纤维增强塑料在桥梁加固工程中的应用

国至少有30座桥梁和结构物采用了碳纤维增强纤维加固和修补；日本在20世纪70年代和80年代，汽车运输急剧增加，设计标准也相应提高，造成大量桥梁无法满足抗震要求；在我国，公路桥梁大部分为建国后所建，运行时间一般在50年左右，也逐渐出现老化破损、裂缝等现象，危桥数量逐年增加，承载能力明显下降，据1998年的统计资料，目前国内铁路混凝土桥梁已达10万余孔，总延长超过2 200km，其中各种病桥梁已占1左右3根据交通部1999年的统计，全国有永久性桥梁225499座，有4451座危桥，占总桥数的17.3即使是20世纪80年代以来新建的桥梁和城市立交桥，由于在冬季交通设施是保证国民经济和社会健康发展重要的基础设施，钢筋混凝土桥梁作为交通设施的重要组成部分，起到至关重要的作甩近30多年来，公路交通量不断增加，代表车型不断趋于重型化，公路桥梁负荷也日趋加重；加之旧桥部分老化破损或受原设计荷载标准的限制，普遍存在桥梁承载力不足的情况美国公共数据中注册的59万多座公路桥梁中，有33的桥梁存在承载力不足或者功能缺陷，无法满足使用要求；在加拿大，冬季撒盐化冰，约有40万座桥梁受到了不同程度的损坏；1997年英结构用纤维增强塑料（FRP），可分为3大类：碳纤维闱F搬高分子聚滓纤维说微Uifeush用的主要是片材。片材在使用前不浸润，而仅在施工大量采用去冰盐，也引起结构耐久性的破坏和承载力不足桥梁的修复加固已成为工程界关注的研究课题目前，常用修复和加固方法包括增大截面、体外预应力、粘贴钢板和FRP加固等。其中FRP加固是一种新兴的加固方法1991年7月，瑞士联邦材料测试研究所率先在多跨连续箱形梁桥（Ibach桥）进行了FRP加固试验和研究并获得了成功世界各国先后开展FRP加固混凝土结构研究，美国混凝土协会（ACI）分别于1999年和2000年编制发布了“外贴FRP加固钢筋混凝土结构设计和施工指南”和后，投入了大量人力和物力开展相关研究，并产生了一系列规程、指南和手册；1998年，日本建设省开展了“建设事业中的新素材、新材料利用技术的开发”

　　大型综合研究项目1987年~1998年间，日本用碳纤维片加固混凝土结构施工达4 410件（见）国内也开展了FRP的研究和工程应用由于FRP加固具有高强高效，适用面广，质量易保证；施工便捷，工效高，没有湿作业，不需现场固定设施，施工占用场地少；耐腐蚀及耐久性能极佳；加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸等特点所以适用于各种结构类型各种结构部位的加固修补，如梁、板柱、屋架桥墩桥梁、筒体、壳体等结构预计该技术在本世纪内必然会有更大的发展1纤维增强塑料及技术特点筋性能比较如表1所示，各类纤维应力一应变曲线见，耐久性比较见表2所列CFRP材料具有高强度和高性弹模量特点其弹性模量可达235GPa以上，抗拉强度达3.度和弹模稍低于CFRP材料，但其拉断时的延伸率增大GFRP材料的强度和弹模更低，延伸率更大，如美国的泰扶（TYFOFiberwrap），其主向抗拉强度为643MPa，横向抗拉强度为40MPa，主向弹性模量为30.2GPa最近，日本东洋纺开发的PBO纤维具有高分子结构的复合材料，改变了高分子聚合物纤维弹性模量低的特点，弹性模量和强度不低于碳纤维，并具有非常好的能量吸收能力。

