FRP環(huán)向纏繞加固橋墩技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用研究

張 澄

（江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049）

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)的開展，橋墩作為橋梁最重要的豎向受力構(gòu)件，常常由于環(huán)境腐蝕、船舶撞擊、地震等原因，面臨加固的迫切需求[1-4]。憑借其可以提高混凝土的強(qiáng)度和變形能力的卓越性能，約束混凝土在如今追求輕質(zhì)、高強(qiáng)的工程建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）環(huán)向纏繞加固橋墩技術(shù)適用于建筑工程柱、橋梁橋墩等豎向構(gòu)件因設(shè)計(jì)施工缺陷、材料老化、荷載等級(jí)提高等原因?qū)е履途眯匀毕荨⒊休d力不足、抗震能力不足以及地震災(zāi)害后結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)。該技術(shù)將FRP沿環(huán)向纏繞在待加固混凝土結(jié)構(gòu)的外側(cè)，通過對(duì)內(nèi)部混凝土提供的約束作用，顯著提高結(jié)構(gòu)的使用性能，具有傳統(tǒng)加固技術(shù)諸多無法比擬的優(yōu)勢(shì)[5-9]：（1）提高結(jié)構(gòu)耐腐蝕、抗凍融性能；（2）恢復(fù)、提高結(jié)構(gòu)承載力（彎、剪、壓）；（3）恢復(fù)、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性、耗能等抗震能力；（4）阻止縱筋搭接滑移破壞。本文結(jié)合某橋梁橋墩的加固修復(fù)，對(duì)比不同的加固方案，論證了FRP環(huán)向纏繞加固橋墩技術(shù)的先進(jìn)性與有效性。FRP環(huán)向纏繞加固橋墩技術(shù)，以高強(qiáng)輕質(zhì)的FRP布作為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹脂為黏結(jié)材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩的快速加固修復(fù)。

1 工程背景

某簡支梁橋位于江蘇省鹽城市，跨越運(yùn)棉河。橋梁中心樁號(hào)為K2＋178.640，跨徑組合為5×20 m。上部結(jié)構(gòu)采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，板梁高度為0.9 m，中板寬0.99 m，邊板寬1.245 m；下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)樁徑為1.2 m，橋墩樁徑為1.5 m；橋面寬度為0.5 m（墻式護(hù)欄）+凈-7.5 m+0.5 m（墻式護(hù)欄）=8.5 m，橋面采用2%橫坡，斜交角度為10°；航道等級(jí)為7級(jí)，通航凈寬18 m×3.5 m，最高通航水位1.639 m。圖1為某簡支梁橋墩立面圖，圖2為橋墩現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 某簡支梁橋墩立面圖

圖2 橋墩現(xiàn)場(chǎng)照片

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回彈試驗(yàn)測(cè)得，橋梁墩柱強(qiáng)度實(shí)測(cè)值較設(shè)計(jì)強(qiáng)度相差較大。各墩柱實(shí)際強(qiáng)度推算值見表1。

表1 混凝土回彈強(qiáng)度匯總表

（2）該橋附近有水泥廠一個(gè)，重車行駛較多，對(duì)橋梁承載能力要求較高。

（3）部分橋墩和系梁由于施工和沖刷的因素造成有露筋，對(duì)于這種現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采取修補(bǔ)措施，以策安全。

（4）伸縮縫凹槽填入碎石等硬物，使得伸縮縫不能自由伸縮。

根據(jù)檢測(cè)情況，從檢測(cè)報(bào)告來看，部分橋墩的強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，尤其1-1號(hào)、1-2號(hào)墩、4-1號(hào)及4-2號(hào)墩，由于碳化深度較大（普遍超過6 mm），混凝土強(qiáng)度推定值偏小。部分橋墩和系梁存在露筋現(xiàn)象，如果不及時(shí)進(jìn)行加固及補(bǔ)強(qiáng)處理，必將影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

