单向碳纤维板加强桥梁结构原理

现有老桥上部结构的加固技术和方法主要有加大截面加固法、外钢法、喷射混凝土法、附加支点加固法、粘钢加固法、预应力加固技术或改变桥梁横向分布系数的方法等。这些方法各有优点和长处，但大多施工复杂，存在一定的不足。

外粘碳纤维增强塑料板（CFRP）是国外近20年来发展起来的一种增强技术。其原理与钢板加固类似，都是在结构受拉侧粘贴抗拉材料，与结构分担受力，加强配筋。碳纤维增强塑料又称碳~纤维增强聚合物（CFRP），是一种由碳纤维和基体树脂组成的先进复合材料。碳纤维是化学成分中碳含量在90%以上的纤维状碳材料。为了提高碳纤维与基体的亲和力，需要对纤维本身进行表面处理，形成能与基体反应的活性基团。由于碳元素在高温下不能熔化（3800K升华），不溶于各种溶剂。因此，迄今为止还不能用碳单质制造碳纤维。碳纤维可以通过高分子量有机纤维的固相碳化或低分子量烃的气相热解制备。目前，碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维通过高温碳化制成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。不溶于各种溶剂。因此，迄今为止还不能用碳单质制造碳纤维。碳纤维可以通过高分子量有机纤维的固相碳化或低分子量烃的气相热解制备。目前，碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维通过高温碳化制成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。不溶于各种溶剂。因此，迄今为止还不能用碳单质制造碳纤维。碳纤维可以通过高分子量有机纤维的固相碳化或低分子量烃的气相热解制备。目前，碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维通过高温碳化制成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。碳纤维可以通过高分子量有机纤维的固相碳化或低分子量烃的气相热解制备。目前，碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维通过高温碳化制成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。碳纤维可以通过高分子量有机纤维的固相碳化或低分子量烃的气相热解制备。目前，碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维通过高温碳化制成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维经高温碳化而成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）或中间相沥青（MPP）纤维经高温碳化而成，具有极高的抗拉强度和良好的耐腐蚀性能。碳化纤维为单丝，直径一般在5um~8um之间。它是由大量碳纤维单丝组成，构成工程用碳纤维材料。

基体树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂等，在固化剂的作用下可交联固化，使纤维材料与树脂粘合在一起，表现出优越的性能的复合材料。目前与碳纤维一起使用的基体树脂主要是环氧树脂，因为碳纤维增强塑料用于土木工程加固首先考虑的是树脂的强度和施工人员的安全健康和施工环境本身。由于环氧树脂具有强度高、伸长率好、刺激性低、不含挥发性溶剂等优点，已成为碳纤维增强塑料增强结构中基体材料的主流。改性环氧树脂，

梁加固用单向碳纤维板的特点

1) 优异的耐腐蚀性和耐候性

碳纤维增强塑料在土木工程领域作为钢材的替代品，最直接的原因是它具有钢材无法比拟的耐腐蚀性和耐候性。桥梁结构钢筋锈蚀是桥梁最严重的病害之一。根据美国公路战略研究项目的报告，1986年美国修复因锈蚀造成的桥梁损坏的费用达200亿美元，而且这一费用还在以每年约5亿美元的速度递增。 . 钢筋腐蚀一般是电化学腐蚀。当氯离子侵入、混凝土环境的碱度、或拉伸开裂等因素造成钢筋表面钝化状态全部或部分破坏时，钢筋表面不同部位出现较大的电位差，形成阳极和阴极。在某些情况下（如存在氧气和水），钢筋会腐蚀，降低结构的承载能力。研究结果表明，在弱酸性环境下，经过10000次冻融循环、干湿交替、一定光照时间、70℃热水浸泡30天后，碳素的耐久性、耐腐蚀性和抗老化性纤维性能不降低，疲劳强度仍保留80%。与碳纤维配合使用的基体环氧树脂在正常使用温度下在pH 3～l3范围内具有良好的稳定性。此外，当加速老化为10000h（约相当于在大气中实际暴露35年以上）时，匹配基体树脂的粘合强度保持不变，具有良好的耐久性。可见，碳纤维增强塑料具有优异的耐腐蚀性能，因此，在短时间内已成为最具竞争力的钢材替代品。

2）工艺简单，施工方便，工作效率高

碳纤维板加固桥梁结构无湿作业，无大型施工设备，无现场固定设施，施工空间少。常用的碳纤维有布材和板材。布料为单向或双向布织物。其宽度可以为20cm、30cm、50cm、100cm，长度为50m/轮胎~100m/卷。现场使用可根据需要用剪刀或刀片剪开。与钢板不同，不需要特殊的切割工具。据相关统计，同样是粘贴式加固法，粘贴式碳纤维布法是粘贴式钢结构施工效率的4～8倍。

3) 现有缺陷

(1)延展性不足；(2)弹性模量与强度之比过低；(3)环氧树脂层传递的剪切力有限。 

上述缺陷在一定程度上限制了碳纤维增强塑料在增强领域的应用。因为结构往往不仅需要强度增强，还需要刚度增强，而碳纤维的材料特性决定了普通技术无法进行的刚度增强，具有较好的经济效益。即使大量粘贴碳纤维增强塑料以提高结构刚度，由于环氧树脂的材料特性和弯曲和剪切裂纹处的应力集中，也容易造成碳纤维增强塑料之间的界面。塑料和混凝土剥落并损坏粘合。最终降低了加固结构的可靠性。此外，

结论

单向碳纤维板加固是一种新型加固技术，具有其他加固技术无法比拟的优越性能，在桥梁加固领域具有广阔的应用前景。虽然存在一定的不足，但只要合理使用，扬长避短，还是非常适合桥梁结构加固的。单向碳纤维板加固技术在桥梁加固工程中的应用，可以极大地促进交通基础设施的建设。