芳玻韧布复合纤维在桥梁加固中的应用

宋志远

上海久坚加固工程有限公司（ www.durab.com ）

    钢筋混凝土桥梁结构的加固采用的技术主要有：加大截面法、补加钢筋法、粘贴钢板法、体外预应力筋法、加八字支撑法、转换梁体截面形式法以及目前流行的粘贴增强复合纤维加固法等。纤维增强复合材料主要有玻璃纤维复合材料（ GFRP ）、碳纤维复合材料（ CFRP ）、芳纶纤维复合材料（ AFRP ）及混杂纤维复合材料。本文就美国芳玻韧布复合纤维（ TYFO ? Fibrwrap ）在桥梁结构加固中的成功应用作初步探讨。

  芳玻韧布复合纤维的特点

  ——材料特点

    芳玻韧布复合纤维于 1988 年在美国加州公路系统研制诞生并被申请专利，通过了极苛刻的 ICBO 认证，并在美国规范 ACI125 中推荐使用的加固系统。它是由增强纤维布（ TYFO ? SEH-51 ）与专用树脂（ TYFO ? S Epoxy ）现场粘合而形成的硬板状复合材料。 SEH-51 是由高强玻璃纤维丝（ E-glass ）和芳纶纤维丝（ Kevlar, 防弹衣材料）垂直编织的柔韧布，称为芳玻韧布。 芳玻韧布布料的面密度为 920g /m 2 ；与专用树脂复合后形成的硬板复合材料的名义厚度约 1.3mm ，抗拉强度为 575Mpa ，弹性模量为 26.2Gpa 、延伸率为 2.5% 。需要指出的是：目前国内一些单位将碳纤维布用于结构加固时，基本上以布的指标设计，一般未提实际工作时为复合材料的概念与有关力学性能。

与质量为 200g /m 2 一般碳纤维布相比， 芳玻韧布复合材料 有如下特点：

表 1 芳玻韧布与某碳纤维布的材料性能对比

——优越的性价比由表 1 可以看到， 芳玻韧布复合纤维具有优越的性价比，具体表现为：

——抗力高

从表 1 显而易见 , 同样粘贴一层纤维材料 , 在相同的变形下 , 芳玻韧布复合纤维提供的设计拉力是碳纤维布的 1.3 倍 , 极限拉力是碳纤维布的 1.9 倍 .

——延性好

芳玻韧布复合纤维的延伸率在 2%--4% 之间，比碳纤维的延伸率（ 1.4%--1.7% ）大得多。芳玻韧布复合纤维不仅延伸率大，且可抵抗侧向冲击。在某市通城河桥的加固中，用之包裹桥墩柱及横梁，不仅提升了承载能力 , 而且三年来实践证明保护了以前经常被过往船只撞坏的部位。

——与混凝土变形协调性好

芳玻韧布复合纤维的热膨胀系数及弹性模量均与钢筋混凝土接近，作为外贴材料与能在野外温差变化较大的桥梁混凝土结构变形协调。实验证明： 芳玻韧布复合纤维加固的受弯构件呈塑性破坏。

——不导电更耐久

芳玻韧布复合纤维为绝缘体，不会产生电化学腐蚀。耐高温，抗低温。其加速老化试验结果显示：在正常的环境下（无紫外线直射），其工作寿命至少 50 年。

——施工条件要求低

施工方便，对混凝土基层要求低，现场卷、捆、弯、压芳玻韧布均不会损折纤维。施工过程中可以不影响桥上正常的交通运行。

——对粘贴树脂要求较高（缺点）

由于芳玻韧布布料比起碳纤维布又厚又重，一般环氧树脂无法对其渗透包覆，因此它需要流动性好不易流析，穿透力强且耐久性能卓越的特种树脂。经过试验，用普通的碳纤维胶粘剂无法使芳玻韧布正常工作，必须使用专用树脂。

桥梁加固实践

——桥板梁加固原理

芳玻韧布复合纤维通过粘结树脂贴在待加固的混凝土构件侧面或底面形成新的复合受力系统，以提高原有结构的承载力和耐久性。包覆于树脂之中的高强纤维编织布是该系统的主要受力单元，纤维布中的玻璃纤维方向应和原结构中强度不足（如缺筋）的方向一致。其基本设计原理与一般碳纤维布相同，设计注意事项可参阅文献 [3] 。

以某桥的空心板（宽 1.2m 高 0.6m ，两孔）为例，可采用两种加固方案：
满贴一层芳玻韧布；
贴两条宽度为 400mm 的芳玻韧布。

（ a ）板梁方案 1 （ b ）板梁方案 2 （ c ）内力平衡 （ d ）变形协调

图 1 两种板梁加固方案比较

根据平截面假定及变形协调关系，第１种方案可增加桥板的抗弯强度至少 20 ％，第２种方案增加 12 ％。

——某桥加固后的检测情况

某旧的公路桥，上部结构采用 5 孔 10m 跨钢筋砼空心板梁，梁高 55cm ，宽 105cm 。原设计技术标准为汽车 -15 级，挂车 -80 。每片板梁底粘帖一层总宽为 68cm 的 TYFO ? 芳玻韧布，以期提升至汽车 -20 、挂车 -100 等级。经检测：板梁的砼强度为 27.4Mpa 。