2 FRP環(huán)向纏繞加固橋墩設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案與原則

根據(jù)該橋梁樁基礎(chǔ)所存在的病害情況，分析病害對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性、安全性的危害，并結(jié)合具體的工程特點(diǎn)，按以下原則考慮加固設(shè)計(jì)方案：

（1）對(duì)橋墩承載力補(bǔ)強(qiáng)加固。對(duì)露筋進(jìn)行除銹、防銹處理，并采取有效的保護(hù)措施，避免病害進(jìn)一步加深。

（2）加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)與施工方法緊密結(jié)合。

（3）加固后的橋梁，其結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性應(yīng)能得到提高。

根據(jù)該工程基本資料及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，該橋主要病害為橋墩承載能力不足。針對(duì)該結(jié)構(gòu)病害，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文情況，橋墩全部位于水位線以上。擬采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）環(huán)向纏繞加固、修復(fù)墩柱技術(shù)進(jìn)行加固處治。

2.2 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

粘貼碳纖維復(fù)合材料（CFRP）修復(fù)、加固墩柱技術(shù)所采用的CFRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的特點(diǎn)；該技術(shù)施工工藝簡單，無需大型機(jī)械；工期短、成本低；施工期間不影響通航和交通；不影響結(jié)構(gòu)外觀；不增加結(jié)構(gòu)自重。CFRP修復(fù)、加固墩柱技術(shù)適用于工民建結(jié)構(gòu)柱及橋梁的橋墩等混凝土豎向結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)施工缺陷、材料老化、荷載等級(jí)提高等原因?qū)е碌哪途眯匀毕?、承載力不足、抗震能力不足以及地震災(zāi)害后結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)。

采用該技術(shù)，將碳纖維布環(huán)向纏繞在待加固橋梁墩柱的外側(cè)，通過其對(duì)內(nèi)部墩柱混凝土施加的約束作用，從而顯著提高原墩柱結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性能及抗震性能，具有傳統(tǒng)加固技術(shù)諸多無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

根據(jù)該橋設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，通過CFRP約束加固后，要求加固后混凝土強(qiáng)度提高至30 MPa以上。該項(xiàng)目擬采用的CFRP材料名義厚度為0.167 mm，極限抗拉強(qiáng)度為3 400 MPa，彈性模量為250 GPa。

我國《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG J22—2008）[10]規(guī)定，環(huán)向圍束加固的軸心受壓構(gòu)件，承載能力應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中：fcd為原構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)強(qiáng)度推算；fcc為FRP約束加固后混凝土強(qiáng)度；ρf為FRP環(huán)向圍束體積比；Ef為FRP彈性模量；βc為混凝土強(qiáng)度系數(shù)，本項(xiàng)目取1.0；Acor為原構(gòu)件截面有效面積；kc為環(huán)向圍束的有效約束系數(shù)，本項(xiàng)目 kc=0.95；σ1為 FRP 有效約束應(yīng)力；εfe纖維復(fù)合材料的有效拉應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值，取0.003 5。

將加固前、后混凝土抗壓強(qiáng)度代入式（1）、（2），計(jì)算得各墩柱CFRP加固量（見表2）。

表2 FRP加固層數(shù)匯總表

該橋加固的核心問題除提高墩柱混凝土強(qiáng)度，提高其承載能力，另外一個(gè)重要問題是改善墩柱的使用及耐久性能，減少混凝土碳化進(jìn)程，保護(hù)墩柱鋼筋。因此，建議對(duì)該橋梁各墩柱粘貼1～3層碳纖維，對(duì)1-1號(hào)墩柱、1-2號(hào)墩柱、4-1號(hào)墩柱及4-2號(hào)墩柱適當(dāng)增加。

綜合考慮，最終方案如下：對(duì)2-1號(hào)墩柱、2-2號(hào)墩柱、3-1號(hào)墩柱、3-2號(hào)墩柱粘貼1層碳纖維，對(duì)1-1號(hào)墩柱、1-2號(hào)墩柱、4-1號(hào)墩柱及4-2號(hào)墩柱粘貼3層碳纖維。圖3給出該橋梁部分橋墩加固方案示意圖。

