CFRP在隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固中的工程應(yīng)用研究

金典琦，曹生榮，秦 敢,3

(1.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

隧洞是水利樞紐工程中的主要建筑物之一，根據(jù)其功能的不同，有發(fā)電、灌溉、供水、防洪等不同類(lèi)型的隧洞。我國(guó)有大量的隧洞已運(yùn)行數(shù)十年，受到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和管理等多方面因素的共同影響，相當(dāng)數(shù)量的隧洞存在不同程度的老化和病害問(wèn)題，如混凝土碳化、襯砌開(kāi)裂、滲水、鋼筋銹蝕等[1-3]。這些病害的存在會(huì)導(dǎo)致隧洞結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定程度降低，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)危及整個(gè)工程的安全。因此，對(duì)已建隧洞的病害及其相應(yīng)整治措施的研究已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。

碳纖維布(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)作為一種新型復(fù)合材料，具有高強(qiáng)高效、施工便捷、耐腐蝕、自重輕等明顯的優(yōu)點(diǎn)[4]，從20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，在航空、航天、船舶、汽車(chē)、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，CFRP因其較好的結(jié)構(gòu)性能和耐久性能而逐步轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域。由于CFRP作為抗拉材料能有效地控制襯砌裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，防止襯砌掉塊、剝落，也逐漸成為了隧洞襯砌內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)方法中迅速發(fā)展的一種，在隧洞結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)中具有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

針對(duì)CFRP加固混凝土技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果[6-10]。日本、美國(guó)、加拿大以及部分歐洲國(guó)家先后制訂了相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程或指南。我國(guó)的研究工作起步相對(duì)較晚，盡管也已形成了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]，然而，由于研究工作的相對(duì)滯后，可參考的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)相對(duì)較少，技術(shù)規(guī)程中較多地參考了國(guó)外的研究成果或規(guī)范公式，并且有限的研究成果主要是針對(duì)工業(yè)民用建筑以及橋梁的加固特點(diǎn)進(jìn)行的，嚴(yán)重限制了該技術(shù)在隧洞加固領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，本文總結(jié)了CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)當(dāng)前研究工作的進(jìn)展，并探討了CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)今后的研究重點(diǎn)，以期促進(jìn)CFRP在隧洞加固領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

1 CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

采用CFRP加固襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，是通過(guò)粘膠將CFRP材料粘貼于混凝土的內(nèi)表面，并通過(guò)粘膠傳遞應(yīng)力使CFRP能夠參與承載。內(nèi)貼CFRP能否有效的提高加固后結(jié)構(gòu)的承載力，主要取決于CFRP、粘膠以及混凝土之間能否形成整體、變形協(xié)調(diào)、共同受力。因而，CFRP在隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固中的作用效果如何一直是研究者所關(guān)心的核心問(wèn)題。在采用CFRP材料對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固前，襯砌混凝土都會(huì)存在一定的損傷。因而實(shí)際的加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu)，存在著應(yīng)變滯后和應(yīng)力超前現(xiàn)象，與普通混凝土結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別。因而考慮隧洞襯砌結(jié)構(gòu)損傷歷史對(duì)CFRP加固效果的影響也是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1.1 CFRP在隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固中的作用效果研究

早期主要采用模型試驗(yàn)的方法研究CFRP加固技術(shù)針對(duì)襯砌特定病害的補(bǔ)強(qiáng)加固效果。蘭宇[12]分析了襯砌背后存在空洞的情況下，隧洞采用內(nèi)貼CFRP加固時(shí)粘貼范圍和加固材料剛度對(duì)加固效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明內(nèi)貼CFRP加固能夠有效的限制裂縫的繼續(xù)發(fā)展，從而提高隧洞的承載力。何川等[13]選取Ⅲ類(lèi)圍巖中拱頂空洞60°的缺陷隧洞為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了在相同圍巖級(jí)別、缺陷形式及加載方式下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害后，內(nèi)表面粘貼CFRP的加固效果，并探討了加固材料剛度和粘貼范圍對(duì)結(jié)構(gòu)最終承載力的影響。

