FRP復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

王福成，解國(guó)梁，郭巍，劉少東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

FRP復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

王福成，解國(guó)梁，郭巍，劉少東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

利用FRP復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，加固后的混凝土梁承載能力能夠得到很大的提升，能彌補(bǔ)工程中混凝土梁承載能力的不足。通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證，利用FRP復(fù)合材料對(duì)一住宅樓陽(yáng)臺(tái)底板處的懸挑梁進(jìn)行加固處理，提高了懸挑梁的抗彎承載力，增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)使用的安全性，取消了因需重新澆筑混凝土梁造成的工程造價(jià)的增加，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

FRP；加固；混凝土結(jié)構(gòu)

目前正處于服役期狀態(tài)中的建筑物，因受使用環(huán)境與自然環(huán)境的共同作用，建筑物的使用功能會(huì)逐漸減弱，從而對(duì)建筑物的安全性、耐久性和適用性有影響，在一定程度上縮短了結(jié)構(gòu)的使用壽命，若拆除重新修建則會(huì)造成工程成本大量增加，為了解決這種矛盾，可以對(duì)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)、維修加固或改變建筑物使用功能。利用特殊材料對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以進(jìn)行工程加固，在加固材料的選擇上，F(xiàn)RP材料以質(zhì)量輕便、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)在建筑加固領(lǐng)域中得到了廣泛研究和應(yīng)用。對(duì)FRP加固技術(shù)的研究最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代[1]，德國(guó)和瑞士研究的較早，之后美國(guó)、日本等國(guó)家的科研院校、材料生產(chǎn)商對(duì)這方面的工作都進(jìn)行了研究。利用FRP加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的技術(shù)是一種應(yīng)用范圍較廣、加固性能較好的混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)。加固特點(diǎn)是適用面廣、耐久性好、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

1 FRP材料

由纖維和樹(shù)脂組成的復(fù)合材料，又叫纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）[2]，纖維起增加材料強(qiáng)度的作用，基體材料起傳遞剪力、粘結(jié)材料和加固體的作用。FRP材料在結(jié)構(gòu)受力過(guò)程中能表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度明顯高于鋼筋，F(xiàn)RP材料與其他材料的力學(xué)性能比較，有很多的優(yōu)點(diǎn)，具體見(jiàn)圖1所示。FRP材料也具有良好的抗腐蝕性，對(duì)酸、堿及氯鹽等物質(zhì)的化學(xué)腐蝕有較強(qiáng)的抵抗力。迄今為止生產(chǎn)和應(yīng)用的纖維主要是玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維。

圖1 FRP材料與其他常用材料的力學(xué)性能比較Fig.1Mechanical performance compare of FRP materials with other common materials

2 FRP加固方法

2.1 內(nèi)嵌入式加固方法

近年來(lái)，一些研究人員提出了內(nèi)嵌入式加固方法[3]，該方法是利用在加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面開(kāi)淺溝，使用粘結(jié)劑將加固材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)件粘結(jié)成整體，利用FRP材料的良好的力學(xué)性能，使兩種材料能夠共同變形，協(xié)同工作，達(dá)到提高構(gòu)件抗彎或抗剪能力的目的，從而起到加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用。具體施工方法示意圖見(jiàn)圖2所示：

圖2 嵌入式加固法示意圖Fig.2Embedded strengthening method scheme

利用內(nèi)嵌式加固混凝土構(gòu)件，加固材料放置在混凝土保護(hù)層中，外界磨擦和撞擊等意外荷載對(duì)FRP材料破壞作用能夠減少，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受負(fù)彎矩區(qū)域的加固效果比較明顯，內(nèi)嵌式加固方法使FRP材料與混凝土的結(jié)合面積增加，能提高FRP材料的利用率。

內(nèi)嵌式加固方法，施工方便，不需要大量的物力、大型工程機(jī)械及不占用大的工作空間。在進(jìn)行內(nèi)嵌式加固時(shí)，為保證施工質(zhì)量，施工時(shí)須按照以下步驟進(jìn)行：

（1）按照加固設(shè)計(jì)的要求尺寸，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面開(kāi)槽；

（2）為了保證槽內(nèi)沒(méi)有任何浮灰和殘?jiān)?，需仔?xì)清除槽中存留的灰塵和殘?jiān)?/p>

（3）在槽的1/2高度處停止注入粘結(jié)劑；

（4）對(duì)放入槽中的FRP筋或FRP板輕輕施壓，繼續(xù)注入樹(shù)脂或粘結(jié)劑至槽中，使樹(shù)脂或粘結(jié)劑填滿槽；

（5）待粘結(jié)劑固化后，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進(jìn)行處理。

2.2 外貼式加固方法

外貼式加固法[3]，主要利用粘結(jié)劑將加固材料粘貼在混凝土構(gòu)件表面的加固方法，具體加固方法如圖3所示。

圖3 外貼加固法示意圖Fig.3Overlay strengthening method scheme

外貼式加固方法具有方便，高效的優(yōu)點(diǎn)。FRP材料有較好的耐腐蝕性能，利用外貼式加固法加固的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不需定期維護(hù)、能節(jié)約維修費(fèi)用，達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。

