混凝土結(jié)構(gòu)FRP嵌入式加固技術(shù)

王 勃，李 凌，周柏成，宋雨非

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長春 130118； 2.吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心,長春 130118)

0 引言

混凝土構(gòu)件由于所處環(huán)境、荷載等條件發(fā)生變化等原因，使得大量土木工程結(jié)構(gòu)需要維修加固，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)成為土木工程界的研究熱點，其中混凝土結(jié)構(gòu)FRP嵌入式加固是近幾年剛剛出現(xiàn)的一種新型加固技術(shù)。與混凝土外貼FRP加固技術(shù)相比較，嵌入式加固技術(shù)(Near Surface Mounted Reinforcement,簡稱NSM)有如下優(yōu)勢：1)只是在保護層內(nèi)開槽，處理結(jié)構(gòu)表面工作量小，施工作業(yè)時間短；2)增大加固材料與混凝土的接觸面積，能有效地減小黏結(jié)破壞，提升了FRP的使用率；3)便于與相鄰構(gòu)件錨固，易于施加預(yù)應(yīng)力；4)適合結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩區(qū)加固；5)FRP材料受混凝土保護層直接保護，不直接暴露在外界環(huán)境下，可以有效地避免FRP材料遭到外界的磨損、碰撞和高溫等不利影響；6)可應(yīng)用于較難施工的高溫和高濕的結(jié)構(gòu)加固項目中[1-3]。

1 FRP嵌入式加固材料

嵌入式加固技術(shù)主要采用的材料是FRP材料和粘結(jié)材料。

1.1 FRP材料

嵌入式加固的FRP材料包括玻璃纖維增強復(fù)合材料(簡稱GFRP)、碳纖維增強復(fù)合材料(簡稱CFRP)、芳綸纖維增強復(fù)合材料(簡稱AFRP)和玄武巖纖維增強復(fù)合材料(簡稱BFRP)。FRP表面形狀可分為FRP板材和FRP筋，其中FRP筋因其外表面有差異,主要可分成變形筋和光圓筋兩大類。

FRP板材是指將纖維、樹脂根據(jù)一定的比例，經(jīng)過高溫固化擠壓形成的，主要分為FRP板條和板。寬度較小的稱作板條，寬度較大的稱作板。FRP板材能夠廣泛地應(yīng)用到梁的抗剪、抗彎加固工程中，在抗剪加固中能夠用“L”形條帶。筋按其外形構(gòu)造可分成表面黏砂筋、纏繞黏砂筋和帶肋筋3種[4]。

1.1.1 物理性能

FRP的密度較小,是鋼筋的1/6～1/4，低密度可以降低質(zhì)量，方便運輸，在施工現(xiàn)場也容易進行安裝。纖維及樹脂的種類和纖維的含量是影響FRP的線膨脹系數(shù)的因素。

1.1.2 基本力學(xué)性能

1)抗壓強度。各項試驗研究結(jié)果表明，纖維微屈曲及剪切破壞和橫向受拉破壞是FRP的主要受壓破壞模式。纖維含量及種類和樹脂種類是影響受壓的破壞模式的主要因素。

2)黏結(jié)性能。FRP用于構(gòu)件的維修加固，主要是利用FRP的黏結(jié)性能來增強結(jié)構(gòu)的承載力，進而提高構(gòu)件的使用功能。材料的性能、表面形式、FRP的形式及幾何尺寸是影響其黏結(jié)性能的主要因素。

混凝土與FRP的黏結(jié)機理主要有以下3個方面：①化學(xué)黏結(jié)力指的是混凝土與筋的表面黏結(jié)力；②摩擦力，即FRP筋與混凝土產(chǎn)生相對滑移時，在接觸面上產(chǎn)生的摩擦力；③機械咬合力，即FRP筋表面凹凸不平與混凝土發(fā)生的機械咬合作用所產(chǎn)生的力[5-6]。

