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摘要：将碳纤维作为智能材料应用于桥梁结构中，应用碳纤维混凝土的电—热效应、电—力效应，提高桥梁的承载能力和变形能力，开拓碳纤维混凝土应用领域，并为桥梁结构控制和桥梁智能化提出新的研究方法，而且为新型桥梁开发和旧桥加固拓展一条新路。
关键词：碳纤维混凝土；桥梁智能化；提高承载力
Abstract: the intelligent material used in carbon fiber as the bridge structure, the application of carbon fiber concrete electric heating, electricity-force-effect, to improve the bearing capacity of the bridge and deformation capacity, open up the carbon fiber concrete application field, and for the bridge structure control and puts forward a new method of intelligent bridge, and for the new bridge development and strengthening old bridge is expanding a new road.
Keywords: carbon fiber concrete; Intelligent bridge; Improve the bearing capacity
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1.引言
近年来国内外的桥梁研究者们都在努力探索新的具有自诊断和自修复的智能桥梁结构。健康监测系统等一系列的桥梁结构智能控制系统已成为近年研究的焦点，并已经取得了一些成就，光纤光栅传感技术以及一些引入复合材料后具有机敏性的智能混凝土的应用与研究，为人类桥梁史的发展开辟了新的途径。
智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分,使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性，可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还有一定困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现，为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。
本研究以国家自然科学基金项目为资助，以318国道湖北荆州一座急待改建小桥为依托工程，初步探讨碳纤维混凝土智能材料在桥梁结构中的应用，取得了很好的应用效果。
2.实桥改造试验方案
观音垱桥是318国道上的一座小桥，该桥为(1×6.80)米钢筋混凝土板桥，桥面总宽为14.10米，两边各有0.30米宽钢筋混凝土路缘石，净宽为13.50米。设计荷载为：公路Ⅱ级；公路等级：二级公路。由于该桥处于国道上，日交通量大，重载车日益增多，且使用已久，出现了桥面龟裂，主板出现大量裂缝，伸缩缝坏死，支撑梁损坏等病害。故对桥作如下改造、加固措施。
2.1 三片钢桁架。钢桁架用钢δ22，Q235；焊条，E43型；焊缝厚6mm。
各桁架布置标高一致；在桁架入台耳处的桥台内预埋300×300×10mm钢板，下焊4根φ8长100mm钢筋，桁架与预埋钢板焊接。
2.2 三个碳纤维混凝土短柱。短柱：C30混凝土，内掺含体积率1%的短切碳纤维。
短柱上下有两电极，并将电线接上并外引至南侧桥边，电源为110V，短柱两侧粘好测温度的线，并外引至南侧桥边；短柱4侧打磨干净，再涂两遍酚醛树脂；在短柱顶面上现灌托梁。
2.3 一个托梁。托梁：C30混凝土，8Φ16。
托梁构造如下：（1）N3为托架往下凸出部分内的钢筋，每处4Φ16，与N1 ，N2绑扎，并于往下凸出部分50cm，内布4φ8@150箍筋。（2）托梁分两次浇灌，南侧托梁与梁板间预留2 cm间隙，北侧托梁与梁板间预留1cm间隙，第一次浇筑路左幅（南侧）705cm部分；待右边公路行车后再灌右幅（北侧）705cm部分。
2.4 更换梁板及桥面铺装。
装应变片的空心板共5块，布置在3个上和桁架之间，其中桁架上的板装4块应变片，另2块装2块应变片。在安装处先将钢筋打磨光滑，让应变片完全接触钢筋，涂上环氧树脂，贴上应变片，绑上粘胶，然后用紗布一层层裹实，每裹一层涂上一层环氧树脂；每块板的应变线做上记号，并外引至南侧桥边。
3.碳纤维混凝土桥梁智能化方案与试验
