FRP 管- 灌漿料在局部受損混凝土柱中的加固應(yīng)用

殷曉三，程林楓，李克

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州451191；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，鄭州450000）

1 引言

從工程建設(shè)發(fā)展規(guī)律來看，經(jīng)歷一段高速發(fā)展階段后，建筑業(yè)必將迎來一段長期維護(hù)期。以橋梁維修加固為例，美國在20 世紀(jì)90 年代用在維修加固的費(fèi)用已經(jīng)超過了新建橋梁。當(dāng)前，我國的工程建設(shè)正處于新區(qū)開發(fā)與舊城改造相結(jié)合的階段，并向以舊房改造加固為主的階段邁進(jìn)【1】。以新建建筑為主題和以加固舊建筑為主題的發(fā)展階段中，均有一部分建筑結(jié)構(gòu)不滿足人們的要求，通常的處理方法是拆除重建或修復(fù)加固，拆除重建費(fèi)用高昂，且?guī)斫ㄖ：Νh(huán)境，相比之下，修復(fù)加固相對周期短、費(fèi)用低，是一種較好的選擇。

橋墩遭到船體的沖擊而出現(xiàn)局部損傷，水量控制不嚴(yán)格、坍落度過大或夾雜雜質(zhì)導(dǎo)致局部強(qiáng)度不足，河流沖擊、海水侵蝕、干濕交替作用導(dǎo)致混凝土劣化。局部受損將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性下降，埋下安全隱患。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部損傷時，雖然整體結(jié)構(gòu)還能夠維持正常使用，但卻埋下了安全性和耐久性方面的隱患。因此，亟待尋求安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的適用于局部受損混凝土柱的加固方法。

2 增大截面加固法

增大截面法是通過增加截面尺寸或配筋率來提高混凝土柱承載力和剛度的一種加固方法。在增大截面法中，通?；炷林c加固施工模板之間的間隙較小，混凝土難以振搗密實(shí)，為此，采用自密實(shí)混凝土可以發(fā)揮其無須振搗、施工便捷和節(jié)省勞動力的優(yōu)勢【2】。為了研究同一強(qiáng)度不同材料的加固效果，何佳【3】采用同等強(qiáng)度的灌漿料和細(xì)石混凝土對混凝土進(jìn)行加固，分析了加固材料的力學(xué)性能對加固效果的影響，指出采用灌漿料對混凝土柱進(jìn)行加固，具有更高的承載力提高效果，而且施工比較便利。新增材料與既有混凝土的組合作用是影響加固效果的重要因素之一，為此，盧亦焱等【4】采用鋼管代替后置鋼筋，在外套鋼管和混凝土柱之間澆筑混凝土，取得了良好的加固效果。在現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)加固規(guī)范中，未考慮二次應(yīng)力和新增混凝土和鋼筋對混凝土的約束作用，但是，新舊混凝土不能同時達(dá)到應(yīng)力峰值，存在應(yīng)力滯后的問題。為此，張祝沐【5】采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等方法，對該問題進(jìn)行了研究，對正截面受壓承載力計算公式進(jìn)行了改進(jìn)。增大截面法加固后的構(gòu)件延性、混凝土柱的軸壓比、尺寸效應(yīng)和抗震性能等均是需要進(jìn)一步研究的課題。增大截面法施工工藝較為簡單，使用范圍廣，但是，現(xiàn)場濕作業(yè)工作量大，施工周期較長，侵占結(jié)構(gòu)使用空間，增加結(jié)構(gòu)自重，對生產(chǎn)生活影響大。因此，該加固方法在混凝土柱加固中受到了一定的限制。

3 粘鋼加固法

粘鋼加固法是將鋼板粘貼于混凝土柱表面，以提高其承載力和剛度的一種加固方法。粘鋼加固技法發(fā)展和應(yīng)用比較早，在20 世紀(jì)90 年代時，已經(jīng)較為完備，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，又涌現(xiàn)出各種新的粘鋼方法，如粘鋼修型技術(shù)、點(diǎn)焊濕包鋼技術(shù)、粘錨聯(lián)合技術(shù)和濕式外包鋼技術(shù)等。李鵬等【6】研究了粘鋼加固混凝土短柱的受壓性能和約束機(jī)理，結(jié)果表明，二次受力試件承載力小于一次受力試件。胡長青等【7】研究了粘鋼加固混凝土短柱的軸壓承載力、變形性能和鋼板與混凝土共同工作性能，結(jié)果表明，構(gòu)件延性得到顯著改善，變形能力顯著增強(qiáng)，膠層作用可以使鋼板和混凝土協(xié)調(diào)工作。張貴文等【8】利用ABAQUS 分析了粘鋼加固混凝土柱在低周水平荷載作用下的受力性能，結(jié)果表明，采用粘鋼加固法可以顯著地提高混凝土柱的抗震性能。為了減少鋼材的使用量，僅僅在混凝土柱的角部粘貼鋼板，稱為外包角鋼加固法。盧亦焱等【9】對外包角鋼加固混凝土柱的軸壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，外包角鋼直接參與承受軸向壓力，綴板與外包角鋼形成的骨架體系可以約束內(nèi)部混凝土，從而提高了構(gòu)件的承載力和延性。粘鋼加固法應(yīng)用范圍較廣，加固效果顯著，但用鋼量較大，加固維修費(fèi)用較高。