3)耐久性能。通過室內(nèi)加速試驗對FRP的耐久性能進行研究。研究表明，CFRP具有較好的耐久性；GFRP則表現(xiàn)出較差的耐堿能力，卻能表現(xiàn)出較好的凍融循環(huán)能力及耐酸能力；AFRP表現(xiàn)出較差的紫外線輻射、耐酸性能及疲勞性能。

1.2 黏結(jié)材料

FRP嵌入式加固的黏結(jié)材料，一般采用環(huán)氧樹脂，在混凝土保護層范圍內(nèi)開槽，灌入樹脂，使之與FRP材料有效黏結(jié)，并通過環(huán)氧樹脂來傳遞剪切應(yīng)力，這是FRP筋或板條受力的基本途徑[7]。

2 FRP嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代起國內(nèi)外學(xué)者開始研究FRP嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)。Nanni[8]于1995年在美國波士頓市用嵌入式加固法加固了6個混凝土筒倉，采用CFRP磨砂筋，直徑均為8 mm，用環(huán)氧樹脂來進行黏結(jié)，加固后筒倉的抗彎能力大大提高。

Hogue等[9]在1997年—1998年對美國俄克拉何馬市的一棟建筑物進行了加固，對一根混凝土梁采用CFRP筋嵌入式加固，加固后建筑物正常使用。

Alkhrdaji等[10]于1998年在美國賓西法尼亞洲對服役的三跨T-857橋進行了加固，采用嵌入式加固技術(shù)對其中的3塊混凝土板進行了加固，CFRP筋直徑為11 mm，加固后橋板的極限承載力提高了27%。

Nordin[11]在1999年用嵌入式加固法加固了一座橋梁，CFRP板條截面尺寸為35 mm×5 mm，混凝土開槽尺寸為40 mm×8 mm，加固效果較好。

Bianco等[12]進行了CFRP筋嵌入式抗彎加固可行性實驗研究，對20世紀(jì)60年代的加拿大馬尼托巴省的Tourond河大橋進行了嵌入式加固，加固后大橋的結(jié)構(gòu)承載力提高了15%。

我國對FRP嵌入式加固的研究較國外起步稍晚。2004年，李榮等[13]進行了FRP嵌入式加固界面黏結(jié)性能試驗和抗彎加固試驗，得出了嵌入式加固與混凝土間的黏結(jié)性能受槽內(nèi)填充料種類及性能、槽尺寸、槽間距等多種因素影響的結(jié)論,得到了黏結(jié)剪切應(yīng)力—滑移曲線。試驗證明當(dāng)采用加固量相同的CFRP板條時，F(xiàn)RP嵌入式加固法比FRP外貼法的效果好，具有廣闊的發(fā)展前景。

浙江大學(xué)姚諫等[14]對FRP嵌入式加固混凝土黏結(jié)滑移機理進行實驗研究，采用整體梁剪切試驗方法，對13根FRP嵌入式加固梁的黏結(jié)機理進行了研究。分析了不同槽尺寸、嵌貼長度、加載方式等因素對黏結(jié)破壞模式、破壞機理等的影響，提出了CFRP板—混凝土黏滑關(guān)系公式和黏結(jié)承載力計算公式。

北京巨龍公司某8層框架結(jié)構(gòu)，在第1層和第2層增加了較大的設(shè)備荷載，使得梁板等構(gòu)件承載力不足。采用CFRP嵌入法加固后，梁板承載力得到了明顯的提高，滿足設(shè)計要求。山東省淄博市淄博造紙廠廠房2層更換設(shè)備，致使樓面荷載大幅度增加，原有梁的承載力不足，需要對其進行加固補強，對梁進行了CFRP嵌入式加固，加固后的混凝土梁承載力和變形能力大幅度增加[15]。