3.1 研究了组合结构体系
用桁架与梁组合，使梁跨中弯矩减少40﹪。
3.2 提出了三种智能材料在桥梁结构中的应用方案
（1）梁中CFRP混凝土层桥梁结构
图1-1短切碳纤维混凝土梁
图1-1所示结构在梁的下缘作成CFRP混凝土簿层如2cm，通过电极通电，CFRP混凝土层发热升温，从而梁上下缘产生温差，超静定梁就产生负弯矩和
上拱，这样，梁弯矩和挠度分别下降54﹪和96﹪，但是耗电较大。
（2）桁架梁智能结构
如图1-2所示结构的桁架与梁不直接接触，在桥宽方向布置多片桁架，在各竖杆底端用联系杆将桁架横向联系起来，用托梁（可用钢筋混凝土构件）将各片梁（板）横向托起，CFRP混凝土短柱紧挨桁架竖杆，置于联系杆和托梁之间。短柱通电升温就伸长，这就可智能化地向梁提供向上的力，从而减少梁的弯矩和桡度，效果分别达到73﹪和64﹪。
图1-2. 桁架梁智能结构图1-3. 斜撑梁智能结构
（3）斜撑梁智能结构
如图1-3所示结果，斜撑支在桥台（墩）上，CFRP混凝土短柱置于梁和斜撑之间并紧密接触；CFRP混凝土短柱通电后，短柱伸长给梁顶力，所以梁的弯矩和桡度减少，效果都可超过90﹪甚至达到100﹪。
智能材料在桥梁中控制效果：CFRP层砼桥，弯矩下降54%，挠度下降96%；桁架梁智能桥，弯矩下降73%，挠度下降64%；斜撑梁智能桥，弯矩下降90%以上，挠度下降90%以上。
由此可见优良排序：斜撑梁智能桥、桁架梁智能桥、CFRP混凝土层桥
3.3 CFRP混凝土材料特性试验
通过试验获得CFRP混凝土材料特性，主要为电—热效应、导电性能、时间温度关系、时间变形关系；
我们做了7个200×200×300mm（1#~7#）和3个200×200×500mm（8#~10#）的短柱，碳纤维体积率为1%，试验电压为110v。
（1） 1#~7#试件的平均电阻率为41.2Ω，8#~10#试件的平均电阻率为31.7Ω；而试件150×150×200mm（无纤维）的电阻率为3.5×106Ω。可见此类碳纤维短柱具有较强的导电性能（其电阻比普通混凝土柱少了五个数量级）；
（2） 短柱通电时温度T（°C）随时间t（min）呈直线变化，T=0.62t+21；
（3） 變形Δ（mm）与时间t（min）的关系：Δ= 0.0018t这说明短柱伸长变形。
4.碳纤维混凝土桥梁智能化理论研究
由碳纤维混凝土桥梁智能化方案与试验可见，对于图1-2和图1-3所示的智能结构，考察梁的承载力和挠度限值，则：
1），则碳纤维混凝土短柱要求： （1-1）
式（1-1）中，为简支梁挠度，和分别为短柱的线膨胀系数和上升温度。
（1-2）
式（1-2）中，对图1-2，；对图1-3，；、、分别为梁的刚度、短柱刚度、桁架（或斜撑）刚度；为跨度。
2）承载力控制，则短柱要求
（1-3）
式（1-3）中，为简支梁跨中弯矩。
由式（1-1）、式（1-3）可见：
a、当简支梁挠度很大时，很有必要采用短切碳纤维短柱，即在超重车作用下，此短柱作用有效；
b、当简支梁跨中弯矩很大时，很有必要采用短柱，即在超重车作用下，此短柱作用有效。
以上研究的均属小跨桥梁，现研究中跨桥梁，如图1-4所示
图1-4 桁架梁智能结构
梁参数：、、；
短柱：C30，，，；
桁架：全为[22，，，角；
荷载：自重均布荷载：；
车道荷载：均布荷载和集中荷载；
桁架处桥横向分布系数为。
则短柱和桁架对梁支撑的弹簧常数为：
，（1-4）
则跨中弯矩影响线为图1-5所示。
图1-5 跨中弯矩影响线
图1-5中，，，，；
不考虑短柱智能温度时，跨中弯矩为：
（1-5）
式中：；；；
考虑短柱智能升温作用时，跨中弯矩增量：
（1-6）
以上研究建立在基础之上；当时，式（1-5）中取的值。
而挠度如式（1-7）所示。
（1-7）
由上式（1-6）、（1-7）可见：
a、短柱不升温（即）时，组合结构使原简支梁弯矩和挠度减小；
b、短柱升温时（），智能结构使原简支梁弯矩和挠度大幅减小。
5.智能桥梁结构荷载试验对比研究
室内桥梁试验见图1-6。
通过外观检查、荷载试验，测试结构各关键部位的应力、挠度，主要得到以下结论：
1)、在碳纤维短柱升温的情况下，各测点的挠度和变形都明显减小，减小了75%--86%；
2)、将实测结果与理论计算值进行比较，得到结构校验系数，跨中应力的最大校验系数为0.933小于1，满足规范要求。主要测点挠度实测值均小于理论计算值,说明结构设计具有一定安全储备，满足设计荷载的能力；
3)、在卸下短柱后荷载达到42KN时试件开始出现裂缝，距达到最大荷载还留有21%的空间。
图1-6 均布荷载加载图
6.结论
