2.3 碳纤维布加固法
　　2.3.1 碳纤维布加固机理
　　工程材料的进步及新材料的出现历来是土木结构工程发展的先驱和动力。碳纤维材料的出现和成功应用于土木工程的加固和补强上，使土木工程加固技术研究更上一个台阶。碳纤维是一种新型材料,因其质轻、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高而被广泛应用。碳纤维布(片)加固法亦被视为梁式桥加固补强、提高承载能力,尤其是当高度受限制时的首选加固方法,其施工工艺也很简单。
　　2.3.2 碳纤维布加固法受力分析与设计计算
　　2.3.2.1 加固受力特点分析
　　(1)与传统的其它加固方法相比，采用碳纤维布加固桥梁能最小程度的改变原有结构的应力分布，保证在设计荷载范围内与原结构共同受力；
　　(2)将抗拉性能优良的碳纤维布用粘结材料粘贴到梁体底面或箱梁内壁上，使其与原结构一起参与受力，即碳纤维布可以与原结构内布置的钢筋共同承受拉力，以提高桥梁的承载能力；
　　(3)沿桥梁的主拉应力方向(或与裂缝正交方向)粘贴碳纤维布，两端分别设置锚固端；据此可约束混凝土表面裂缝、防止裂缝再扩展，从而达到提高构件抗弯刚度、减少构件挠度、改善梁体受力状态的目的；
　　(4)目前可用于桥梁结构加固用的碳纤维布、单向碳纤维交织布、双向碳纤维交织布及单向碳纤维层压材料等，可根据不同的结构部位和受力特点与方向等，选择相应的碳纤维布进行加固；
　　(5)碳纤维布加固混凝土构件，在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用量过多时，构件的破坏形态将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被突然压碎破坏。与此同时，由于碳纤维为完全弹性材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。碳纤维布用量过多，构件的延性将有所降低。因此，碳纤维布用于钢筋混凝土梁式桥加固补强时，应根据实际情况合理使用；
　　(6)由于碳纤维布加固后在最后破坏时的突然性(拉断或剥离等脆性破坏)，其承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土的定义，一般应按碳纤维抗拉强度的2/3进行抗弯承载力计算；
　　(7)试验研究证实，碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力，其作用机理与箍筋类似，同时还能明显改善构件的变形性能，增强构件的变形能力；
　　(8)碳纤维布与混凝土基层界面，可分为两个界面区，即混凝土层与粘结树脂界面区、粘结树脂与碳纤维布界面区。粘结性能的本质是接触面间的相互作用，宏观上表现为液态聚合物浸润表面后形成的机械锁结，微观上表现为分子扩散后相互缠结作用，或化学键作用，或静电吸引作用，或其复合作用。
　　2.3.2.2 碳纤维布加固计算要点
　　(1)采用碳纤维布加固桥梁，目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准(例如强度或容许应力)近似换算成一定用量的钢筋，然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析。虽然是近似计算方法，但理论分析结果与实验数据吻合得很好，因此在一般情况下是适用的。
　　(2)碳纤维布加固用量，可按式(2-3)估算。
　　Acf=As(Ry/Rcf) (2-3)
　　式中，Acf ——碳纤维布用量(面积)；As ——为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积；Ry ——钢筋的抗拉设计强度；
　　Rcf ——碳纤维布抗拉设计强度。
　　(3)除按上式估算的碳纤维布加固用量(面积)外，还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积，以及必要的边、角废料等裁减损耗等。
　　2.3.2.3 碳纤维布加固桥梁特点
　　(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，加上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很小，可忽略不计。同时，碳纤维布可以多层粘结。根据加固的要求，碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴，充分满足加固的要求。这一优点是传统加固补强方式所难以比拟的。
