CFRP 加固鋼筋混凝土梁的研究現(xiàn)狀

程 飛

1 概述

碳纖維復(fù)合材料CFRP因具有強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)加固，尤其是對(duì)混凝土梁抗彎承載力的加固。常見的CFRP加固方法主要包括:外貼CFRP法(EB-FRP)、表面內(nèi)嵌法(NSM)和機(jī)械錨固法(MF-FRP)。

CFRP布加固鋼筋混凝土梁最常見的方法是將CFRP布粘貼在鋼筋混凝土梁的受拉一側(cè)，稱為外貼法。外貼法的主要工作原理是通過膠結(jié)材料將CFRP布與混凝土粘結(jié)成為一個(gè)整體共同承受荷載的作用，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力。外貼CFRP方法可有效提高梁的極限承載力和剛度。但外貼CFRP法加固后易發(fā)生剝離破壞，尤其在進(jìn)行多層粘貼時(shí)，破壞形態(tài)屬于脆性破壞，降低了加固效果[1]。

表面嵌固法(NSM-FRP)是最近發(fā)展的一種FRP加固方法。即在混凝土表面開槽嵌入樹脂后，粘貼FRP片材進(jìn)行加固。但NSM-FRP方法需要復(fù)雜的表面處理，為放置和粘貼FRP需準(zhǔn)備合適的槽[2]。此方法的缺點(diǎn)是在施工過程中，鋸片開槽很可能切斷構(gòu)件鋼筋，因此在開槽技術(shù)得不到改進(jìn)的情況下，表面嵌貼法無法得到廣泛應(yīng)用。

采用機(jī)械連接加固方式，用一種特殊的“槍”把釘子穿過FRP打入混凝土，使FRP片材和混凝土更好協(xié)同工作，稱作機(jī)械錨固法[3]，然而這種方法只是用于抗剪能力很強(qiáng)的特殊FRP片材，一般的FRP材料很容易發(fā)生剪切破壞，即使抗剪能力強(qiáng)的FRP材料仍然存在著劈裂并且使用壽命較短。為了判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷狀況，且要確定損傷的位置和程度，很多學(xué)者構(gòu)造了各種各樣的用于損傷識(shí)別的損傷指標(biāo)，而柔度差法基于橋梁結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)被較為廣泛地應(yīng)用。

2 較優(yōu)加固方法

卓靜等[4]提出了針對(duì)FRP片材的夾具和錨具——波形齒夾具錨，主要由上波形齒板、加勁波形板、下波形齒板和壓緊及鎖定裝置等組成。依靠壓緊及鎖定裝置將FRP片材夾持并錨固于上、下波形齒板及加勁波形板之間。

結(jié)果表明，對(duì)CFRP布兩端都采用波形齒夾具錨進(jìn)行錨固后，CFRP布的粘貼層數(shù)可達(dá)10層，CFRP布的強(qiáng)度可以得到充分的發(fā)揮，取得顯著的加固效果。

圖1 錨固件

圖2 加固后梁

圖3 加固端細(xì)節(jié)

吳宇飛等提出將外貼法與機(jī)械錨固法相結(jié)合對(duì)CFRP布進(jìn)行錨固的新技術(shù)，稱為復(fù)合粘結(jié)技術(shù)。該技術(shù)采用一種新型的錨固件(錨固件由1個(gè)鋼板和2個(gè)錨釘組成)對(duì)粘貼在混凝土表面的CFRP布進(jìn)行錨固。

結(jié)果表明，復(fù)合粘結(jié)技術(shù)可以有效地提高粘結(jié)強(qiáng)度，使梁的極限承載力得到顯著提高，其中只粘貼2層CFRP布的參考梁發(fā)生CFRP布的剝離破壞;粘貼2層和4層CFRP布并進(jìn)行錨固的梁最終發(fā)生CFRP布拉斷破壞。

在吳宇飛的復(fù)合粘結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上，胡程鶴[6]提出新型復(fù)合錨固技術(shù)，該技術(shù)由機(jī)械錨固法和外貼纖維布法組成。該機(jī)械錨固裝置由螺桿、鋼片、螺母和墊片組成，如圖1，圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新方法纖維布最終被拉斷，利用率接近100%，纖維布可粘貼到4層被拉斷。

石昌文[7]為解決纖維布剝離后不能使用的問題提出了一種新的端部錨固方法，即將FRP布兩端纏繞在鐵片上然后用螺栓把鐵片固定于混凝土梁的支座處，如圖3所示。結(jié)果表明纖維布雖然剝離仍可依靠?jī)啥隋^固繼續(xù)承載直至被拉斷，同時(shí)延性也得到提高。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，各種CFRP加固方式逐步成熟，為工程應(yīng)用提供諸多方案。根據(jù)不同的加固要求，采取有效并盡可能節(jié)約成本的加固措施。

[1]Philip A R，David A T，Thomas L.External Reinforcement of Concrete Beam Using Fiber Reinforced Plastics[J].ACI Structural Journal，1991，88(4):490-500.

[2]Hassan T，Rizkalla S.Investigation of bond in concrete structures strengthened with near surface mounted carbon fiber reinforced polymer strips[J].Journal of Composites for Construction，2003，7(3):248-257.

[3]Bank L C.Mechanically fastened FRP(MF-FRP)-Aviable alternative for strengthening RC members[C].Proc，2nd Int.Conf.On FRP Composites in Civil Engineering(CICE)，Adelaide，Australia，2004.

[4]卓 靜，李唐寧.FRP片材波形齒夾具錨的原理[J].土木工程學(xué)報(bào)，2005，10(38):49-53.

[5]Wu Y F，Hang Y.Hybrid Bonding of FRP to Reinforced Concrete Structures[J].Journal of Composites for Construction，ASCE，2008，12(3):266-273.

[6]胡程鶴.FRP復(fù)合錨固技術(shù)試驗(yàn)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010，30(3):309-314.

[7]石昌文.新型FRP抗彎加固方法的試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，28(1):76-82.