纖維復(fù)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(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

1 前言

在既有橋梁運(yùn)行過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)耐久性病害導(dǎo)致橋梁承載力不足，或者由于橋梁改造，荷載等級(jí)提高，使得橋梁現(xiàn)有承載力需要提高。目前，針對(duì)現(xiàn)有橋梁抗彎承載能力的不足，我國(guó)橋梁界的廣大工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究工作，并提出了許多切實(shí)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(yù)應(yīng)力加固、纖維復(fù)合材料加固、改變結(jié)構(gòu)體系加固等。其中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)新型、簡(jiǎn)捷、高效的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，深受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視并已得到了較為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2 纖維復(fù)合材料加固技術(shù)

2.1 纖維復(fù)合材料加固技術(shù)的原理及研究應(yīng)用現(xiàn)狀

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (簡(jiǎn)稱 FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Plastic)加固是20世紀(jì)80年代在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究開(kāi)發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，上世紀(jì)末與本世紀(jì)初在我國(guó)進(jìn)行了廣泛地研究，目前已大量應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的加固實(shí)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(yīng)力學(xué)性能見(jiàn)表1，其中，CFRP以其優(yōu)異的力學(xué)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(qiáng)度及與CFRP相似的耐久性、松弛性能，在我國(guó)近幾年也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，BFRP應(yīng)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(fù)合材料的力學(xué)性能Tab.1 The mechanical properties of fiber reinforced composites

典型FRP和鋼筋的拉伸力學(xué)對(duì)比如圖1所示，其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍，在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)為線彈性的力學(xué)性質(zhì)，不同于普通鋼筋的彈塑性的應(yīng)力－應(yīng)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(méi)有明顯征兆，極限應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通鋼材，因此，利用FRP加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，會(huì)降低構(gòu)件的延性。

圖1 典型FRP和鋼筋的力學(xué)對(duì)比Fig.1 Comparison on mechanical propertiesbetween FRP and steel

FRP在橋梁加固工程中的應(yīng)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(jī)地組合成一個(gè)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(qiáng)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(shí)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(yù)定比例進(jìn)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(jìn)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(duì)提高受彎構(gòu)件的抗彎能力特別有效，抗彎加固時(shí)，纖維方向沿著受拉的方向粘貼［4］，已有的試驗(yàn)研究表明，F(xiàn)RP加固對(duì)既有梁極限抗彎承載力的提高可以達(dá)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(dāng)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(shí)，F(xiàn)RP的纖維方向宜與構(gòu)件軸線垂直，當(dāng)纖維方向與軸線不垂直時(shí)，纖維方向宜垂直于預(yù)計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)度很高，但在構(gòu)件加固后的承載力試驗(yàn)表明，如果沒(méi)有可靠的構(gòu)造，難以達(dá)到FRP材料的極限破壞，F(xiàn)RP的高強(qiáng)度難以在工程中得到充分發(fā)揮，在橋梁加固設(shè)計(jì)中，除了需要按承載力計(jì)算粘貼FRP層數(shù)，U型箍、壓條或一些必要的機(jī)械錨固措施是十分重要的。

我國(guó)在FRP材料研究與應(yīng)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(yīng)的應(yīng)用規(guī)范，如早期的《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (CECS146－2003)，2006年制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367－2006)，其中，纖維復(fù)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(duì)橋梁加固，交通部出臺(tái)了《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGT J22－2008)、《公路橋梁加固施工規(guī)范》(JTGT J23－2008)，規(guī)范對(duì)FRP加固橋梁結(jié)構(gòu)有著詳細(xì)的計(jì)算、構(gòu)造與施工要求。

2.2 施工工藝及要求

纖維復(fù)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(duì)裂縫進(jìn)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(fēng)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(duì)較大面積的劣質(zhì)層，用修復(fù)材料修復(fù)平整;凡轉(zhuǎn)角粘貼處均進(jìn)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(fēng)機(jī)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(jìn)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(gè)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(yīng)商提供的工藝及要求配制找平材料(用環(huán)氧膩?zhàn)?，對(duì)凹陷和倒角找平。凹陷找平是對(duì)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(bǔ)，盡量減少高差;倒角找平是用找平材料將轉(zhuǎn)角修補(bǔ)為光滑的圓弧，半徑不小于20mm。找平后，構(gòu)件表面各處不應(yīng)有楞角和凸出，找平材料固化后方可進(jìn)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(shí)注意搭接長(zhǎng)度，按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝要求及比例將浸漬膠甲、乙兩組材料充分?jǐn)嚢韬螅坑谒迟N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(shí)不得損傷纖維布，當(dāng)多層粘貼時(shí)，重復(fù)上述步驟，應(yīng)在纖維表面浸漬膠指觸干燥后，立即進(jìn)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(fēng)干后，外涂一層與混凝土一致的纖維復(fù)合材料加固專用涂料做面層防護(hù)，防止紫外線造成樹脂與纖維布老化。

纖維復(fù)合材料加固技術(shù)在施工時(shí)注意以下要求:

(1)嚴(yán)格掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度條件，當(dāng)氣溫低于5℃、雨天或相對(duì)濕度大于95%時(shí)，不可強(qiáng)行施工。

(2)按設(shè)計(jì)尺寸裁剪纖維布，實(shí)際粘貼尺寸不應(yīng)小于設(shè)計(jì)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(shí)，可采用針管注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救。空鼓面積大于100cm2時(shí)，應(yīng)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(diǎn)及適用范圍

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

(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(duì)橋下凈空影響小。

(2)形狀適應(yīng)性強(qiáng)。可適用于不同結(jié)構(gòu)形狀，成型方便，對(duì)彎斜坡結(jié)構(gòu)的加固適應(yīng)性強(qiáng)，可隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，對(duì)箱梁內(nèi)部空間等狹小位置處，可方便地實(shí)現(xiàn)加固。

(3)對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷。不需要錨栓和混凝土開(kāi)鑿，不會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)起保護(hù)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(shí)，纖維復(fù)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(qiáng)度混凝土加固，混凝土等級(jí)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(zhǎng)期使用溫度過(guò)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(xué)性能，該技術(shù)對(duì)早期剛度提高不明顯，對(duì)受損嚴(yán)重構(gòu)件加固效果不是十分有效。

根據(jù)以上纖維復(fù)合材料加固技術(shù)的特點(diǎn)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(yīng)用粘貼纖維加固技術(shù)，包括:空心板、簡(jiǎn)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(chǔ)的約束及抗震加固等［6］。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

圖4(a)所示為利用FRP對(duì)某T型簡(jiǎn)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(shí)施對(duì)橋下凈空基本沒(méi)有影響;圖4(b)所示為利用FRP對(duì)某橋梁橋墩與蓋梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，提高節(jié)點(diǎn)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(shì)，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(duì)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(xiàn)及對(duì)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(fù)合材料加固技術(shù)實(shí)例Fig.4 Example on reinforcement technology of fiber reinforced composite

4 結(jié)束語(yǔ)

與其它傳統(tǒng)的加固方法相比較，纖維復(fù)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(duì)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(yīng)性。研究與應(yīng)用實(shí)踐表明，纖維復(fù)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(shì)明顯，但其也具有一定的局限性，如在抗彎加固時(shí)，對(duì)裂縫修復(fù)、剛度提高效果不明顯，其防火性能差等，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)狀與傳統(tǒng)加固技術(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比選擇。

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