外貼FRP加固的具體施工工藝如下所示：

結(jié)構(gòu)構(gòu)件基底處理→涂底膠→結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面找平→粘貼FRP材料→采取抹灰或噴防火涂料對(duì)FRP材料進(jìn)行保護(hù)。

3 加固理論分析與計(jì)算簡(jiǎn)介

3.1 FRP凈纖維抗拉應(yīng)力：

3.2 FRP系統(tǒng)的單位寬度的應(yīng)力值：

3.3 主要計(jì)算步驟

其中：利用求第一個(gè)轉(zhuǎn)換截面的彎矩圖面積之和，計(jì)算到開(kāi)裂中和軸的彈性高度。沒(méi)有配受壓鋼筋的矩形梁可簡(jiǎn)化如下：

4 工程實(shí)例

某五層住宅主體結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)懸挑梁的箍筋（Ф8鋼筋）伸長(zhǎng)率不滿足要求，其位置在基礎(chǔ)圈梁箍筋和一層陽(yáng)臺(tái)底板處。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)，處于一層陽(yáng)臺(tái)板處的懸挑梁中的箍筋，會(huì)對(duì)懸挑梁的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，故對(duì)此處的懸挑梁進(jìn)行加固處理[4-5]。

在懸挑梁根部的懸挑端處利用外貼法加固，每根懸挑梁粘貼三處環(huán)形封閉碳纖維片材一層，以此來(lái)起到加固作用。具體施工流程為：

（1）確定加固位置

在加固部位對(duì)懸挑梁進(jìn)行定位放線，對(duì)每根懸挑梁端部加工成三條封閉的環(huán)帶，并對(duì)環(huán)帶進(jìn)行加固前的處理工作。

（2）對(duì)加固部位表面進(jìn)行基層處理

（3）刷涂底膠

在處理后的加固基層處刷涂底膠，用毛刷將底膠均勻涂刷在處理完成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件基面上。

圖4 加固前的混凝土梁Fig.4Concrete beam before strengthening

圖5 加固前準(zhǔn)備Fig.5Preparing before strengthening

圖6 現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.6Construction scheme on the spot

圖7 加固后的混凝土梁Fig.7Concrete beam after strengthening

（4）碳纖維布的切割和粘貼

按加固尺寸裁剪制作碳纖維布，碳纖維布粘貼完成后，需做一定防護(hù)處理，可在碳纖維布上撒干砂后形成結(jié)合層，后期在碳纖維布上進(jìn)行水泥砂漿防護(hù)。

5 結(jié)論

通過(guò)該工程實(shí)踐證明，利用FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可降低梁強(qiáng)度降低對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來(lái)的危害，改善工程的耐久性與安全性，加固后混凝土梁的抗彎承載力有顯著提高，能控制混凝土的開(kāi)裂及原有裂縫的開(kāi)展，在一定程度上延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，保證加固后的混凝土強(qiáng)度。

［1］江見(jiàn)鯨，王元清，龔曉南，等.建筑工程事故分析與處理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］GB50367-200.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］吳永河.某公寓樓的抗震加固設(shè)計(jì)［J］.工程抗震與加固改造，2009（4）：82-85.

［4］陳安萍.房屋改建加固工程應(yīng)用實(shí)例［J］.工程抗震與加固改造，2009（4）：79-95.

［5］李敏鋒，金國(guó)芳，王曉亮，等.FRP加固鋼筋混凝土梁的變形簡(jiǎn)化計(jì)算分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2011（2）：87-90.

［6］譚淑華，姜宇.FRP加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)探討［J］.遼寧建材，2011（3）：38-39.

［7］丁亞紅，郝慧敏.FRP加固技術(shù)研究概述［J］.工程抗震與加固改造，2012，34（2）：69-71.

［8］昝生福.FRP在土木工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用中的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)水運(yùn)（下半月），2014（1）：377-378.

［9］楊曌，武鹍，明方闖，等.噴射FRP在砌體結(jié)構(gòu)加固中的研究與應(yīng)用［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2015（2）：25-27.

［10］姜偉，解恒燕，鄭鑫，等.用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)活性粉末混凝土強(qiáng)度［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，26（4）：23-25.

Application of FRP Composite Material of Reinforce in Concrete Structures

Wang Fucheng，Xie Guoliang，Guo Wei，Liu Shaodong
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

By FRP reinforced concrete beams，the carrying capacity of concrete beams could get much improvement，and shortage of bearing capacity of concrete beams were made up.FRP composite materials were used to reinforce the cantilevered beam of the balcony floor，which improved the bearing capacity of concrete structures，and extended the service life of concrete structures，thereby reduced construction cost.It could be a greater social and economic benefits for the community.

FRP；strengthening；concrete structure

TU319

A

1002-2090（2017）03-0089-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.020

2016-12-05

王福成（1979-），男，講師，東北石油大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事力學(xué)分析方面的研究工作。