纤维复合材料加固桥梁技术研究

张东荣，李 斌，魏 洋

(1.陕西省西安市第一市政工程公司，西安710054;2.南京林业大学土木工程学院，南京210037)

1 前言

在既有桥梁运行过程中，由于结构耐久性病害导致桥梁承载力不足，或者由于桥梁改造，荷载等级提高，使得桥梁现有承载力需要提高。目前，针对现有桥梁抗弯承载能力的不足，我国桥梁界的广大工程技术人员进行了大量的研究工作，并提出了许多切实可行的加固方法，这些方法包括:加大截面法加固、粘钢加固、体外预应力加固、纤维复合材料加固、改变结构体系加固等。其中，纤维增强复合材料加固混凝土结构技术是一项新型、简捷、高效的混凝土结构加固技术，深受国内外学者的重视并已得到了较为广泛的应用和发展。

2 纤维复合材料加固技术

2.1 纤维复合材料加固技术的原理及研究应用现状

纤维增强复合材料 (简称 FRP，Fiber Reinforced Polymer or Fiber Reinforced Plastic)加固是20世纪80年代在美国、日本等发达国家研究开发的一种新型结构加固技术，上世纪末与本世纪初在我国进行了广泛地研究，目前已大量应用于桥梁结构的加固实践中。FRP的种类很多，按照原材料分可分为碳纤维 (CFRP)、玻璃纤维 (GFRP)、芳纶纤维 (AFRP)、玄武岩纤维 (BFRP)等［1］，其相应力学性能见表1，其中，CFRP以其优异的力学性能在加固工程中得到广大技术人员的青睐，BFRP由于其较好的强度及与CFRP相似的耐久性、松弛性能，在我国近几年也得到了突飞猛进的发展，BFRP应用于桥梁结构的加固规范也在制订之中。

表1 常用纤维复合材料的力学性能Tab.1 The mechanical properties of fiber reinforced composites

典型FRP和钢筋的拉伸力学对比如图1所示，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍，在拉伸过程中表现为线弹性的力学性质，不同于普通钢筋的弹塑性的应力－应变关系，FRP的弹性模量相近或低于钢材，其一直至拉断都表现为线弹性，破坏前没有明显征兆，极限应变远远低于普通钢材，因此，利用FRP加固钢筋混凝土受弯构件，会降低构件的延性。

图1 典型FRP和钢筋的力学对比Fig.1 Comparison on mechanical propertiesbetween FRP and steel

FRP在桥梁加固工程中的应用原理与钢筋混凝土结构的工作原理相似，变结构内部的钢筋为外部粘贴的FRP，FRP加固是将FRP布用专用的树脂类粘结胶粘贴在待加固混凝土结构的表面，如图2所示，使纤维布、树脂胶、钢筋混凝土有机地组合成一个完整结构，在荷载作用下变形协调、共同受力、共同工作，充分发挥FRP的高强度抗拉作用，从而可以有效地提高被加固构件的承载力，包括抗弯承载力、抗剪承载力及抗震能力［2－4］。纤维布成品一般呈成卷包装，幅宽25cm、50cm等不同规格，加固时按需要裁剪;树脂粘结胶一般包括底层胶、找平胶合浸渍胶，为双组份，按预定比例进行混合后硬化，温度越高硬化越快纤维布的粘贴在结构表面处理后进行。

图2 FRP加固桥梁的基本原理Fig.2 Basic principles of FRP reinforced bridge

FRP加固对提高受弯构件的抗弯能力特别有效，抗弯加固时，纤维方向沿着受拉的方向粘贴［4］，已有的试验研究表明，FRP加固对既有梁极限抗弯承载力的提高可以达到60%以上，FRP加固受弯构件抗剪承载力提高同样有效，其作用相当于箍筋，根据粘贴方式的不同，可分为全封闭粘贴、U形粘贴、L形粘贴和侧面粘贴，抗剪加固时，FRP的纤维方向宜与构件轴线垂直，当纤维方向与轴线不垂直时，纤维方向宜垂直于预计的斜裂缝，且FRP片材宜采用全封闭粘贴和U形粘贴;由于FRP的截面积较小，常用的厚度为0.111mm和0.167mm的两种规格，一般粘贴层数在3层以下，其对抗弯加固截面的惯性矩增加很小，因此，FRP加固技术对受弯加固构件的裂缝宽度及挠度的减小不是十分明显。