3 嵌入式加固施工方法

在實際工程中嵌入式加固法的施工比較簡潔，并且不用大型機械、大量勞動力及較大空間，甚至可以在不影響正常使用的情況下來進行施工。

混凝土嵌入式結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是按設(shè)計要求的尺寸在混凝土表面進行開槽，清理槽中的混凝土，在槽內(nèi)先灌入約一半的黏結(jié)材料，將FRP材料放入槽中并輕壓，使FRP板條與黏結(jié)材料相互黏結(jié)，然后在槽內(nèi)灌滿黏結(jié)材料，將其表面作一定整理，最后待黏結(jié)材料固化后，再做表面處理。

1)按要求尺寸進行開槽。在工程中進行開槽時，盡可能減少對原結(jié)構(gòu)的損害，并在合適的位置按設(shè)計規(guī)范進行開槽。開槽深度一般根據(jù)混凝土保護層厚度及材料尺寸決定，通常要求稍大于加固材料尺寸。

2)清除槽中的混凝土殘渣。如不仔細(xì)清理開槽后留下的混凝土殘渣顆粒及浮塵，則會影響FRP筋與原結(jié)構(gòu)的黏結(jié)效果，故應(yīng)用空壓機或其他除塵設(shè)備仔細(xì)清理。

3)選擇黏結(jié)材料。通常選用利于施工且具有高觸變性的環(huán)氧樹脂做為黏結(jié)材料。因為在實際工程中，會遇到仰視的工作情況，若碰到流動性較強的環(huán)氧樹脂，一是不易灌入槽中，二是環(huán)氧樹脂易滴落，這易對施工工人造成傷害。且構(gòu)件表面必須干燥，否則其黏結(jié)性能容易受到水分影響。

4)防止氣泡。在將FRP筋置入槽中時，應(yīng)進行擠壓，使其與環(huán)氧樹脂進行充分接觸，有利于提高加固的黏結(jié)性能。并且，灌入槽中的環(huán)氧樹脂不宜過多，以1/2的槽深為宜。

5)表面處理。若當(dāng)FRP材料嵌入后，環(huán)氧樹脂溢出槽外，應(yīng)用刮刀等工具將溢出的樹脂抹去[16-17]。

4 FRP嵌入式加固技術(shù)特點

同其他加固方式相比，F(xiàn)RP嵌入式加固技術(shù)有如下特點：

1)嵌入式加固法受加固結(jié)構(gòu)的混凝土等級影響相對較小。由于混凝土加固規(guī)范中要求當(dāng)構(gòu)件強度過低時，不能確?；炷僚cFRP筋的有效黏結(jié)。故嵌入式加固技術(shù)中的受力筋大多埋于混凝土表層內(nèi)部，通過環(huán)氧樹脂能夠很好地與混凝土黏結(jié)，故其黏結(jié)錨固效果可以得到保證。

2)新嵌入的FRP筋與原有鋼筋的協(xié)同工作性能較好。外表面黏鋼法中的鋼板形心與原構(gòu)件的受力筋形心距較大，在新增荷載后，二者的受力先后發(fā)生改變。嵌入式加固法的FRP筋與原構(gòu)件受力筋的間距較小，二者能夠更好地協(xié)同工作。

3)嵌入式加固法施工簡單快捷，預(yù)處理工作量小，安裝時間較短。外表面黏鋼法在施工時，對表層混凝土的平整度、厚度要求較高，故施工費時費力。而嵌入式加固法僅要求每隔150～300 mm鑿出淺槽，對構(gòu)件表面沒有任何要求，能將工程量大大減小[18]。

5 結(jié)語

對FRP嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究一直是土木工程領(lǐng)域研究的熱點，本文通過對上述的研究介紹得出以下的結(jié)論:1)嵌入式加固法能夠顯著提高被加固結(jié)構(gòu)的整體剛度。2)FRP筋位于混凝土構(gòu)件的內(nèi)部，通過環(huán)氧樹脂與原結(jié)構(gòu)的黏結(jié)，能發(fā)揮FRP筋高強度的特點。3)嵌入式加固法在提高結(jié)構(gòu)承受負(fù)彎矩區(qū)域的承載力時，比其他方法更有優(yōu)勢。

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