1、工程概况
南宁至梧州二级公路贵港段车流量大，重载车多，经过长期运营，部分桥梁出现了不同程度的病害，影响到桥梁的正常使用，其中多座桥梁出现了板底碱蚀横裂缝。经调查研究设计后，维修加固方案确定采用在板底粘贴碳纤维布的方法。
2.材料
2.1碳纤维
碳纤维根据原料及生产方式的不同分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维成品可以制成不同的型材，如纤维布、纤维板、棒材、短纤维等，可根据不同工程的不同部位和需要进行选择。在加固工程中应用很普遍的还是碳纤维布(片材)。表1列出了中国《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程)(CECS1．46----2010)规定的碳纤维布的主要力学性能指标。
很早进行CFRP加固构件的火灾试验是由瑞士Deuring教授l5 于1994年完成的，在IS0834标准升温条件下进行6根CFRP加固混凝土梁的对比试验，1根未加固，1根粘钢加固，1根采用普通胶粘贴的CFRP板加固梁(无防火保护)、2根采用普通胶粘贴的CFRP板加固梁(有防火板保护)、1根采用耐热粘贴剂粘贴的CFRP板加固梁。试验结果表明，粘钢加固梁受火后7～9min粘结失效；无防火保护的CFRP加固混凝土梁在81min后失效，而采用40mm厚防火板进行防火保护的CFRP加固混凝土梁，混凝土和碳纤维粘结处在很长时间内处于低温状态，CFRP材料大约在lh左右达到玻璃化温度。其耐火能够达到146min，是未经过防火保护的1．8倍。随后，Ghent University的Blontrock等人 进行了一系列加固梁的耐火试验。试件矩形梁采取了相应的防火保护措施，每根梁的保护厚度、位置(在底部或侧面)、防火板锚固方式(粘贴或机械锚固)、长度(通长或仅仅在锚固区)各不相同。试验研究表明，一根采用粘贴硅钙板保护梁在受火7min后，其粘结失效，而采用机械锚固的梁在受火45min后粘结失效。研究还表明，u型(梁底和两侧)防火保护为CFRP加固梁提供更好的耐火性能，降低了CFRP材料和钢筋火灾下的温度，从而降低了构件的整体挠度。Blontrock等人 还进行了CFRP加固混凝土板的火灾试验，采取矿毛绝缘纤维(rockwoo1)和粘贴石膏板进行防火保护，试验后55min左右CFRP和混凝土的粘结丧失(此时胶粘剂温度为47～63℃)。
碳纤维加固碳纤维具有轻质、高强、厚薄均匀、耐高温等优点，是近年来发展较快的一种新型材料，广泛应用于许多行业；在建筑行业中，碳纤维板加固修复钢筋混凝土结构以及钢结构和木结构技术是近年发展起来的一项新技术，使用碳纤维复合材料加固混凝土梁可以提高结构的刚度、抗弯承载力，而且由于它具有施工便捷、工期短、重量轻、不增加结构自重及截面尺寸、适用面广及耐久、耐腐性好等**的优点倍受建筑界的青睐。现以碳纤维板加固混凝土梁方案为例说明加固原理及加固过程，为工程实际应用提供具体依据。
1 确定加固方案
首先要针对建筑结构可靠性鉴定等级来确定补强加固的技术方案，然后根据加固方案进行加固设计。
1．1 碳纤维加固承载力设计分析
碳纤维加固梁计算理论前提：
1)碳纤维加固梁截面应变仍保持平面假定且受拉区混凝土及胶结层不参与受拉工作。
2)钢筋及碳纤维受拉后不过其抗拉强度值。
3)不考虑混凝土梁和胶结剂的收缩、徐变及温度应力的影响。
4)在达到受弯承载力状态之前，碳纤维和混凝土之间必须粘结牢固，不发生粘结剥离破坏和脱胶现象。
5)碳纤维薄板应视为平面应力状态，忽略弯矩和剪力的作用。
1．2 梁的抗弯强度计算(即梁底碳纤维布的用量简化计算)
以矩形梁为例：有两种计算方法：
1)方法一：碳纤维布的用量原则是适筋破坏原则，即在矩形梁中应使受拉区受拉钢筋屈服和碳纤维布即将达到其允许拉应变。
2)方法二：在计算分析中，可假定认为碳纤维的拉应变等于钢筋拉应变。按拉力相等的原则将碳纤维布的面积转化为等效钢筋面积，得到等效钢筋面积之后，参照钢筋混凝土单筋矩形截面受弯构件的正截面承载力设计公式进行计算。
1．4 粘结层端部受力分析
1)碳纤维加固混凝土梁的端部经常会产生应力集中现象，当应力过混凝土强度或达到胶结层的剪切强度时，这些应力可在碳纤维端部引起碳纤维粘结破坏或混凝土剥落破坏，在不考虑碳纤维与混凝土之间的粘结剪力对梁截面剪应力分布的影响时。
2)当碳纤维和混凝土之间的粘结剪力比较大时，粘结剪力对梁截面的影响不能忽略。
在考虑了粘结剪力对梁截面剪应力分布的影响后，据资料显示，粘结剪应力可以降低约50％左右，降低程度与粘结剂和混凝土之间的刚度比有关，与梁高度和粘结剂厚度比有关，厚度较大时可以减弱端部的剪应力集中程度。
由于端部应力集中现象的存在并考虑施工的方便，常在梁端部对纵向纤维进行附加锚固处理，目的是使纵向纤维能够粘结充分，防止端部发生剥离破坏和剪切破坏。