短切碳纤维混凝土通过318国道湖北荆州观音垱小桥维修改造应用，采用理论研究与实际桥梁加固研究和试验相结合的方法，初步探明碳纤维混凝土具有很好的智能材料作用，通过室内试验获得CFRP混凝土材料良好的电—热效应、导电性能，以及时间温度关系和时间变形关系。实桥试验表明：在碳纤维短柱升温的情况下，各测点的挠度和变形都明显降低，减小了75%--86%；跨中应力满足规范要求。主要测点挠度实测值均小于理论计算值,说明结构设计具有一定安全储备，满足设计荷载的能力，达到了预期的效果。为新型桥梁开发和旧桥加固工程提供了借鉴，为碳纤维混凝土智能桥梁结构的开发取得了取得了初步研究与试验方法和成功的实践。本研究表明碳纤维混凝土的高力学性能及优良的机敏性在智能土木结构中的发展前景，它良好的导电和导热性能使之成为智能混凝土的最佳复合材料之一。
参考文献：
[1] W.B.Spillman, Jr.. The evolution of smart structures/materials. First Euro -pean Conference on Smart Structure and Materials,1992（4）：97-113
[2] Rogers C. A.. Intelligent material system-the down of a new material age[J]. Journal of Intelligent Material Systems,1992,4(1):4-12
[3] 黄尚廉.智能材料系统与结构[J].世界科技研究与发展，1996,9(3)：61-63
[4] Pu-Woei Chen, D.D.L.Chung. Carbon fiber reinforced concrete for smart struc -tures capable of non-destructive flow detection. Smart Mater.Struct., 1993,(2):22-30.
[5] Xie Ping. J.J.Beaudoin. Electrically Conductive Concrete and Its Application in Deicing[J]. Advances in Concrete Technology,1995：399-417.
[6] 刘小艳,姚武,伍建平.内埋碳纤维砂浆调节混凝土梁承载能力的试验研究[J].复合材料,2005,(4):6-8
[7] 侯作富,李卓球,胡胜良.导电混凝土导热系数分析的电热有限元法[J].实验力学, 2002,17(4):464-469
[8] 唐祖全,李卓球,侯作富,徐东亮.导电混凝土路面材料的性能分析及导电组分选择[J].混凝土,2002,(4):28-31
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：碳纤维混凝土；桥梁智能化；提高承载力
Abstract: the intelligent material used in carbon fiber as the bridge structure, the application of carbon fiber concrete electric heating, electricity-force-effect, to improve the bearing capacity of the bridge and deformation capacity, open up the carbon fiber concrete application field, and for the bridge structure control and puts forward a new method of intelligent bridge, and for the new bridge development and strengthening old bridge is expanding a new road.
Keywords: carbon fiber concrete; Intelligent bridge; Improve the bearing capacity
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
1.引言
近年来国内外的桥梁研究者们都在努力探索新的具有自诊断和自修复的智能桥梁结构。健康监测系统等一系列的桥梁结构智能控制系统已成为近年研究的焦点，并已经取得了一些成就，光纤光栅传感技术以及一些引入复合材料后具有机敏性的智能混凝土的应用与研究，为人类桥梁史的发展开辟了新的途径。
智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分,使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性，可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还有一定困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现，为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。
