纖維復合材料加固橋梁技術(shù)研究

張東榮，李 斌，魏 洋

(1.陜西省西安市第一市政工程公司，西安710054;2.南京林業(yè)大學土木工程學院，南京210037)

1 前言

在既有橋梁運行過程中，由于結(jié)構(gòu)耐久性病害導致橋梁承載力不足，或者由于橋梁改造，荷載等級提高，使得橋梁現(xiàn)有承載力需要提高。目前，針對現(xiàn)有橋梁抗彎承載能力的不足，我國橋梁界的廣大工程技術(shù)人員進行了大量的研究工作，并提出了許多切實可行的加固方法，這些方法包括:加大截面法加固、粘鋼加固、體外預應力加固、纖維復合材料加固、改變結(jié)構(gòu)體系加固等。其中，纖維增強復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項新型、簡捷、高效的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，深受國內(nèi)外學者的重視并已得到了較為廣泛的應用和發(fā)展。

2 纖維復合材料加固技術(shù)

2.1 纖維復合材料加固技術(shù)的原理及研究應用現(xiàn)狀

纖維增強復合材料 (簡稱 FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Plastic)加固是20世紀80年代在美國、日本等發(fā)達國家研究開發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，上世紀末與本世紀初在我國進行了廣泛地研究，目前已大量應用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固實踐中。FRP的種類很多，按照原材料分可分為碳纖維 (CFRP)、玻璃纖維 (GFRP)、芳綸纖維 (AFRP)、玄武巖纖維 (BFRP)等［1］，其相應力學性能見表1，其中，CFRP以其優(yōu)異的力學性能在加固工程中得到廣大技術(shù)人員的青睞，BFRP由于其較好的強度及與CFRP相似的耐久性、松弛性能，在我國近幾年也得到了突飛猛進的發(fā)展，BFRP應用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固規(guī)范也在制訂之中。

表1 常用纖維復合材料的力學性能Tab.1 The mechanical properties of fiber reinforced composites

典型FRP和鋼筋的拉伸力學對比如圖1所示，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍，在拉伸過程中表現(xiàn)為線彈性的力學性質(zhì)，不同于普通鋼筋的彈塑性的應力－應變關(guān)系，F(xiàn)RP的彈性模量相近或低于鋼材，其一直至拉斷都表現(xiàn)為線彈性，破壞前沒有明顯征兆，極限應變遠遠低于普通鋼材，因此，利用FRP加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，會降低構(gòu)件的延性。

圖1 典型FRP和鋼筋的力學對比Fig.1 Comparison on mechanical propertiesbetween FRP and steel

FRP在橋梁加固工程中的應用原理與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工作原理相似，變結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋為外部粘貼的FRP，F(xiàn)RP加固是將FRP布用專用的樹脂類粘結(jié)膠粘貼在待加固混凝土結(jié)構(gòu)的表面，如圖2所示，使纖維布、樹脂膠、鋼筋混凝土有機地組合成一個完整結(jié)構(gòu)，在荷載作用下變形協(xié)調(diào)、共同受力、共同工作，充分發(fā)揮FRP的高強度抗拉作用，從而可以有效地提高被加固構(gòu)件的承載力，包括抗彎承載力、抗剪承載力及抗震能力［2－4］。纖維布成品一般呈成卷包裝，幅寬25cm、50cm等不同規(guī)格，加固時按需要裁剪;樹脂粘結(jié)膠一般包括底層膠、找平膠合浸漬膠，為雙組份，按預定比例進行混合后硬化，溫度越高硬化越快纖維布的粘貼在結(jié)構(gòu)表面處理后進行。

圖2 FRP加固橋梁的基本原理Fig.2 Basic principles of FRP reinforced bridge

FRP加固對提高受彎構(gòu)件的抗彎能力特別有效，抗彎加固時，纖維方向沿著受拉的方向粘貼［4］，已有的試驗研究表明，F(xiàn)RP加固對既有梁極限抗彎承載力的提高可以達到60%以上，F(xiàn)RP加固受彎構(gòu)件抗剪承載力提高同樣有效，其作用相當于箍筋，根據(jù)粘貼方式的不同，可分為全封閉粘貼、U形粘貼、L形粘貼和側(cè)面粘貼，抗剪加固時，F(xiàn)RP的纖維方向宜與構(gòu)件軸線垂直，當纖維方向與軸線不垂直時，纖維方向宜垂直于預計的斜裂縫，且FRP片材宜采用全封閉粘貼和U形粘貼;由于FRP的截面積較小，常用的厚度為0.111mm和0.167mm的兩種規(guī)格，一般粘貼層數(shù)在3層以下，其對抗彎加固截面的慣性矩增加很小，因此，F(xiàn)RP加固技術(shù)對受彎加固構(gòu)件的裂縫寬度及撓度的減小不是十分明顯。