锚固处理的方法是在梁端部根据具体情况采用u型纤维箍。
2 加固混凝土梁界面剪应力的影响
碳纤维板与混凝土界面粘结的牢固与否主要取决于他们之间的粘结性能，它对结构的粘结牢固起着关键性的作用。
在施工过程中，应尽量减小碳纤维板的厚度且尽量增大碳纤维板的宽度，以便减小混凝土梁界面的剪应力。
3 施工中应注意的事项
根据加固设计分析和碳纤维布本身的特点，应注意以下几点：
1)混凝土基面处理。必须仔细打磨，清除劣区混凝土、基面污渍和杂质，保持混凝土基面清洁干燥。
2)粘贴时必须用辊子沿纤维方向捋出气泡，使粘贴树脂充分浸渍碳纤维。
3)表面防护。至少8 h以后才能去除塑料薄膜，在碳纤维布表面涂抹一层基底树脂，待基底树脂指触干燥后，外抹水泥砂浆做面层。
采用的粘结材料应该与碳纤维片材相配套。
3．碳纤维布加固旧桥特点
3．1 不增加恒载及断面尺寸
碳纤维布的自重仅为200～300g／m2，设计厚度为0．111～0．167mm，环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空的影响微乎甚微，可忽略不计。同时，碳纤维布可以多层粘贴。根据补强的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，充分满足补强的要求。这一优点更是传统补强方式所难以比拟的。
3．2可适应不同构件形状，成型很方便
斜、弯、坡及异型结构的补强，采用传统的方法，施工难度较大，采用碳纤维布补强法，利用碳纤维布的随型性较强的特点，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期，产生巨大的社会及经济效益。
3．3施工简便
特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时，碳纤维布加固方法是可选择的一种方法。该法工艺简便，*大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行，因而施工时所需工作面小。在作业空间受限制时，该优点是其它加固方法无法比拟的。
3．4采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤
碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏，更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。
3．5能有效地封闭混凝土的裂缝
碳纤维布(片)粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝上的裂缝，其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
3．6碳纤维布(片)具有优良的耐化学腐蚀性
碳纤维布(片)是一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性以及具有较好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受害侵蚀等腐蚀性环境时，其寿命也较长。因而碳纤维布加固法，在不利环境下较其它方法更显出其优异性。
3．7 不影响结构的外观
碳纤维布(片)的厚度很薄，粘贴尉化后其表面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料，而不影响结构的外观。
碳纤维加固碳纤维丝在绝氧情况下具有较佳的耐热性(可耐2000cc高温)，它的升华温度高达3650cc左右。但在有氧情况下。当温度**400cc时即发生明显氧化。当其暴露在600cc的空气中lOmin后，纤维大部分被氧化，强度下降¨。。。
(2)高温下胶粘剂的力学性能高温下结构胶粘剂达到其玻璃化温度 时，胶粘剂软化，其粘结强度显著下降。E．L．Klamer 以及吴波_1 分别通过面内剪切试验研究了结构胶在一10—120oC之间其粘结强度随温度的变化规律。
(3)高温下CFRP材料的力学性能加拿大Queen’s University的Bisbyl9 在其博士论文中整理各种FRP材料的高温下抗拉性能和弹性模量随温度的变化规律，并通过很小二乘回归分析，得到了一个s型函数拟合各种FRP材料的高温性能，离散性较大。其中CFRP高温下的抗拉强度和弹性模量随温度变化曲线分别如图6和图7所示，比值为高温下试验值与常温下试验值之比。
2 CFRP加固构件火灾试验研究与存在的问题
