體外預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)塑料片材在加固橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

摘要 本文簡要介紹了體外預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)塑料片材在加固橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，介紹了纖維增強(qiáng)塑料片材的物理力學(xué)性質(zhì)、體外預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)塑料預(yù)應(yīng)力施工工藝，最后提出了用體外預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)塑料片材加固橋梁結(jié)構(gòu)可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術(shù)問題，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞 體外預(yù)應(yīng)力 纖維增強(qiáng)塑料片材；加固橋梁結(jié)構(gòu) 施工工藝

前言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，及其滿足地區(qū)之間日益增長的交通通行需要，國家在公路建設(shè)方面投注了大批的資金，公路網(wǎng)化工作不斷展開。但是隨著交通運(yùn)輸量的大幅度增加，行車密度及車輛載重量的日益增長，目前現(xiàn)有橋梁中很大一部分滿足不了承載能力和使用上的要求。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的維修、加固和補(bǔ)強(qiáng)等的研究和工程應(yīng)用已引起了世界性的關(guān)注，所以研究開發(fā)出造價(jià)相對(duì)低廉低并且技術(shù)效果好的橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)并投入實(shí)際應(yīng)用，是土木工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題，又是一個(gè)關(guān)系到社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的問題。

纖維增強(qiáng)塑料(FRP)片材作為一種新型復(fù)合材料，近年來由于FRP片材具有極好的強(qiáng)度、剛度和優(yōu)秀耐腐蝕性而在結(jié)構(gòu)加固及改造工程中應(yīng)用越來越多，這樣就形成了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)和加固混凝土橋梁的新技術(shù)。但是由于FRP片材強(qiáng)度很高而彈性模量與鋼筋相似，導(dǎo)致采用直接粘貼FRP片材加固混凝土梁時(shí)FRP片材高強(qiáng)度的特點(diǎn)在梁中受拉鋼筋達(dá)到屈服后才能發(fā)揮。而在鋼筋達(dá)到屈服前，片材的抗拉強(qiáng)度沒有得到充分的發(fā)揮，另外FRP片材在使用階段的加固效果也不理想，對(duì)構(gòu)件開裂和屈服荷載的提高幅度不大，這樣的話如果采用特殊張拉設(shè)備對(duì)FRP片材施加預(yù)應(yīng)力，再粘貼到橋梁結(jié)構(gòu)上實(shí)施加固，就使得材料高強(qiáng)度的特點(diǎn)得以提前發(fā)揮，取得了非常好的加固效果，用體外預(yù)應(yīng)力FRP片材來加固橋梁結(jié)構(gòu)的長期性能更遠(yuǎn)超傳統(tǒng)橋梁加固技術(shù)，減小了加固系統(tǒng)維護(hù)成本，對(duì)于推動(dòng)我國的公路建設(shè)具有非常重要意義。

1 FRP片材材料的物理力學(xué)性質(zhì)

纖維增強(qiáng)塑料包括碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等，F(xiàn)RP片材材料的產(chǎn)品形式主要有型材(如格柵型、工字型及蜂窩型等)、板材(施工使用前浸潤樹脂并把其固化成板狀)、布材(施工使用時(shí)才浸潤樹脂)和棒材等。按纖維的排列方向，可分為單向纖維片材和雙向纖維片材。

影響FRP片材材料物理性能的主要因素有：纖維的排列方向、長度和形狀、纖維的成分、浸潤樹脂的力學(xué)與長期性能、纖維與樹脂間的適配性，另外還與加荷載的時(shí)間、氣溫和空氣的濕度有關(guān)。下面就FRP片材材料的物理力學(xué)性質(zhì)做以簡單介紹。

1.1FRP片材材料的強(qiáng)度高。

FRP片材材料的強(qiáng)度與鋼材相比，F(xiàn)RP片材材料具有極高的質(zhì)強(qiáng)比。例如彈性模量與鋼材相同的高強(qiáng)度的碳纖維，其抗拉強(qiáng)度比鋼材大10倍。

1.2質(zhì)量輕。其密度一般只有鋼材的1／5。

1.3抗腐蝕性強(qiáng)、減震性能好。

FRP片材材料不產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，且在氯離子、碳酸和燒堿等物質(zhì)作用下其強(qiáng)度降低很少。FRP片材材料有很強(qiáng)的耐酸、堿及土壤等物質(zhì)的化學(xué)腐蝕能力。另外FRP片材自振頻率較高高，可避免早期共振的產(chǎn)生，同時(shí)該材料的內(nèi)阻尼很大，一旦受激振動(dòng)，即可迅速衰減。

1.4 FRP片材材料的抗疲勞性較好。

研究表明FRP片材材料的疲勞壽命是由所承受的應(yīng)力大小、試件形狀、纖維與樹脂的含量、重復(fù)荷載循環(huán)的次數(shù)與頻率等所決定的。此外長期在超過標(biāo)準(zhǔn)的溫度和空氣濕度情況下也能對(duì)FRP的抗疲勞性能造成不利影響。同等條件下300萬次重復(fù)荷載作用的試驗(yàn)表明：FRP片材的抗疲勞性能明顯優(yōu)于鋼材，一般金屬的疲勞強(qiáng)度為其拉伸強(qiáng)度的40％～50％。而FRP片材可高達(dá)70％～80％。這樣一方面就會(huì)使FRP片材在混凝土構(gòu)件開裂后產(chǎn)生較大的變形，而另一方面，在以FRP作為預(yù)應(yīng)力筋的FRP預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP筋低彈性模量的性質(zhì)將會(huì)減少由于混凝土收縮和徐變所引起的預(yù)應(yīng)力損失。