為了研究在靜力荷載作用下的補(bǔ)強(qiáng)加固效果，劉逸敏和王利陽(yáng)等[14-16]將輸水隧洞的荷載模式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，分別分析了均勻內(nèi)壓條件和垂直外壓條件引起的結(jié)構(gòu)破壞模式，并對(duì)比了結(jié)構(gòu)在采用CFRP加固后開(kāi)裂荷載以及極限承載能力的差別。劉飛等[17-18]基于均勻內(nèi)壓模型試驗(yàn)，分析了內(nèi)貼CFRP加固震損輸水隧洞的加固效果，試驗(yàn)分析結(jié)果表明：CFRP參與承載后，可以顯著改善襯砌混凝土的應(yīng)力水平，提高震損隧洞的極限承載能力，并使得襯砌混凝土中鋼筋的抗拉性能得到充分的發(fā)揮。柳獻(xiàn)等[19]基于1∶1模型試驗(yàn)，分析了CFRP加固盾構(gòu)隧洞管片縱縫接頭的受力性能以及破壞模式，對(duì)比了加固和未加固兩種試驗(yàn)條件下縱縫接頭的轉(zhuǎn)角變化和連接螺栓的應(yīng)力水平差別，試驗(yàn)結(jié)果表明：在CFRP和管片粘結(jié)牢靠的前提條件下，加固接頭的轉(zhuǎn)角剛度較未加固而言可以提升約110%。Yuan H等[20-21]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了隧洞襯砌混凝土的剝落行為，并指出在襯砌混凝土內(nèi)表面粘貼CFRP可以有效的防止保護(hù)層混凝土的剝落。

在動(dòng)力荷載的作用下，CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)也能表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。Xie W等[22-23]基于一系列的模型試驗(yàn)，研究了在隧洞附近區(qū)域出現(xiàn)爆炸對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，并對(duì)比了襯砌結(jié)構(gòu)采用CFRP加固后，襯砌混凝土的變形、應(yīng)變、開(kāi)裂情況以及失效模式。Wang P等[24]分析了在爆破荷載作用下CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力過(guò)程響應(yīng)以及失效模式，研究結(jié)果表明：在爆破荷載作用下，CFRP能明顯減小襯砌混凝土的開(kāi)裂面積并防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積的混凝土剝落。

隨著有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者也開(kāi)始基于有限元模擬技術(shù)來(lái)進(jìn)行CFRP加固隧洞的加固效果研究。楊成忠等[25-26]基于有限元理論對(duì)隧洞開(kāi)裂段加固前后襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)分析了CFRP的變形狀況。分析結(jié)果表明，當(dāng)二次襯砌開(kāi)裂后將CFRP粘貼于襯砌混凝土內(nèi)表面，由于CFRP參與承擔(dān)荷載，對(duì)襯砌混凝土受拉變形能起到明顯地約束作用。李宇杰等[27]以既有襯砌裂縫病害為研究背景，在隧洞襯砌無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用有限元仿真技術(shù)對(duì)CFRP加固隧洞襯砌的效果開(kāi)展研究，分析結(jié)果表明：由于CFRP與混凝土的粘結(jié)作用，增加了襯砌結(jié)構(gòu)抵抗外部荷載的能力，隧洞襯砌由單純受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉與受剪共同作用狀態(tài)，混凝土的損傷由拱部中央轉(zhuǎn)移到拱部?jī)蓚?cè)。

由于CFRP本身的局限性(在纖維方向的力學(xué)性能良好，在垂直纖維兩個(gè)方向的力學(xué)性能較差)，CFRP加固技術(shù)在隧洞補(bǔ)強(qiáng)中的適用范圍也有所限制。彭偉[28]指出內(nèi)貼CFRP對(duì)襯砌混凝土壓性裂縫的加固效果較差。周大舉[29]認(rèn)為內(nèi)貼CFRP對(duì)于由襯砌內(nèi)表面受拉而產(chǎn)生的部分病害可起到明顯地加固作用，而對(duì)于襯砌出現(xiàn)的壓潰、錯(cuò)臺(tái)等重大病害，CFRP加固技術(shù)并不適用。

1.2 隧洞損傷歷史對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響研究

葛立福等[30-31]基于ANSYS平臺(tái)建立了CFRP加固隧洞三維有限元模型，模型中通過(guò)荷載步結(jié)合單元“生死”來(lái)模擬隧洞在采用CFRP加固前的損傷歷史。研究結(jié)果表明：由于在加固之前襯砌混凝土在自重以及土壓力等荷載的作用下已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形，在采用CFRP進(jìn)行加固后CFRP中的應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，CFRP的高強(qiáng)性能并沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。羅立娜[32]認(rèn)為當(dāng)襯砌混凝土裂縫開(kāi)展到一定深度后，因開(kāi)裂部分的混凝土退出工作而不能繼續(xù)提供有效的壓應(yīng)力與CFRP提供的拉應(yīng)力組成增強(qiáng)力偶，從而會(huì)導(dǎo)致CFRP的加固作用不能得到充分發(fā)揮，故加固前要保證混凝土的受壓區(qū)高度大于極限承載時(shí)混凝土受壓區(qū)高度的1.2倍，同時(shí)要保證受拉鋼筋在加固前不能屈服。