加固工作完成三天后，采用两辆载满砂石的汽车模拟汽 -20 进行加载，每辆加载车前轴重 60KN ，后轴重 240KN ，挠度计、砼应变片、钢筋应变片及纤维应变片测点布置如下图：

图 2 板梁加固效果检测方案

以下为现场检测的部分结果

—— 钢筋应力实测值与计算值的比较表（ Mpa ）

——芳玻韧布应变实测值与计算值比较表（ x10 -6 ）

——主梁承载能力及鉴定系数

以偏载时挠度最大的 4# 梁为例，加固后该梁的极限承载力为 497.16KN*M ，在汽车 -20 级荷载作用下产生的荷载效应为 159.62KN*M ，恒载作用下产生的荷载效应为 142.4KN*M ，根据旧桥鉴定计算方法，该桥的主梁承载力鉴定系数为 1.46 。

以上表显示：原汽 -15 旧桥板在采用芳玻韧布加固后，在汽 -20 作用下，其刚度、应力、应变均在正常弹性工作范围内，加固后满足新的使用要求。

部分桥梁加固案例

截止目前为止，芳玻韧布复合纤维已在世界上被应用于上万例改造与加固修复工程；四年来 , 芳玻韧布复合纤维在国内也已应用了约 300 多项的结构工程中；其中在各种钢筋混凝土桥梁、预应力钢筋混凝土桥梁上，采用芳玻韧布复合纤维加固修复梁、拱、桥墩、桥台等构件的桥梁已 100 余座，其中拱桥 9 座， T 型梁桥 6 座，板梁桥 21 座，工型梁桥 12 座，下面是一些典型的桥梁加固案例。

——城北桥（ T 型梁桥）

城北桥位于江苏省 338 省道上，为钢筋混凝土 T 型简支梁桥。桥宽 36m ，每跨由 24 片 T 梁构成。城北桥为 13.8m + 13m + 16m + 19.8m + 17.1m ; 桥下为一重要交通要道，交通量大。因桥处于 338 省道，交通繁忙，桥面常有重载汽车行驶，原来对桥的设计荷载已难已满足日益增大的交通量，对每跨主车道的 16 片梁进行加固补强，全工程共加固 160 片，使之达到交通要求。此加固采用美国原装 芳玻韧布复合纤维，加固处理后桥梁在重车通过时挠度变形明显减小，强度明显提高。下面为城北桥加固前后相关资料。

（ a ）加固前 （ b ）加固后

图 3 城北桥加固

图 4 城北桥加固方案

——龙洞背大桥（拱桥）

龙洞背大桥位于 108 国道，地处秦岭山中，两岸山势陡峭，地势险要，桥下山沟深约 200 米 ，施工场地狭小。大桥为主跨 120 米 ，矢跨比 1/6 的钢筋混凝土箱形肋拱桥。采用等截面悬链线无铰拱，拱轴系数 m=1.988 。主拱肋截面高 2.0m ，采用两肋，每肋由两箱组成。通过设计复算及现桥检测，原有拱肋由于施工质量等原因存在较多缺陷，砼钻取芯样结果强度未完全满足 C30 要求，现浇接头、拱顶段及左肋底部砼强度存在薄弱环节。经研究决定，采用芳玻韧布复合纤维对原拱肋进行维修加固，提高承载力，加大安全度。因为此复合材料的优异性能和简便的施工条件，成功的解决了此加固难题，现已正常运营使用。

——某高速公路桥（板桥）

该高速公路上几十座桥均采用预制空心板梁，板梁跨度在 10~ 16 米 之间, 桥墩下部结构为扩大基础，柱式桥墩，由于该高速公路段为软基，通行几年后对软路基进行改造填高，因此桥面上增加了静荷载；同时在板底发现有板底漏筋、混凝土剥落露筋及裂缝等症状，需对其进行加固、修复补强。加固竣工后，有关专家对此桥进行检测试验，结果表明，芳玻韧布复合纤维加固完全达到设计要求。

——通江口大桥（工字梁）

该桥共 35 孔，单孔跨径 16.8 米 ，每孔由 5 片工字梁与微弯板组合而成。 1972 年建成通车，当时设计荷载汽 -13 ，拖 -60 ，现根据交通需要将荷载提升到汽 -20 ，拖 -100 等级。经设计院对粘钢、碳纤维及芳玻韧布复合纤维加固方案的经济与实用性比较，最终采用梁底粘贴抗弯、梁侧间隔粘贴 U 型箍抗剪芳玻韧布复合纤维的方案。该桥在加固前后均做啦现场车辆动静载测试，结果表示该方案满足了业主提升等级的要求。

结论

随着我国交通事业的飞速发展，现在及今后相当长的一段时期，各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内的加固材料集中在体外预应力、碳纤维、粘钢板等方面，芳玻韧布复合纤维具有鲜明的特点，并且由于其性价比明显优势，相信会越来越广泛地被大家关注，成为我们旧危桥加固的又一新技术（宋志远： 1988 年结构硕士，加固专家， 13501739825 ）。