利用FRP加固技術(shù)，對橋墩等豎向構(gòu)件的約束包裹以提高其抗震能力是十分有效的，F(xiàn)RP沿著橋墩環(huán)向粘貼一方面可以提高其抗剪能力，另一方面可以提高其內(nèi)部混凝土的強度及變形能力，從而可轉(zhuǎn)變橋墩的破壞模式，提高其耗能能力，從而實現(xiàn)橋墩良好的抗震能力［5］。在抗彎加固及抗剪加固中，F(xiàn)RP都難以做成封閉的形式，F(xiàn)RP本身強度很高，但在構(gòu)件加固后的承載力試驗表明，如果沒有可靠的構(gòu)造，難以達到FRP材料的極限破壞，F(xiàn)RP的高強度難以在工程中得到充分發(fā)揮，在橋梁加固設計中，除了需要按承載力計算粘貼FRP層數(shù)，U型箍、壓條或一些必要的機械錨固措施是十分重要的。

我國在FRP材料研究與應用雖然起步晚，但發(fā)展迅速，基于已有的研究成果，已經(jīng)編制了相應的應用規(guī)范，如早期的《碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (CECS146－2003)，2006年制定了國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》(GB50367－2006)，其中，纖維復合材料加固方法作為一種主要加固方法制定于規(guī)范中，2008年，專門針對橋梁加固，交通部出臺了《公路橋梁加固設計規(guī)范》(JTGT J22－2008)、《公路橋梁加固施工規(guī)范》(JTGT J23－2008)，規(guī)范對FRP加固橋梁結(jié)構(gòu)有著詳細的計算、構(gòu)造與施工要求。

2.2 施工工藝及要求

纖維復合材料加固技術(shù)的施工工藝流程主要包括:構(gòu)件表層處理→涂底膠→找平→纖維的粘貼→表面處理。

2.2.1 構(gòu)件表面處理

對裂縫進行灌縫或封閉處理，徹底清除被加固結(jié)構(gòu)表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕、風化等混凝土劣化層，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，尤其是表面的凸出部位要磨平;對較大面積的劣質(zhì)層，用修復材料修復平整;凡轉(zhuǎn)角粘貼處均進行倒角處理，并打磨成半徑不小于20mm的圓弧，如圖3所示;用吹風機將將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

圖3 結(jié)構(gòu)倒角要求Fig.3 Requirement of structure rounding

2.2.2 涂底膠

用滾筒、毛刷等工具將打底膠均勻涂于混凝土表面，底膠具有較好的滲透性能，主要是為了提高與原有混凝土的粘結(jié)能力，不得漏刷，待表面干燥后，立即進行下一道工序。

用于混凝土表面，具有一定的滲透作用，在混凝土表面形成一個硬化層并有利于找平膠和浸漬膠的粘貼，要求低粘度。

2.2.3 找平

按產(chǎn)品供應商提供的工藝及要求配制找平材料(用環(huán)氧膩子)，對凹陷和倒角找平。凹陷找平是對砼表面凹陷部位、模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位，用找平材料填補，盡量減少高差;倒角找平是用找平材料將轉(zhuǎn)角修補為光滑的圓弧，半徑不小于20mm。找平后，構(gòu)件表面各處不應有楞角和凸出，找平材料固化后方可進行下一道工序。

2.2.4 纖維的粘貼

裁剪纖維布，按待加固構(gòu)件尺寸要求裁剪纖維布，裁剪時注意搭接長度，按產(chǎn)品供應商提供的工藝要求及比例將浸漬膠甲、乙兩組材料充分攪拌后，涂于所要粘貼的部位，粘貼纖維布，用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬膠充分浸透纖維布，滾壓時不得損傷纖維布，當多層粘貼時，重復上述步驟，應在纖維表面浸漬膠指觸干燥后，立即進行下一層的粘貼。

2.2.5 表面處理

確保纖維布浸漬膠的表面已充分風干后，外涂一層與混凝土一致的纖維復合材料加固專用涂料做面層防護，防止紫外線造成樹脂與纖維布老化。

纖維復合材料加固技術(shù)在施工時注意以下要求:

(1)嚴格掌握施工現(xiàn)場的溫度和濕度條件，當氣溫低于5℃、雨天或相對濕度大于95%時，不可強行施工。

(2)按設計尺寸裁剪纖維布，實際粘貼尺寸不應小于設計數(shù)值，位置偏差不得大于20mm。

通常所用纖維布為單向材料，必須保證纖維布的粘貼方向與其所需要的受力方向一致。

(3)纖維布與混凝土之間的總有效粘貼面積不得低于95%。纖維布的空鼓面積小于10cm2時，可采用針管注膠的方式進行補救?？展拿娣e大于100cm2時，應將空鼓處的纖維布切除，重新搭接貼上同規(guī)格的纖維布。

2.3 技術(shù)特點及適用范圍

纖維復合材料加固技術(shù)與加大截面法加固、粘鋼加固、體外預應力加固技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:

(1)不增加恒載和斷面尺寸。常用纖維布自重200～300g/m2，單層厚度僅 0.111mm、0.167 mm，浸膠后為2mm左右，基本上不增加構(gòu)件截面，對橋下凈空影響小。

(2)形狀適應性強?？蛇m用于不同結(jié)構(gòu)形狀，成型方便，對彎斜坡結(jié)構(gòu)的加固適應性強，可隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，對箱梁內(nèi)部空間等狹小位置處，可方便地實現(xiàn)加固。

(3)對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷。不需要錨栓和混凝土開鑿，不會損傷原有結(jié)構(gòu)。

(4)纖維布具有良好的耐久性及耐腐蝕性，除了本身具有非常好的耐久性能，其加固后對結(jié)構(gòu)起保護作用，可避免內(nèi)部鋼筋暴露于外部腐蝕環(huán)境中，提高結(jié)構(gòu)的壽命。

同時，纖維復合材料加固技術(shù)具有一定的缺陷，主要包括:

(1)易發(fā)生粘結(jié)、剝離破壞。

(2)不適用于低強度混凝土加固，混凝土等級不得低于C15。

(3)由于粘貼纖維所采用的環(huán)氧樹脂膠不耐高溫，因此該技術(shù)不適用于長期使用溫度過高環(huán)境(60℃以上)，加固后結(jié)構(gòu)不防火。

(4)由于纖維材料的物理力學性能，該技術(shù)對早期剛度提高不明顯，對受損嚴重構(gòu)件加固效果不是十分有效。

根據(jù)以上纖維復合材料加固技術(shù)的特點分析，在橋梁加固工程中，在結(jié)構(gòu)需要抗彎、抗剪、約束及抗震加固中，可考慮應用粘貼纖維加固技術(shù)，包括:空心板、簡支T梁、連續(xù)箱梁、拱橋拱肋的底部抗彎加固;T梁、箱梁的腹板及拱橋拱肋的抗剪加固;拱橋立柱、橋墩、樁基礎的約束及抗震加固等［6］。

3 工程應用實例

圖4(a)所示為利用FRP對某T型簡支梁橋抗彎承載力加固，粘貼FRP提高其跨中抗彎承載力，其加固的實施對橋下凈空基本沒有影響;圖4(b)所示為利用FRP對某橋梁橋墩與蓋梁節(jié)點進行加固，提高節(jié)點處及橋墩上端固結(jié)部位的抗剪承載力，纖維布的柔軟及厚度薄，在該工程中可體現(xiàn)出充分的優(yōu)勢，蓋梁頂部的空隙很小，但仍然可滿足FRP加固技術(shù)的操作空間;圖4(c)所示為利用FRP對某橋梁橋墩中部的抗剪承載力不足及橋墩抗震能力不足的加固，環(huán)向粘貼的FRP提供與箍筋相似的抗剪貢獻及對內(nèi)部混凝土的約束作用，能夠有效提高橋墩的抗剪承載力及抗震能力，且施工方便，不改變橋墩的外觀與尺寸。

圖4 纖維復合材料加固技術(shù)實例Fig.4 Example on reinforcement technology of fiber reinforced composite

4 結(jié)束語

與其它傳統(tǒng)的加固方法相比較，纖維復合材料加固技術(shù)具有施工便捷、不受構(gòu)件形狀限制、不改變截面尺寸，F(xiàn)RP加固對原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷，優(yōu)異的耐久性能，不增加自重，不減小凈空及具有良好的適應性。研究與應用實踐表明，纖維復合材料加固技術(shù)可適用于橋梁工程中的抗彎加固、抗剪加固、約束及抗震加固及耐久性加固等不同加固，其優(yōu)勢明顯，但其也具有一定的局限性，如在抗彎加固時，對裂縫修復、剛度提高效果不明顯，其防火性能差等，在應用時應根據(jù)工程現(xiàn)狀與傳統(tǒng)加固技術(shù)進行綜合對比選擇。

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