关于预应力碳纤维材料在码头加固改造中的应用
发布时间：2022-06-16
摘 要：随着今后老旧码头越来越多，对老旧码头的加固改造也势在必行，通过常规碳纤维布、预应力碳纤维板或碳纤维筋等多种方法应用比较，分析不同加固方法的优缺点。预应力碳纤维板桥梁加固技术较传统的加固技术具有不增加结构自重、承载能力大幅提高、增加刚度、施工便利、工期短、后期无需维护、耐腐蚀、对碳纤维板的利用率高等优点。同时也解决了常规碳纤维布耐久性差、易剥落等缺点，具有非常良好的经济效益和社会效益，对今后老旧码头的改造也有一定的指导意义。
关键词：碳纤维布 预应力碳纤板 结构加固 耐久性
港口工 程 受 海 洋 环 境 、材 料 劣化、施工缺陷、使用年限等因素的作用下会有不同程度的损伤和破坏，甚至会有局部垮塌事故 。宁波舟山港宁波港域是我国大陆重要的集装箱远洋干线港，也是我国大陆铁矿、原油、液化品中转储存基地和华东地区主要的煤炭中转储存基地，是我国四大深水枢纽港之一。1979年宁波港正式对外开放，目前全市共有生产性码头泊位329个，大部分码头建成使用都超30年，对码头进行结构加固改造，提升码头的服务能级 成为解决 岸 线 资源问题的重要途 径 。根 据历年检测报告，大部分码头纵横梁、面板、桩基等出现不同程度病害。当前由于传统的码头加固技术弊端明显，急需一种新型的经济高效技术。碳纤维增强复合材料(Carbon fiber Reinforced Rolymer ,简称CFRP)具有高强，轻质，施工简便，耐疲劳、耐腐蚀等特点，具有良好的码头结构工程加固应用前景。
1.目前常规碳纤维布加固方法
目前常规对劣化等级为D级的帽梁、面板构件处理方法：将破损、锈胀、露筋、裂缝周围的松散砼凿除锈蚀的钢筋除锈，用清水冲洗干燥后，钢筋涂防腐涂料→喷射高强水泥砂浆进行封闭加固→表面黏贴两层碳纤维布补强→整体涂刷环氧树脂防腐涂料。对劣化等级为C级的帽梁、面板构件处理方法：将破损区域周围的松散砼凿除→表面涂抹高强水泥砂浆修补平整→表面黏贴单层碳纤维布补强→整体涂刷环氧树脂防腐涂料。
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采用碳纤维布加固，对提高梁板抗弯承载力有一定效果，可以提高承载力10%~20%左右，但碳纤维布属被动加固，材料利用率低，极限状态下材料仅能发挥10%左右的强度，在加固设计中，碳纤维复合材料采用配套树脂类黏结材料可靠地黏贴于构件表面。在受力过程中应与构件保证变形协调，不应由于粘贴面的过早剥离而导致纤维复合材料受力失效，结构计算的设计计算方法也是基于这一条件建立的。
在实际项目施工中，根据近几年项目回访，部分加固后3~5年的码头，碳纤维布由于施工因素、环境因素等出现了不同程度的剥落，影响了碳纤维布材料强度整体受力发挥，也对加固效果有一定影响。
2.预应力碳纤维板加固方法
采用碳纤维板体外预应力加固技 术主动提升梁板的承 载力，同时也解决了碳纤维布使用出现剥落等不利因素。
碳 纤 维 板 具 有 高 强 度 ，低 密度 ，高 弹 性 模 量 ，耐 疲 劳 及 耐 腐蚀 等 突 出 优 点 ，抗 拉 强 度 达 到 2400MPa～3500MPa。现有的非预应力碳纤维加固技术对材料抗拉强度利用率不到9%，且难以抑制结构变形和裂缝发展。为充分发挥碳纤维材料力学性能，加固时需要对该材料施加较高水平的预应力。预应力碳纤维板桥梁加固技术较传统的加固技术具有不增加结构自重、承载能力大幅提高、增加刚度、施工便利、工期短、后期无需维护等优点。
碳纤维板锚固系统性能参数：
碳纤维板抗拉强度：
2400MPa。碳纤维板弹性模量：160GPa。
锚固效率：超过95%。
疲劳性能：能承受超200万次应力幅为168MPa的循环荷载作用。
耐久性：环 境 加速 腐蚀试 验 表明，能满足50年设计耐久性要求。
根据宁波港沿海某码头引桥梁板计算，
根据计算，预应力碳纤维板提高承载力约20%。
预应力碳纤维板锚固体系，通过对碳纤维增强复合材料施加预应力来克服上述缺陷。对碳纤维施加了预应力后，避免了碳纤维片材应变滞后的现象，使碳纤维板强度有效发挥，提升结构承载力，同时提高受弯构件的抗弯刚度，减小原构件的挠度，抑制构件变形和裂缝扩展，解决了碳纤维强度和弹性模量比值过高的矛盾，对碳纤维强度的利用远远超出未施加预应力的情况。
预应力碳纤维板作为主动加固技术对梁板承载力提高较高，同时基本也不增加原结构自重，施工便利，施工质量较碳纤布易控制，后期维护方便，耐久性高，解决了常规碳纤布易于剥落、耐久性差的问题，有效发挥碳纤维板的强度。
3.结论
随着今后老旧码头越来越多，对老旧码头的加固改造也势在必行，通过预应力碳纤维板或碳纤维筋等多种方法应用，提升码头耐久性和使用寿命。预应力碳纤维板对碳纤维强度的利用远远超出未施加预应力的情况，且耐腐蚀，同时也解决了常规碳纤维布耐久性差、易剥落等缺点，具有非常良好的经济效益和社会效益，对今后老旧码头的改造也有一定的指导意义。——论文作者：毛利 王京伟
参考文献：
[1]中交第一航务工程勘察设计院有限公司.海港工程设计手册.人民交通出版社股份有限公司,2018.
[2]袁旭斌,贺栓海,宋一凡.粘贴碳纤布加固RC梁的受弯裂缝计算公式.中国公路学报.2006.05.
[3]碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程(CSCS146:2003).
[4]混凝土结构加固设计规范(GB 50367- 2006).