4 粘貼FRP 加固法

粘貼FRP 法是將FRP 粘貼于混凝土周圍，以提高其結(jié)構(gòu)功能的加固方法。FRP 是一種多組成材料，由增強(qiáng)纖維嵌入聚合物基體構(gòu)成，主要包括玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維等。FRP加固法的主要機(jī)理是利用FRP 對混凝土柱進(jìn)行約束，從而提高其承載力和延性。有關(guān)粘貼FRP 加固混凝土的研究主要集中在FRP 約束混凝土的短柱承載力、長柱承載力和高強(qiáng)度混凝土柱等。楊俊杰等【10】研究了FRP 管實(shí)心混凝土柱的受力性能，結(jié)果表明，纖維鋪設(shè)角度和混凝土強(qiáng)度越大，則柱的承載力越高，但極限應(yīng)變卻有所下降。盧亦焱等【11】研究了FRP 加固混凝土柱鋼筋銹蝕電化學(xué)特性，結(jié)果表明，外粘CFRP 和GFRP 加固混凝土柱中的鋼筋半電池電位隨著干濕交替次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出先升高后穩(wěn)定趨勢，CFRP 和GFRP 有效地緩解了鋼筋的銹蝕。盧亦焱等【12】則將FRP 與鋼管進(jìn)行組合，提出了FRP-鋼管加固混凝土柱的加固方法，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立了有限元分析模型，研究了鋼管壁厚、混凝土強(qiáng)度、FRP 種類、FRP 層數(shù)和FRP 彈性模量等因素對加固構(gòu)件軸壓性能的影響。翟科杰等【13】研究了不同種類纖維布約束作用對混凝土方柱力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步完善了FRP 加固混凝土方柱的約束強(qiáng)度模型。作為混凝土柱的抗震加固，粘貼FRP法具有獨(dú)特的優(yōu)越性，1997 年我國學(xué)者開展了相關(guān)研究。FRP加固混凝土柱，可以使短柱的破壞形態(tài)由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，而且能夠提高?gòu)件的延性，增強(qiáng)其耗能性能。FRP 高強(qiáng)高效、質(zhì)量輕、耐久性和耐腐蝕性好，在加固領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。

5 灌漿料加固法

高性能灌漿料具有早強(qiáng)、高強(qiáng)和收縮徐變小、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，近年來不斷應(yīng)于混凝土柱加固中。李祖輝等【14】利用水泥基灌漿料加固混凝土柱，研究了水泥基灌漿料和混凝土協(xié)同作用的性能，得出了柱內(nèi)鋼筋和水泥基灌漿料的壓力-壓縮量的關(guān)系。將鋼管外套于混凝土周圍，鋼管與混凝土柱之間填充灌漿料，形成一種新的加固方法，不僅能夠顯著提高構(gòu)件的承載力、延性和剛度，而且具有經(jīng)濟(jì)良好的抗震性能。熊進(jìn)剛等【15】對采用高性能灌漿料置換加固的混凝土框架柱的受壓性能進(jìn)行了全過程分析，分析了混凝土柱初始應(yīng)力對灌漿料強(qiáng)度發(fā)揮程度的影響，結(jié)果表明，對于存在二次應(yīng)力情況的混凝土柱，高性能灌漿料和混凝土之間存在應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，混凝土柱和高性能灌漿料不能同時達(dá)到抗壓強(qiáng)度，影響高性能灌漿料強(qiáng)度的發(fā)揮。高性能灌漿料加固混凝土的研究主要集中在混凝土短柱的軸壓性能，而偏壓柱性能的研究相對較少，為此，張可等【16】研究了初始應(yīng)力和偏心距對高性能灌漿料在加固偏心受壓混凝土柱的影響，結(jié)果表明，隨著加固前初始應(yīng)力和偏心距的增大，加固效果逐漸減弱。相對于增大截面法、粘鋼法和FRP 法等，高性能灌漿料在加固混凝土柱的應(yīng)用研究還不夠完善，例如，長柱受力性能、抗震性能、抗沖擊性能和可靠度等方面的研究需要進(jìn)一步探討。