在實(shí)際加固過(guò)程中，襯砌混凝土無(wú)法做到完全卸載?？紤]隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加固前的受損歷史將成為未來(lái)CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)研究的基本前提，這也把握住了CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)重要的受力特點(diǎn)[33-35]。從當(dāng)前研究狀況看，襯砌混凝土的損傷歷史對(duì)加固效果影響很大，加固前襯砌混凝過(guò)度的破損往往會(huì)導(dǎo)致CFRP的高強(qiáng)性能得不到充分的發(fā)揮。故在《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50608-2010)中對(duì)CFRP加固受彎構(gòu)件時(shí)規(guī)定：當(dāng)加固前計(jì)算截面承擔(dān)的初始彎矩小于未加固截面受彎承載力的20%時(shí)，可不計(jì)前期受載歷時(shí)的影響；當(dāng)加固前計(jì)算截面承擔(dān)的初始彎矩大于未加固截面受彎承載力的50%以上，且無(wú)法卸載時(shí)，不宜采用非預(yù)應(yīng)力的加固方法。

2 存在的問(wèn)題及展望

從已有的研究成果可以看出，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展CFRP加固隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的研究歷史并不長(zhǎng)，但取得了大量具有實(shí)際工程意義的成果，研發(fā)了適用于潮濕界面的粘結(jié)劑以及CFRP表面防護(hù)材料，對(duì)CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)的作用效果也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，為CFRP加固技術(shù)在隧洞中的應(yīng)用提供了豐富實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)。然而，分析現(xiàn)有的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，目前以解決終端工程問(wèn)題為目標(biāo)而進(jìn)行的重復(fù)性的應(yīng)用研究居多，而缺乏對(duì)CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)滑移機(jī)理和剝離機(jī)理的探索以及對(duì)CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)研究中存在的共性科學(xué)問(wèn)題的提煉和總結(jié)。因此，從總體上講，CFRP加固技術(shù)在隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用研究仍然需要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

1)水流沖刷作用下CFRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移性能研究。采用CFRP加固混凝土?xí)r，主要通過(guò)加固界面?zhèn)鬟f的界面應(yīng)力使CFRP參與承載。因而，CFRP-混凝土界面力學(xué)性能是研究者所關(guān)心的核心問(wèn)題。然而，分析現(xiàn)有研究成果可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多是針對(duì)以下結(jié)構(gòu)而展開(kāi)：①各類(lèi)梁、板結(jié)構(gòu)的抗彎或抗剪加固；②各類(lèi)柱、墩結(jié)構(gòu)的抗壓加固或者抗震加固；③剪力墻的抗剪加固。采用CFRP補(bǔ)強(qiáng)壓力隧洞時(shí)，CFRP除了要分擔(dān)隧洞外部的水土荷載外，還需要抵抗洞內(nèi)水流的沖刷作用，CFRP的承載環(huán)境相比于加固上述結(jié)構(gòu)而言更為復(fù)雜。目前，針對(duì)在水流沖刷作用下CFRP-混凝土的界面粘結(jié)滑移性能的研究尚不充分。

2)水流沖刷作用下CFRP-混凝土界面剝離破壞規(guī)律。CFRP能否充分發(fā)揮其抗拉性能，主要取決于膠層和混凝土之間能否粘結(jié)牢靠。因此，如何保證加固效果和預(yù)防早期剝離破壞也是研究的一大熱點(diǎn)。然而現(xiàn)有研究主要是針對(duì)面內(nèi)剪切剝離、受彎加固剝離和受剪加固剝離等3種破壞模式展開(kāi)。而針對(duì)水流沖刷作用下CFRP-混凝土界面壓剪耦合作用的破壞機(jī)理尚未明確，相應(yīng)的界面剝離承載力計(jì)算方法也亟待建立。

3)數(shù)值模型的深入研究。界面剝離往往發(fā)生在襯砌保護(hù)層混凝土中，剝離下來(lái)的混凝土的尺寸一般為幾個(gè)毫米。因而，采用傳統(tǒng)的有限元方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行細(xì)觀尺度上的求解時(shí)，需要對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行非常精細(xì)的剖分。由此產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，往往要耗費(fèi)巨大的計(jì)算量和很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間才能算得比較滿(mǎn)意的結(jié)果。因而，可以尋求多尺度有限元建模方法或者將離散元與有限元方法耦合，在保證計(jì)算精度的同時(shí)又可以節(jié)省計(jì)算資源。

3 結(jié) 語(yǔ)

考慮到隧洞在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病害，對(duì)已建隧洞的病害及其相應(yīng)整治措施的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著潮濕界面粘結(jié)問(wèn)題的解決，結(jié)合CFRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性好、占用隧洞凈空小等優(yōu)勢(shì)，CFRP加固技術(shù)在隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固中具有十分廣泛地應(yīng)用前景。本文對(duì)CFRP加固技術(shù)在隧洞結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，總結(jié)了CFRP加固隧洞結(jié)構(gòu)當(dāng)前研究工作的進(jìn)展，并對(duì)目前研究工作中的不足和今后的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望，相信這一問(wèn)題的深入研究將推動(dòng)CFRP加固技術(shù)在隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固中的進(jìn)一步應(yīng)用。