1.5無電磁感應(yīng)。

纖維增強(qiáng)塑料無電磁感應(yīng)，如其種類中芳綸纖維和玻璃纖維電阻大，可用在有絕緣要求的地方；碳纖維無磁性，用在有磁共振設(shè)備的場合，可排除干擾。

另外經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)一些FRP可以和紫外線發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致其物理力學(xué)性能降低，此問題可以通過加入特殊的外加劑或在FRP表面涂一層防護(hù)層(如一薄層混凝土淶解決。

2 體外預(yù)應(yīng)力FRP片材加固橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工工藝

體外預(yù)應(yīng)力FRP片材加固橋梁結(jié)構(gòu)是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加外力，造成體外預(yù)應(yīng)力筋同原結(jié)構(gòu)共同工作而使結(jié)構(gòu)的承載力顯著提高，從而改變了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。體外預(yù)應(yīng)力加固具有施工簡便、不增加結(jié)構(gòu)尺寸及自重，不影響結(jié)構(gòu)使用空間，該方法可最大限度的減少對(duì)橋上交通的影響，具有不中斷交通而進(jìn)行加固施工的特點(diǎn)，較經(jīng)濟(jì)，適用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的加固。下面就預(yù)應(yīng)力的施工工藝加以說明。

2.1反拱法

在粘貼非預(yù)應(yīng)力纖維片材之前先使需加固的受彎構(gòu)件反拱，再在使用階段使其加固構(gòu)件的受拉面粘貼纖維片材，膠粘劑固化后卸去外荷載釋放反拱，從而使得FRP片材片材產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，該方法可稱為反拱法。

首先將梁構(gòu)件簡支于支座處，運(yùn)用千斤頂在跨中將混凝土梁頂起產(chǎn)生一定的預(yù)變形，并在保持變形的情況下，將FRP片材粘貼在受拉面上(注意此時(shí)要在放千斤頂?shù)氖┝ξ恢蒙舷日澈靡恍《蜦RP片材，然后施加產(chǎn)生預(yù)變形所需要的荷載)。自然條件下養(yǎng)護(hù)到片材與構(gòu)件可以共同工作，除去千斤頂裝置釋放荷載，利用梁的回彈產(chǎn)生預(yù)拉力，F(xiàn)RP板才中便有了預(yù)應(yīng)力，該方法可充分利用高強(qiáng)FRP更好控制裂縫，對(duì)提高梁的可靠性有更好的效果。但此種方法產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力水平較低，操作復(fù)雜，端部若不采用有效錨固措施，也易發(fā)生剝離破壞。

2.2后張法

在加固構(gòu)件上設(shè)置永久性錨具，F(xiàn)PR片材以加固橋梁構(gòu)件本身作為反力架進(jìn)行張拉，張拉完畢后便錨固在構(gòu)件上，片材主要采用機(jī)械錨固，錨固措施主要有支座自錨和端部錨栓錨固兩種情況。在安裝FPR片材張拉端和固定端構(gòu)件的位置按照設(shè)計(jì)圖紙要求鉆孔種植高強(qiáng)度螺桿，螺桿固化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始安裝張拉端和固定端鋼構(gòu)件，在FPR纖維板和梁底接觸面上涂抹粘結(jié)劑，錨具底板和梁底接觸面上涂抹粘結(jié)劑，安裝FPR片材對(duì)其張拉并對(duì)梁體撓度變化進(jìn)行觀測；在固定錨具螺栓的螺帽處抹一層粘結(jié)劑，所有的金屬件表面再抹一層防銹油脂，然后安裝張拉端與固定端錨具蓋帽，將預(yù)應(yīng)力片材錨固在鋼筋混凝土梁上，這樣就約束了片材的兩端，同時(shí)也避免了預(yù)應(yīng)力片材加固發(fā)生的端部剝離。

2.3先張后粘法

先用特制的預(yù)張拉裝置張拉FPR片材，再用環(huán)氧樹脂將其粘貼到鋼筋混凝土梁的受拉面，待養(yǎng)護(hù)完畢，膠層固化后，在構(gòu)件端部剪斷纖維片材進(jìn)行放張，這樣就給鋼筋混凝土梁施加了預(yù)應(yīng)力，反拱法和先張法均依靠粘結(jié)進(jìn)行錨固。

另外要注意的是FRP片材的用量和加固形式方面還應(yīng)進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)研究找出較合適的FRP片材用量及加固形式。這樣在工程中就有能以較小的經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到較好的加固效果。

結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固橋梁結(jié)構(gòu)針對(duì)粘貼碳纖維片材加固與體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的缺陷，結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢，即可提高橋梁結(jié)構(gòu)承載力，又可顯著減小結(jié)構(gòu)變形，可以看出采用FPR片材加固修復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)將比以往從傳統(tǒng)的技術(shù)更優(yōu)越、更有效率和更方便經(jīng)濟(jì)，可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術(shù)問題，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

1 CECS146：2003，碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程