本研究以国家自然科学基金项目为资助，以318国道湖北荆州一座急待改建小桥为依托工程，初步探讨碳纤维混凝土智能材料在桥梁结构中的应用，取得了很好的应用效果。
2.实桥改造试验方案
观音垱桥是318国道上的一座小桥，该桥为(1×6.80)米钢筋混凝土板桥，桥面总宽为14.10米，两边各有0.30米宽钢筋混凝土路缘石，净宽为13.50米。设计荷载为：公路Ⅱ级；公路等级：二级公路。由于该桥处于国道上，日交通量大，重载车日益增多，且使用已久，出现了桥面龟裂，主板出现大量裂缝，伸缩缝坏死，支撑梁损坏等病害。故对桥作如下改造、加固措施。
2.1 三片钢桁架。钢桁架用钢δ22，Q235；焊条，E43型；焊缝厚6mm。
各桁架布置标高一致；在桁架入台耳处的桥台内预埋300×300×10mm钢板，下焊4根φ8长100mm钢筋，桁架与预埋钢板焊接。
2.2 三个碳纤维混凝土短柱。短柱：C30混凝土，内掺含体积率1%的短切碳纤维。
短柱上下有两电极，并将电线接上并外引至南侧桥边，电源为110V，短柱两侧粘好测温度的线，并外引至南侧桥边；短柱4侧打磨干净，再涂两遍酚醛树脂；在短柱顶面上现灌托梁。
2.3 一个托梁。托梁：C30混凝土，8Φ16。
托梁构造如下：（1）N3为托架往下凸出部分内的钢筋，每处4Φ16，与N1 ，N2绑扎，并于往下凸出部分50cm，内布4φ8@150箍筋。（2）托梁分两次浇灌，南侧托梁与梁板间预留2 cm间隙，北侧托梁与梁板间预留1cm间隙，第一次浇筑路左幅（南侧）705cm部分；待右边公路行车后再灌右幅（北侧）705cm部分。
2.4 更换梁板及桥面铺装。
装应变片的空心板共5块，布置在3个上和桁架之间，其中桁架上的板装4块应变片，另2块装2块应变片。在安装处先将钢筋打磨光滑，让应变片完全接触钢筋，涂上环氧树脂，贴上应变片，绑上粘胶，然后用紗布一层层裹实，每裹一层涂上一层环氧树脂；每块板的应变线做上记号，并外引至南侧桥边。
3.碳纤维混凝土桥梁智能化方案与试验
3.1 研究了组合结构体系
用桁架与梁组合，使梁跨中弯矩减少40﹪。
3.2 提出了三种智能材料在桥梁结构中的应用方案
（1）梁中CFRP混凝土层桥梁结构
图1-1短切碳纤维混凝土梁
图1-1所示结构在梁的下缘作成CFRP混凝土簿层如2cm，通过电极通电，CFRP混凝土层发热升温，从而梁上下缘产生温差，超静定梁就产生负弯矩和
上拱，这样，梁弯矩和挠度分别下降54﹪和96﹪，但是耗电较大。
（2）桁架梁智能结构
如图1-2所示结构的桁架与梁不直接接触，在桥宽方向布置多片桁架，在各竖杆底端用联系杆将桁架横向联系起来，用托梁（可用钢筋混凝土构件）将各片梁（板）横向托起，CFRP混凝土短柱紧挨桁架竖杆，置于联系杆和托梁之间。短柱通电升温就伸长，这就可智能化地向梁提供向上的力，从而减少梁的弯矩和桡度，效果分别达到73﹪和64﹪。
图1-2. 桁架梁智能结构图1-3. 斜撑梁智能结构
（3）斜撑梁智能结构
如图1-3所示结果，斜撑支在桥台（墩）上，CFRP混凝土短柱置于梁和斜撑之间并紧密接触；CFRP混凝土短柱通电后，短柱伸长给梁顶力，所以梁的弯矩和桡度减少，效果都可超过90﹪甚至达到100﹪。
智能材料在桥梁中控制效果：CFRP层砼桥，弯矩下降54%，挠度下降96%；桁架梁智能桥，弯矩下降73%，挠度下降64%；斜撑梁智能桥，弯矩下降90%以上，挠度下降90%以上。
由此可见优良排序：斜撑梁智能桥、桁架梁智能桥、CFRP混凝土层桥
3.3 CFRP混凝土材料特性试验
通过试验获得CFRP混凝土材料特性，主要为电—热效应、导电性能、时间温度关系、时间变形关系；
我们做了7个200×200×300mm（1#~7#）和3个200×200×500mm（8#~10#）的短柱，碳纤维体积率为1%，试验电压为110v。
（1） 1#~7#试件的平均电阻率为41.2Ω，8#~10#试件的平均电阻率为31.7Ω；而试件150×150×200mm（无纤维）的电阻率为3.5×106Ω。可见此类碳纤维短柱具有较强的导电性能（其电阻比普通混凝土柱少了五个数量级）；
（2） 短柱通电时温度T（°C）随时间t（min）呈直线变化，T=0.62t+21；
（3） 變形Δ（mm）与时间t（min）的关系：Δ= 0.0018t这说明短柱伸长变形。
4.碳纤维混凝土桥梁智能化理论研究
由碳纤维混凝土桥梁智能化方案与试验可见，对于图1-2和图1-3所示的智能结构，考察梁的承载力和挠度限值，则：
1），则碳纤维混凝土短柱要求： （1-1）
式（1-1）中，为简支梁挠度，和分别为短柱的线膨胀系数和上升温度。
（1-2）