　　(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，施工难度大。采用碳纤维布补强法，因碳纤维布的随型性极强的特点，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，产生极大的社会及经济效益。
　　(3)施工简便
　　特别是当箱梁内部的作业空间受到限制时，碳纤维布加固法是可选择的一种方法。该法工艺简便，无需大型设备、模板、夹具及支撑，操作起来简单易行，因而施工所需工作面小，在作业空间受限制时，该优点是其它加固方法无法比拟的。
　　(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。
　　(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，不仅封闭了混凝土的裂缝，其高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的产生和扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微的裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。
　　(6)碳纤维布(片)具有良好的耐化学腐蚀性
　　碳纤维布(片)一种复合材料，几乎无腐蚀性和磁性，具有良好的耐热性，不仅能经得起水泥碱性的侵蚀，而且当应用于经常受盐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越性。
　　(7)不影响结构的外观
　　碳纤维布(片)的厚度很薄，粘贴固化后其表面还可以涂刷一层与原结构外观颜色一致的涂料，而不影响结构的外观。
　　2.4 粘贴钢板加固法
　　2.4.1 粘贴钢板法加固机理
　　贴钢法加固桥梁一般采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋或玻璃钢等抗拉强度较高的材料粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面，使之与结构物形成整体，从而取得提高构件的抗弯能力，以及减少裂缝扩展的效果。该加固方法具有施工简便，粘钢所占空间小，不减少桥梁净空，加固施工周期短，消耗材料少，粘钢加固部位、范围与强度可视设计构造需要灵活设置，并可在不影响或少影响交通的情况下施工。所以，贴钢法是常用的加固方法。
　　2.4.2 粘贴钢板法计算理论
　　2.4.2.1 受弯构件的计算
　　受弯构件截面强度不足时在受拉区加固，可采取在受拉区表面粘贴钢板的方法，如图3。此时，按截面受弯承载力计算，可按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》规定进行，其受压区高度和截面受弯承载力可按式(2-4)和式(2-5)确定。
　　图3 粘贴钢板法加固图示
　　(2-4) (2-5)
　　式中，fy0 —原结构纵向钢筋抗拉强度设计值；As0—原结构纵向受拉钢筋截面面积；fay—加固钢板抗拉强度设计值；Aa—加固钢板截面面积；—原结构纵向受压钢筋抗拉强度设计值；A’so—原结构纵向受压钢筋截面面积；fcm0—原结构混凝土弯曲抗压强度设计值；X—混凝土受压区高度；b0—原构件的宽度；h0—原构件的有效高度；—原构件的受压区保护层厚度；0.9—考虑加固钢板的应力滞后、以及撕脱力影响等强度折减系数。
　　2.4.2.2 钢板锚固长度计算
　　(1) 受拉钢板在其加固点外的锚固粘结长度L1 ,按式(2-6)确定。
　　L1≥2fayta/fcv (2-6)
　　式中，Ta—受拉加固钢板厚度; fcv—被粘混凝土抗剪强度设计值。
　　公式中数值2为锚固区剪应力分布不均匀系数,近似按三角形考虑。
　　(2) 若钢板粘结长度无法满足上述要求,可在钢板的端部锚固区粘结U型箍板，如图4。
　　图4 粘贴钢板法加固计算图式
　　此时，锚固区的长度应满足下列规定：
　　当fvb1≤2fcvLu时
　　f≤0.5f(2-7)cvb1L1+0.7nfvbbb1 ayAa
　　当fvb1>2fcvLu时
　　f ayAa≤(0.5b1L1+ nbuLu) fcv (2-8)
　　式中，n—每端箍板数量; bu—箍板宽度; Lu—箍板单肢的梁侧混凝土的粘结长度;fv—钢与钢粘结抗剪强度设计值。
　　2.4.2.3 斜截面粘结钢板加固计算
　　当构件斜截面受剪承载力不足时,按下图所示方法粘结并联U型箍板进行加固。
　　如图5，此时斜截面受剪承载力
　　V≤Vo+2fayAalLu /S (2-9)
　　同时，必须满足以下条件：
　　L≥(2-10) 1.5 u /S
　　式中，V—斜截面剪力设计值; V0—原构件斜截面受剪承载力设计值; Aal—单肢箍板截面面积; S—箍板轴线间距。