很早进行CFRP加固构件的火灾试验是由瑞士Deuring教授l5 于1994年完成的，在IS0834标准升温条件下进行6根CFRP加固混凝土梁的对比试验，1根未加固，1根粘钢加固，1根采用普通胶粘贴的CFRP板加固梁(无防火保护)、2根采用普通胶粘贴的CFRP板加固梁(有防火板保护)、1根采用耐热粘贴剂粘贴的CFRP板加固梁。试验结果表明，粘钢加固梁受火后7～9min粘结失效；无防火保护的CFRP加固混凝土梁在81min后失效，而采用40mm厚防火板进行防火保护的CFRP加固混凝土梁，混凝土和碳纤维粘结处在很长时间内处于低温状态，CFRP材料大约在lh左右达到玻璃化温度。其耐火能够达到146min，是未经过防火保护的1．8倍。随后，Ghent University的Blontrock等人 进行了一系列加固梁的耐火试验。试件矩形梁采取了相应的防火保护措施，每根梁的保护厚度、位置(在底部或侧面)、防火板锚固方式(粘贴或机械锚固)、长度(通长或仅仅在锚固区)各不相同。试验研究表明，一根采用粘贴硅钙板保护梁在受火7min后，其粘结失效，而采用机械锚固的梁在受火45min后粘结失效。研究还表明，u型(梁底和两侧)防火保护为CFRP加固梁提供更好的耐火性能，降低了CFRP材料和钢筋火灾下的温度，从而降低了构件的整体挠度。Blontrock等人 还进行了CFRP加固混凝土板的火灾试验，采取矿毛绝缘纤维(rockwoo1)和粘贴石膏板进行防火保护，试验后55min左右CFRP和混凝土的粘结丧失(此时胶粘剂温度为47～63℃)。
3CFRP加固混凝土结构火灾研究有
待进一步开展的工作尽管我们在CFRP加固构件火灾试验和耐火分析方面开展了一些研究，但对掌握和全面了解CFRP加固混凝土火灾反应特性并基于此确定其防火设计方法，仍有许多工作有待于完善和进一步的开展，
主要体现在以下方面：
(1)CFRP材料的性能研究
目前关于CFRP材料热工性能和高温下力学性能的研究很少，且部分研究成果离散性较大，对高温下材料的性能仍然有待于进一步研究。同时应加强高温下CFRP材料与混凝土界面粘结性能和破坏机理的研究，确定高温下CFRP材料与混凝土间的界面模型，以便进行更为精确的非线性有限元分析。
(2)影响参数的深入分析
完善另一些影响基于加固构件耐火的参数分析，如混凝土强度、梁的截面形式、尺寸和跨度等对耐火的影响分析。在此基础上推导出加固构件耐火的简化计算公式，便于工程应用。
(3)CFRP加固混凝土结构体系在火灾下的性能研究
目前，对CFRP加固混凝土结构火灾下的性能研究主要集中在基本构件方面，而对由CFRP组成的梁或柱等形式的框架结构火灾下的性能研究国内外尚未见到报道。在火灾情况下，由于组成框架的梁柱间相互约束，将使框架产生内力重分布，从而可能危机结构的安全。因此，应开展这方面的研究，并提供合理的CFRP加固混凝土结构的耐火设计方法。
(4)CFRP加固混凝土结构在火灾后的性能研究和加固决策研究即便有防火保护，火灾发生后CFRP材料不会燃烧，但是CFRP同混凝土之间产生不可逆转的滑移。文献[1]试验证明，在试验后期CFRP材料同混凝土之间滑移很大，局部同混凝土失去粘结。因此火灾后CFRP加固混凝土构件的剩余承载力研究显得尤为重要，且在此基础上的加固决策研究也非常有意义。是否可以在灾后铲除原先加固的CFRP材料，重新粘贴CFRP材料，以达到修复补强的目的等，这些都是CFRP加固混凝土结构耐火研究重要课题。
碳纤维加固美国、日本等国于20世纪80年代开始对碳纤维布加固技术进行试验研究。目前已经将此技术大量投入应用。近年来，中国在这方面的研究和应用也做了大量工作，生产出一系列的碳纤维复合材料，在降低工程费用的同时也总结出了较成熟的设计方法和施工经验，为广泛推广该技术创造了有利条件。
2.2环氧树脂
2．2．1简介
仅仅依靠碳纤维布本身并不能充分发挥其优异的力学特性及耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维布粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能十分关键。不同类型的环氧树脂有不同的性能，可满足各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度。粘贴碳纤维布的环氧树脂易于透过碳纤维布，并产生很强的粘结力。根据使用温度的不同，树脂还分为夏用和冬用树脂。
2．2．2物理性能
碳纤维布施工中需使用底涂、腻子、浸渗粘着树脂3种环氧树脂，上述环氧树脂的使用目的各不相同，其物理性标准也各异。一般要求底层树脂及找平材料的正拉结强度大于2．5 MPa且不小于被加固混凝土拉结强度的标准值，而浸渍树脂和粘结树脂性能指标则应达到表2的要求。
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