式（1-2）中，对图1-2，；对图1-3，；、、分别为梁的刚度、短柱刚度、桁架（或斜撑）刚度；为跨度。
2）承载力控制，则短柱要求
（1-3）
式（1-3）中，为简支梁跨中弯矩。
由式（1-1）、式（1-3）可见：
a、当简支梁挠度很大时，很有必要采用短切碳纤维短柱，即在超重车作用下，此短柱作用有效；
b、当简支梁跨中弯矩很大时，很有必要采用短柱，即在超重车作用下，此短柱作用有效。
以上研究的均属小跨桥梁，现研究中跨桥梁，如图1-4所示
图1-4 桁架梁智能结构
梁参数：、、；
短柱：C30，，，；
桁架：全为[22，，，角；
荷载：自重均布荷载：；
车道荷载：均布荷载和集中荷载；
桁架处桥横向分布系数为。
则短柱和桁架对梁支撑的弹簧常数为：
，（1-4）
则跨中弯矩影响线为图1-5所示。
图1-5 跨中弯矩影响线
图1-5中，，，，；
不考虑短柱智能温度时，跨中弯矩为：
（1-5）
式中：；；；
考虑短柱智能升温作用时，跨中弯矩增量：
（1-6）
以上研究建立在基础之上；当时，式（1-5）中取的值。
而挠度如式（1-7）所示。
（1-7）
由上式（1-6）、（1-7）可见：
a、短柱不升温（即）时，组合结构使原简支梁弯矩和挠度减小；
b、短柱升温时（），智能结构使原简支梁弯矩和挠度大幅减小。
5.智能桥梁结构荷载试验对比研究
室内桥梁试验见图1-6。
通过外观检查、荷载试验，测试结构各关键部位的应力、挠度，主要得到以下结论：
1)、在碳纤维短柱升温的情况下，各测点的挠度和变形都明显减小，减小了75%--86%；
2)、将实测结果与理论计算值进行比较，得到结构校验系数，跨中应力的最大校验系数为0.933小于1，满足规范要求。主要测点挠度实测值均小于理论计算值,说明结构设计具有一定安全储备，满足设计荷载的能力；
3)、在卸下短柱后荷载达到42KN时试件开始出现裂缝，距达到最大荷载还留有21%的空间。
图1-6 均布荷载加载图
6.结论
短切碳纤维混凝土通过318国道湖北荆州观音垱小桥维修改造应用，采用理论研究与实际桥梁加固研究和试验相结合的方法，初步探明碳纤维混凝土具有很好的智能材料作用，通过室内试验获得CFRP混凝土材料良好的电—热效应、导电性能，以及时间温度关系和时间变形关系。实桥试验表明：在碳纤维短柱升温的情况下，各测点的挠度和变形都明显降低，减小了75%--86%；跨中应力满足规范要求。主要测点挠度实测值均小于理论计算值,说明结构设计具有一定安全储备，满足设计荷载的能力，达到了预期的效果。为新型桥梁开发和旧桥加固工程提供了借鉴，为碳纤维混凝土智能桥梁结构的开发取得了取得了初步研究与试验方法和成功的实践。本研究表明碳纤维混凝土的高力学性能及优良的机敏性在智能土木结构中的发展前景，它良好的导电和导热性能使之成为智能混凝土的最佳复合材料之一。
参考文献：
[1] W.B.Spillman, Jr.. The evolution of smart structures/materials. First Euro -pean Conference on Smart Structure and Materials,1992（4）：97-113
[2] Rogers C. A.. Intelligent material system-the down of a new material age[J]. Journal of Intelligent Material Systems,1992,4(1):4-12
[3] 黄尚廉.智能材料系统与结构[J].世界科技研究与发展，1996,9(3)：61-63
[4] Pu-Woei Chen, D.D.L.Chung. Carbon fiber reinforced concrete for smart struc -tures capable of non-destructive flow detection. Smart Mater.Struct., 1993,(2):22-30.
[5] Xie Ping. J.J.Beaudoin. Electrically Conductive Concrete and Its Application in Deicing[J]. Advances in Concrete Technology,1995：399-417.
[6] 刘小艳,姚武,伍建平.内埋碳纤维砂浆调节混凝土梁承载能力的试验研究[J].复合材料,2005,(4):6-8
[7] 侯作富,李卓球,胡胜良.导电混凝土导热系数分析的电热有限元法[J].实验力学, 2002,17(4):464-469
[8] 唐祖全,李卓球,侯作富,徐东亮.导电混凝土路面材料的性能分析及导电组分选择[J].混凝土,2002,(4):28-31
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。