　　表1纤维增强塑料与钢筋材性比较容重/抗拉强弹性模破坏拉热膨胀kN.m-3度/GPa量/GP应变/（%）系数玻璃纤维芳纶纤维碳纤维普通钢筋高强钢筋目前，在混凝土结构加固中应用最多的是CFRP材料CFRP材料按其出厂形状可分为：片材（布材和板材）、棒材（无肋棒材、有肋棒材、集束棒材）型材（网格型矩形工形、层压形蜂窝形等）和特殊构造用材料等目前在我国结构加固修复中采1.3技术特点（1）施工简便迅速的缺缫加固周期长影响桥面魏息部和通uFeRP修复补S强混凝土结构只需将被修补部过程中才给予浸润。从国际使用情况看，其使用量最大，其用量每年达2km2以上，且技术最成熟美、日力P西欧等国均已有了相应规范板材在使用前即已浸润树脂，使其固化成板状，施工中再用树脂将其粘贴于结构表面，类似于粘贴钢板的工艺，其使用量较小，但板材的CFRP的利用效率系数较高，对于T梁的肋底抗拉补强更合适，故近年使用量也有增涨表2碳纤维材料与各种FRP耐久性碳纤维芳香族聚硫胺玻璃聚丙烯铁盐酸优劣优劣硫酸优劣优劣硝酸优劣优劣氢氧化钠优劣优劣海水优劣可优劣丙酮优劣可优劣苯优汽油优二氧化碳优FRP加固与常用加固方法的比较目前，国内外常用的结构加固方法还有粘贴钢板加固法增大断面加固法及体外预应力加固法等粘贴钢板加固方法和外贴FRP加固方法相类似该法采用双组分环氧树脂粘接剂把钢板或其它钢质件粘贴在混凝土表面，并构成一个混凝土一粘接一钢三相复合物系统让钢板部分替代钢筋的作用从而提高结构的承载力。该法具有施工简便和快速对结构整体尺寸的改变极小>对原结构破坏小等优点因此，当钢筋混凝土构件的承载力不足或因变形裂缝影响结构正常使用时，就可通过结构胶将钢板粘贴到钢筋混凝土构件外部恰当位置，以满足其承载力或正常使用要求然而由于抗剪加固需要牢固的锚固措施，易对混凝土结构产生破坏作甩另外，由于钢板本身刚度较大，混凝土表面平整度对加固效果影响较大，混凝土表面严重的不平整会导致钢板与混凝土有效粘结面积减少，从而影响加固效果该方法是在已有梁上补浇混凝土，增加构件的断面面积，以提高梁的承载能力。该法成败与否的关键是新老混凝土的结合问题因此务必要做好新老混凝土结合处理，确保新老混凝土结合良好。但新浇混凝土系二次受力构件，结合面应力状态复杂该法侧面浇筑比较困难体外预应力加固法借助所施加的预应力以减少构件中产生的拉应力。一般采用无粘结预应力技术加固其优点不但能提高结构承载力，也能明显改善构件的抗裂性能该法缺点是预应力加固构件是二次受力构件，存在着应力超前和应变滞后现象原构件受预应力作用产生的压缩变形对控制张拉量的计算影响较大由于钢板本身的防腐蚀能力差，对于海洋或具有腐蚀性较强的环境不宜采甩各种方法综合比较见表3可见粘贴钢板加固法扩大断面加固法和体外预应力加固法在施工时存在难度大施工处理复杂，工期长等缺点而FRP布是柔性材料，施工时可以依靠现场用剪切裁剪成所需的形状和尺寸，对构件的不同外形都具有极高的适应能力；由于重量轻，现场施工基本是手工操作，不需大型设施和施工工具。在较小的空间中即可进行施工，且施工速度很快，施工工期短，粘贴质量容易得到保证表3各种加固方法比较项目加大截面法体外预应力法粘贴钢板加固法固法增加体积大小增加重量大小大小施工时间长较长短需工人数多少施工空间大小大型施工机械需要不需要抗腐蚀、耐久性差良好（FRP）差（钢板）差良好从经济上看，FRP价格虽然相对较高，但在运输存储、装卸、加工、维护过程中的费用相对较少；施工机具简单，从而减少了机械台班费；施工速度快，相应缩短了工期，也节省了人工费用；碳纤维耐久性好，也减少了后期维护费甩因此，加固工程综合造价却相对要低综合施工难易程度、施工工期和施工质量等方面因素，采用FRP加固钢筋混凝土桥梁结构是可行的。

　　位的混凝土表面修补打磨平整，表面洁净，涂刷特定的环氧树脂，然后粘贴FRP片最后再涂刷一层环氧树脂自然固化养护即可不需任何夹具模板和支撑，施工既简便又迅速（2）不增加结构重量轻，对结构自重的影响甚微，可忽略不计FRP布的厚度很薄，可以裁剪成所需形状，顺应结构的外形粘贴在混凝土表面，如变截面梁曲线梁，均可方便地粘贴根据补强设计的要求，FRP布可以在一个部位重叠粘贴，即贴一层后上面再贴一层，连续贴很多层，充分满足补强的要求能有效地封闭混凝土的裂缝FRP布粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，FRP布高强高模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土构件的整体刚度。