圖3 橋墩加固方案示意圖

3 FRP環(huán)向纏繞加固橋墩技術(shù)施工工藝

粘貼CFRP布加固墩柱是采用環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑，將碳纖維布環(huán)向纏繞并粘貼在待加固橋梁墩柱表面，黏結(jié)劑作為它們之間的連接媒介，共同形成新的復(fù)合體。使碳纖維布與原橋梁墩柱一起參與受力，以提高舊橋的承載能力。

粘貼碳纖維（CFRP）布加固墩柱技術(shù)施工工藝流程如圖4所示，包括施工準(zhǔn)備、混凝土表面處理、配制并涂刷浸漬樹脂、環(huán)向粘貼碳纖維布、噴涂保護(hù)層等。

圖4 工藝流程圖

3.1 施工準(zhǔn)備

在進(jìn)行橋墩加固之前，應(yīng)充分了解待加固橋梁墩柱的病害情況，正確掌握相關(guān)的施工工藝流程及施工注意事項(xiàng)，施工中所采用的材料及施工過程中的質(zhì)量控制須符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 混凝土表面處理

粘貼碳纖維布之前應(yīng)先對(duì)原墩柱混凝土表面進(jìn)行必要的處理，并在處理后的混凝土表面涂刷能夠滲透到混凝土內(nèi)的底層涂料，填平混凝土表面凹陷部位，從而達(dá)到表面平整，使碳纖維布與墩柱混凝土表面粘貼緊密，避免粘貼后起鼓。

混凝土表面的處理應(yīng)滿足以下要求：

（1）清除原墩柱混凝土表面的破損、劣化部分，露出結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)部位。

（2）對(duì)于存在銹蝕的外露鋼筋應(yīng)進(jìn)行除銹處理。

（3）對(duì)經(jīng)過剔鑿、清理露筋的混凝土殘缺部分，應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)原。

（4）修補(bǔ)處理原墩柱混凝土表面的裂縫。對(duì)于縫寬小于0.20 mm的裂縫，采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂抹密閉；縫寬大于0.20 mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫處理。

（5）對(duì)混凝土表面凸出及棱角部分進(jìn)行打磨、削平，并及時(shí)清洗打磨過的混凝土表面。

（6）底層涂料應(yīng)涂刷均勻，不得漏涂，涂料施工應(yīng)結(jié)合氣溫條件，嚴(yán)禁添加溶劑稀釋。溫底低于5℃，相對(duì)濕度大于85%，混凝土表面含水率在8%以上，有結(jié)露可能時(shí)，無有效措施不得進(jìn)行涂料施工。

3.3 配制并涂刷浸漬樹脂

待原墩柱混凝土表面處理完畢且充分干燥后，用滾筒刷在碳纖維布表面均勻地涂刷浸漬環(huán)氧樹脂。配置使用的環(huán)氧樹脂應(yīng)滿足以下要求：

（1）施工過程中使用的環(huán)氧樹脂要有足夠的黏結(jié)性能。

（2）環(huán)氧樹脂膠結(jié)料的種類、型號(hào)，應(yīng)根據(jù)施工時(shí)的溫度、濕度等條件進(jìn)行選擇。

（3）正確掌握主劑和固化劑的配比，使?jié)B透性、黏稠度、固結(jié)速度等方面能滿足不同季節(jié)施工的需要。

（4）樹脂的主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例準(zhǔn)確稱量，裝入容器用攪拌器攪拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完。

3.4 環(huán)向粘貼碳纖維布

待環(huán)氧樹脂涂刷完畢，沿著處理過的橋墩表面環(huán)向粘貼碳纖維布，對(duì)于碳纖維布的粘貼應(yīng)滿足下列要求：

（1）碳纖維布的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo)必須符合設(shè)計(jì)規(guī)定和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