6 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱

6.1 FRP 加固局部受損混凝土柱

針對局部受損混凝土柱的加固，目前國內(nèi)相關(guān)的研究相對較少。魏華【17】針對實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中出現(xiàn)的混凝土局部強(qiáng)度降低的工程現(xiàn)象，采用碳纖維布對混凝土柱中強(qiáng)度削弱的區(qū)域進(jìn)行了局部加固，通過試驗(yàn)研究了受約束后強(qiáng)度不足區(qū)域混凝土的強(qiáng)度及延性提高效果，分析了加固后構(gòu)件的整體工作性能，探討了使用局部加固技術(shù)的可行性，提出了局部強(qiáng)度不足的混凝土柱在局部包裹碳纖維布加固的情況下，偏心受壓的正截面承載力計算公式。郭夏【18】對碳纖維布加固含有薄弱段的鋼筋混凝土軸壓柱及偏壓柱的受力和變形性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要考慮了碳纖維布的粘貼形式、用量及偏心距加固效果的影響。李健康等【19】采用有限元法對CFRP 約束局部強(qiáng)度不足橋墩的軸心受壓性能進(jìn)行了分析，研究了加固效果和CFRP 約束狀態(tài)下橋墩的受力機(jī)理，結(jié)果表明，采用CFRP加固局部受損混凝土橋墩，構(gòu)件承載力和延性得到提高，隨著CFRP 層數(shù)的增加，核心混凝土的側(cè)向約束應(yīng)力明顯增大。

這些加固方法均是基于粘貼FRP 法，但FRP 彈性模量小、層間剪切強(qiáng)度低，而且對構(gòu)件承載力的提高幅度有一定的限制。為此，在增大截面法、粘鋼法、粘FRP 法的基礎(chǔ)上，利用高強(qiáng)度灌漿料的優(yōu)點(diǎn)，提出了FRP 管-灌漿料加固局部受損鋼筋混凝土柱的加固方法。

6.2 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱施工工藝

FRP 管-灌漿料加固局部受損混凝土柱的主要特點(diǎn)是，對鋼筋混凝土柱進(jìn)行卸載，將鋼筋混凝土柱局部受損部位及外圍部分鑿除，銹蝕的鋼筋則進(jìn)行除銹工作，清除碎石、浮漿、灰塵等雜物，將預(yù)制成型的FRP 殼環(huán)裹于被鑿除的既有鋼筋混凝土柱，形成圓形管狀，保證FRP 殼與既有鋼筋混凝土柱同軸，然后將FRP 浸漬環(huán)氧膠液，搭接FRP 殼，使之成為類似于焊接鋼管的FRP 管。在FRR 管和既有鋼筋混凝土柱之間的空隙澆筑早強(qiáng)型無機(jī)灌漿料，從而形成整體性能良好的組合柱。

6.3 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱加固機(jī)理

主要加固原理是：將原有受損部分換為強(qiáng)度更高的灌漿料，灌漿料和外套FRP 管有著良好的黏結(jié)，通過植筋與核心混凝土有機(jī)地結(jié)合起來，使組合結(jié)構(gòu)的整體性得到大大增強(qiáng)。外套FRP 管對核心區(qū)域有著良好的約束，使其處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，軸向抗壓強(qiáng)度得到顯著提高，從而提高了整個混凝土柱的承載力，增強(qiáng)了整個混凝土柱的延性。早強(qiáng)型灌漿料有著較好的性能，凝結(jié)時間短，抗壓強(qiáng)度高，膨脹率低，灌漿料硬化后無收縮，流動性和自密實(shí)性能良好，與鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度高，對鋼筋有很好的保護(hù)作用。FRP 管有著較強(qiáng)的約束能力，使得加固截面在相對增加不大的情況下達(dá)到加固目的，幾乎不侵占使用空間，附加自重對整個結(jié)構(gòu)影響不大；外套FRP 管自重輕質(zhì)，又可以用作灌漿料模板，簡化施工工序，方便快捷，大大降低了工程費(fèi)用

6.4 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱的研究意義

FRP 管-灌漿料加固局部受損混凝土柱，這種新的加固方法利用了FRP 的新材料、FRP 成管新技術(shù)和FRP 約束性混凝土新結(jié)構(gòu)3 方面的特點(diǎn)，既能在解決舊問題時表現(xiàn)出明顯的長處，又能在處理新問題中發(fā)揮優(yōu)勢。這種新的加固技術(shù)在工程應(yīng)用上具有施工工藝簡單、作業(yè)量少、加固費(fèi)用低和施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此，對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，既推動了該加固技術(shù)在工程中的應(yīng)用，又?jǐn)U大了加固方法的陣容；既豐富了FRP約束混凝土的理論，又促進(jìn)了加固局部受損構(gòu)件技術(shù)的發(fā)展；既能使早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用價值得到體現(xiàn)，又能使FRP 約束機(jī)理得到更深層次的揭示。

7 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑業(yè)迎來了發(fā)展高峰期，加固改造的研究也迎來發(fā)展機(jī)遇。針對不同的結(jié)構(gòu)提出不同的加固方法，不同的加固方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的條件。新技術(shù)、新理論和新結(jié)構(gòu)類型為加固方法的創(chuàng)新提供了思路，為此，基于FRP 和灌漿料的優(yōu)點(diǎn)，提出了FRP 管-灌漿料加固局部受損混凝土柱的加固方法。這種加固方法針對局部受損結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，相對于加固整個構(gòu)件而言，具有造價低廉的優(yōu)勢，相對其他加固方法具有施工便利、工作量少的優(yōu)點(diǎn)。