　　FRP布和环氧树脂的化学稳定性都非常好，耐酸、碱和盐类的腐蚀，还可以防水在重复荷载作用下的疲劳性能也优于金属和混凝土材料可长期经受核辐射和紫外线照射。在-54C~82（温度环境条件下使用，强度不降低经加速老化试验，可历时40年性能不变，且在表面覆盖高性能砂浆后，其耐久性将更为突出2工程应用固法结合不同的FRP加固方法，扼要介绍有代表性的工程2.1外贴FRP片加固法外贴FRP片加固法在FRP加固应用中最广，国内FRP加固均采用该法外贴FRP加固法包括两种：预浸渍板材加固法和片材加固法对于后者，首先采用基底树脂填补经过处理的混凝土表面的细FRP布（片材）粘贴在规定位置，用橡胶滚筒将FRP粘贴到混凝土表面；间隔一定时间后，粘贴第二层。

　　如多层，则重复上述步骤位于山东省微山县韩庄镇南的韩庄闸公路桥，是104国道的主干道，设计标准为汽-20挂-100公路桥由31孔组成，每跨跨度为10m，该桥用5根钢筋混凝土T梁和5块空心板拓宽成9.0mT梁投入运行40余年，而加宽部分空心板运行也20多年。经检测发现，T梁不能满足设计汽-20挂-100要求，为使公路桥T梁能长期安全通行，采用12K碳纤维布和LZ型结构胶进行了加固在梁底跨中粘贴两层单向碳纤维布，在梁侧面粘贴一二层双向碳纤维布该工程共加固面积140m2，经现场静载试验发现，梁的挠度降低3（%左右，强度提高30%，加固效果显著NSM加固法小孔洞，然后用找平材料找平不平整表面和混凝土NSMCFRP筋加固示意图孔洞，再用双组分浸渍材料把按照设计尺寸裁剪的Fig.3SketchNSMCFRProd美国、日本等国FRP加固研究的热点之一。该法用树脂把FRP筋埋设在混凝土受拉区表面附近，并将其锚固在相邻构件上，利用FRP筋良好的抗拉性能，以提高构件抗弯和抗剪能力该法相对外贴FRP布（片材俱有3个优点：①施工安装简便，混凝土表面处理工作量小，提高施工进度；②能大幅度提高构件的承载能力，特别适用于梁板结构的负弯距加固，③适用面广，不仅可用于普通钢筋混凝土加固，也可用于预应力混凝土结构加固。NSM FRP筋加固混凝土结构的施工分3个步骤：①在设计指定的混凝土表面挖矩形槽，槽宽度应略大于FRP筋的直径；②在槽内填入大约半槽高的树脂，并把FRP筋放入树脂中，轻压至树脂沿着FRP表面流淌；③在矩形槽中填满树脂加固示意图见但由于国内开发的FRP筋在性能上和国外FRP筋尚有差距，因此，NSMFRP筋加固混凝土结构研究方面基本空白，有待于开展开拓性的研究复合材料（FRP）加劲混凝土结构可追溯到20世纪50年代伊兹利思教授c曾设计了世界上第IblishingHouse.Allrightsreserved.距Rolla市约13km，建于20世纪30年代，为3跨简支板式钢筋混凝土结构，每跨跨度为7.9m，桥面宽度为7.6m，桥面板厚度为460mm桥面板纵向127变形钢筋，在横向配Y13457该桥准备在1998年退役并予以拆除。

　　根据实测尺寸和加固程序，经计算得桥面板抗弯承载力和抗剪承载力分别为349kN/m和227kN/m，抗弯承载能力无法满足HS-20卡车452kN/m的要求1998年6月，在不中断桥面交通的情况下，对其中1跨采用NSMFRP筋加固，加固用FRP筋表面通过喷砂加糙，直径11mm，设计抗拉强度为1.24GPa，允许应变为Q0105，抗拉弹性模量为119GPa在桥面板纵向布置加固用CFRP筋20根，即设计间距为375mm经加固后现场试验表明，采用NSMFRP筋加固后的桥面板承载能力较未加固桥面板提高27%满足了设计要求22.2-857桥墩加固在进行桥面板加固的同时，采用NSMCFRP筋加固桥墩桥墩截面尺寸为600mm<高分别为1.8~3.4m不等，桥域基础为1.2mK1.2m　　劲加固法是两种具有发展潜力的新方法，值得加以研究