产的部分CFRP材料的力学性能。

从表2可知，CFRP的抗拉强度与常规的预应力钢筋处于同等水平，而其弹性模

量低于预应力钢筋，CFRP与钢筋的应力,应变关系曲线示于图1，CFRP的曲线形状

表明这种材料的破坏是由于突