（2）粘貼碳纖維布時(shí)，纖維布需按規(guī)定裁剪，而且應(yīng)滿足氣溫、空氣濕度、構(gòu)件表面含水率等要求，粘貼前應(yīng)確認(rèn)粘貼表面充分干燥。當(dāng)氣溫在5℃以下，相對(duì)濕度大于85%時(shí)，如無有效措施不可進(jìn)行碳纖維布的粘貼施工。

（3）多層纖維布采用連續(xù)粘貼的方式，而且必須嚴(yán)格掌握粘貼的位置與搭接長度，纖維順長方向接頭搭接長度應(yīng)大于10cm，搭接部位應(yīng)多涂樹脂，并注意進(jìn)行脫泡、浸滲操作，在纖維寬度方向不需要搭接。

（4）粘貼時(shí)，碳纖維布和樹脂之間盡量不要有空氣，可用專用工具沿著纖維方向在纖維布上多次滾壓，使樹脂滲浸進(jìn)纖維中。對(duì)于直徑在10 mm以上30 mm以下的空鼓，每平方米少于10個(gè)方可認(rèn)為合格；若每平方米空鼓大于10個(gè)，則認(rèn)為不合格，需進(jìn)行補(bǔ)修處理；對(duì)于直徑大于30 mm的空鼓，一旦出現(xiàn)，即認(rèn)為不合格，需要進(jìn)行補(bǔ)修處理。

（5）施工30 min后，用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環(huán)氧樹脂，自然風(fēng)干。

3.5 噴涂保護(hù)層

確保碳纖維布表面樹脂已充分風(fēng)干結(jié)合并初期固化后，在其表面噴涂5 mm厚的保護(hù)層，以確保加固后的外觀質(zhì)量及耐久性，保護(hù)層可采用黏結(jié)劑配合砂漿噴涂或直接采用與原橋墩混凝土顏色一致的噴漆涂裝。

粘貼碳纖維（CFRP）加固墩柱整個(gè)工藝的關(guān)鍵在于纖維布粘貼的緊密性、牢固性，保證與原墩柱結(jié)構(gòu)能夠形成有機(jī)整體，共同工作，因此，必須保證施工中每道工序都要有利于CFRP布粘貼緊密，且必須把握好每道工序施工的間隔時(shí)間，防止纖維布起鼓、脫離、錯(cuò)位。另外，碳纖維布粘貼完后應(yīng)嚴(yán)格遵守自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間要求。

按照上述加固方案，在2016年5月20日至2016年5月30日對(duì)橋梁6個(gè)橋墩進(jìn)行了加固，投入工人5人，工期10 d，造價(jià)不足8萬元，工程順利完成，達(dá)到了加固目的。橋梁橋墩加固施工現(xiàn)場(chǎng)及施工過程如圖5所示。

圖5 橋墩加固施工過程

4 結(jié)論

粘貼纖維復(fù)合材料（FRP）加固墩柱技術(shù)所采用的CFRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的特點(diǎn)；該技術(shù)施工工藝簡單，無需大型機(jī)械；工期短、成本低；施工期間不影響通航和交通；不影響結(jié)構(gòu)外觀；不增加結(jié)構(gòu)自重。纖維復(fù)合材料修復(fù)、加固墩柱技術(shù)適用于工民建結(jié)構(gòu)柱及橋梁的橋墩等混凝土豎向結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)施工缺陷、材料老化、荷載等級(jí)提高等原因?qū)е碌哪途眯匀毕?、承載力不足、抗震能力不足以及地震災(zāi)害后結(jié)構(gòu)損傷的修復(fù)。該技術(shù)將纖維布環(huán)向纏繞在待加固橋梁墩柱的外側(cè)，通過其對(duì)內(nèi)部墩柱混凝土施加的約束作用，從而顯著提高原墩柱結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性能及抗震性能，具有傳統(tǒng)加固技術(shù)諸多無法比擬的優(yōu)勢(shì)。