毛利 王京偉 寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司

港口工程受海洋環(huán)境、材料劣化、施工缺陷、使用年限等因素的作用下會(huì)有不同程度的損傷和破壞，甚至?xí)芯植靠逅鹿?。寧波舟山港寧波港域是我?guó)大陸重要的集裝箱遠(yuǎn)洋干線港，也是我國(guó)大陸鐵礦、原油、液化品中轉(zhuǎn)儲(chǔ)存基地和華東地區(qū)主要的煤炭中轉(zhuǎn)儲(chǔ)存基地，是我國(guó)四大深水樞紐港之一。1979年寧波港正式對(duì)外開(kāi)放，目前全市共有生產(chǎn)性碼頭泊位329個(gè)，大部分碼頭建成使用都超30年，對(duì)碼頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固改造，提升碼頭的服務(wù)能級(jí)成為解決岸線資源問(wèn)題的重要途徑。根據(jù)歷年檢測(cè)報(bào)告，大部分碼頭縱橫梁、面板、樁基等出現(xiàn)不同程度病害。當(dāng)前由于傳統(tǒng)的碼頭加固技術(shù)弊端明顯，急需一種新型的經(jīng)濟(jì)高效技術(shù)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber Reinforced Rolymer,簡(jiǎn)稱CFRP）具有高強(qiáng)，輕質(zhì)，施工簡(jiǎn)便，耐疲勞、耐腐蝕等特點(diǎn)，具有良好的碼頭結(jié)構(gòu)工程加固應(yīng)用前景。

1.目前常規(guī)碳纖維布加固方法

目前常規(guī)對(duì)劣化等級(jí)為D級(jí)的帽梁、面板構(gòu)件處理方法：將破損、銹脹、露筋、裂縫周圍的松散砼鑿除銹蝕的鋼筋除銹，用清水沖洗干燥后，鋼筋涂防腐涂料→噴射高強(qiáng)水泥砂漿進(jìn)行封閉加固→表面黏貼兩層碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)→整體涂刷環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂料。對(duì)劣化等級(jí)為C級(jí)的帽梁、面板構(gòu)件處理方法：將破損區(qū)域周圍的松散砼鑿除→表面涂抹高強(qiáng)水泥砂漿修補(bǔ)平整→表面黏貼單層碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)→整體涂刷環(huán)氧樹(shù)脂防腐涂料。

采用碳纖維布加固，對(duì)提高梁板抗彎承載力有一定效果，可以提高承載力10%～20%左右，但碳纖維布屬被動(dòng)加固，材料利用率低，極限狀態(tài)下材料僅能發(fā)揮10%左右的強(qiáng)度，在加固設(shè)計(jì)中，碳纖維復(fù)合材料采用配套樹(shù)脂類黏結(jié)材料可靠地黏貼于構(gòu)件表面。在受力過(guò)程中應(yīng)與構(gòu)件保證變形協(xié)調(diào)，不應(yīng)由于粘貼面的過(guò)早剝離而導(dǎo)致纖維復(fù)合材料受力失效，結(jié)構(gòu)計(jì)算的設(shè)計(jì)計(jì)算方法也是基于這一條件建立的。

在實(shí)際項(xiàng)目施工中，根據(jù)近幾年項(xiàng)目回訪，部分加固后3～5年的碼頭，碳纖維布由于施工因素、環(huán)境因素等出現(xiàn)了不同程度的剝落，影響了碳纖維布材料強(qiáng)度整體受力發(fā)揮，也對(duì)加固效果有一定影響。

2.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)

采用碳纖維板體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)主動(dòng)提升梁板的承載力，同時(shí)也解決了碳纖維布使用出現(xiàn)剝落等不利因素。

碳纖維板具有高強(qiáng)度，低密度，高彈性模量，耐疲勞及耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到2400MPa～3500MPa?，F(xiàn)有的非預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)對(duì)材料抗拉強(qiáng)度利用率不到9%，且難以抑制結(jié)構(gòu)變形和裂縫發(fā)展。為充分發(fā)揮碳纖維材料力學(xué)性能，加固時(shí)需要對(duì)該材料施加較高水平的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力碳纖維板橋梁加固技術(shù)較傳統(tǒng)的加固技術(shù)具有不增加結(jié)構(gòu)自重、承載能力大幅提高、增加剛度、施工便利、工期短、后期無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

碳纖維板錨固系統(tǒng)性能參數(shù)：

碳纖維板抗拉強(qiáng)度：2400MPa。

碳纖維板彈性模量：160GPa。

錨固效率：超過(guò)95%。

疲勞性能：能承受超200萬(wàn)次應(yīng)力幅為168MPa的循環(huán)荷載作用。

耐久性：環(huán)境加速腐蝕試驗(yàn)表明，能滿足50年設(shè)計(jì)耐久性要求。

根據(jù)寧波港沿海某碼頭引橋梁板計(jì)算，對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖板加固承載力進(jìn)行計(jì)算分析：

（1）加固前承載力。

梁截面有效高度計(jì)算：

混凝土受壓區(qū)高度計(jì)算:

則正截面抗彎承載能力計(jì)算：

（2）加固后承載力

在第一階段彎矩以及碳纖維張拉應(yīng)力下的受拉邊緣混凝土的應(yīng)變計(jì)算：

則碳纖維筋達(dá)到其允許拉應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值與混凝土壓壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的界限相對(duì)受壓區(qū)高度:

則加固后的抗彎承載力為：

（2）加固后承載力提高比例：

根據(jù)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力碳纖維板提高承載力約20%。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系，通過(guò)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料施加預(yù)應(yīng)力來(lái)克服上述缺陷。對(duì)碳纖維施加了預(yù)應(yīng)力后，避免了碳纖維片材應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，使碳纖維板強(qiáng)度有效發(fā)揮，提升結(jié)構(gòu)承載力，同時(shí)提高受彎構(gòu)件的抗彎剛度，減小原構(gòu)件的撓度，抑制構(gòu)件變形和裂縫擴(kuò)展，解決了碳纖維強(qiáng)度和彈性模量比值過(guò)高的矛盾，對(duì)碳纖維強(qiáng)度的利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出未施加預(yù)應(yīng)力的情況。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板作為主動(dòng)加固技術(shù)對(duì)梁板承載力提高較高，同時(shí)基本也不增加原結(jié)構(gòu)自重，施工便利，施工質(zhì)量較碳纖布易控制，后期維護(hù)方便，耐久性高，解決了常規(guī)碳纖布易于剝落、耐久性差的問(wèn)題，有效發(fā)揮碳纖維板的強(qiáng)度。

3.結(jié)論

隨著今后老舊碼頭越來(lái)越多，對(duì)老舊碼頭的加固改造也勢(shì)在必行，通過(guò)預(yù)應(yīng)力碳纖維板或碳纖維筋等多種方法應(yīng)用，提升碼頭耐久性和使用壽命。預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)碳纖維強(qiáng)度的利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出未施加預(yù)應(yīng)力的情況，且耐腐蝕，同時(shí)也解決了常規(guī)碳纖維布耐久性差、易剝落等缺點(diǎn)，具有非常良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)今后老舊碼頭的改造也有一定的指導(dǎo)意義。