利用FRP加固技术，对桥墩等竖向构件的约束包裹以提高其抗震能力是十分有效的，FRP沿着桥墩环向粘贴一方面可以提高其抗剪能力，另一方面可以提高其内部混凝土的强度及变形能力，从而可转变桥墩的破坏模式，提高其耗能能力，从而实现桥墩良好的抗震能力［5］。在抗弯加固及抗剪加固中，FRP都难以做成封闭的形式，FRP本身强度很高，但在构件加固后的承载力试验表明，如果没有可靠的构造，难以达到FRP材料的极限破坏，FRP的高强度难以在工程中得到充分发挥，在桥梁加固设计中，除了需要按承载力计算粘贴FRP层数，U型箍、压条或一些必要的机械锚固措施是十分重要的。

我国在FRP材料研究与应用虽然起步晚，但发展迅速，基于已有的研究成果，已经编制了相应的应用规范，如早期的《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 (CECS146－2003)，2006年制定了国家标准《混凝土结构加固设计规范》(GB50367－2006)，其中，纤维复合材料加固方法作为一种主要加固方法制定于规范中，2008年，专门针对桥梁加固，交通部出台了《公路桥梁加固设计规范》(JTGT J22－2008)、《公路桥梁加固施工规范》(JTGT J23－2008)，规范对FRP加固桥梁结构有着详细的计算、构造与施工要求。

2.2 施工工艺及要求

纤维复合材料加固技术的施工工艺流程主要包括:构件表层处理→涂底胶→找平→纤维的粘贴→表面处理。

2.2.1 构件表面处理

对裂缝进行灌缝或封闭处理，彻底清除被加固结构表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀、风化等混凝土劣化层，露出混凝土结构层，尤其是表面的凸出部位要磨平;对较大面积的劣质层，用修复材料修复平整;凡转角粘贴处均进行倒角处理，并打磨成半径不小于20mm的圆弧，如图3所示;用吹风机将将混凝土表面清理干净并保持干燥。

图3 结构倒角要求Fig.3 Requirement of structure rounding

2.2.2 涂底胶

用滚筒、毛刷等工具将打底胶均匀涂于混凝土表面，底胶具有较好的渗透性能，主要是为了提高与原有混凝土的粘结能力，不得漏刷，待表面干燥后，立即进行下一道工序。

用于混凝土表面，具有一定的渗透作用，在混凝土表面形成一个硬化层并有利于找平胶和浸渍胶的粘贴，要求低粘度。

2.2.3 找平

按产品供应商提供的工艺及要求配制找平材料(用环氧腻子)，对凹陷和倒角找平。凹陷找平是对砼表面凹陷部位、模板接头等出现高度差的部位，用找平材料填补，尽量减少高差;倒角找平是用找平材料将转角修补为光滑的圆弧，半径不小于20mm。找平后，构件表面各处不应有楞角和凸出，找平材料固化后方可进行下一道工序。

2.2.4 纤维的粘贴

裁剪纤维布，按待加固构件尺寸要求裁剪纤维布，裁剪时注意搭接长度，按产品供应商提供的工艺要求及比例将浸渍胶甲、乙两组材料充分搅拌后，涂于所要粘贴的部位，粘贴纤维布，用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍胶充分浸透纤维布，滚压时不得损伤纤维布，当多层粘贴时，重复上述步骤，应在纤维表面浸渍胶指触干燥后，立即进行下一层的粘贴。

2.2.5 表面处理

确保纤维布浸渍胶的表面已充分风干后，外涂一层与混凝土一致的纤维复合材料加固专用涂料做面层防护，防止紫外线造成树脂与纤维布老化。

纤维复合材料加固技术在施工时注意以下要求:

(1)严格掌握施工现场的温度和湿度条件，当气温低于5℃、雨天或相对湿度大于95%时，不可强行施工。

(2)按设计尺寸裁剪纤维布，实际粘贴尺寸不应小于设计数值，位置偏差不得大于20mm。

通常所用纤维布为单向材料，必须保证纤维布的粘贴方向与其所需要的受力方向一致。

(3)纤维布与混凝土之间的总有效粘贴面积不得低于95%。纤维布的空鼓面积小于10cm2时，可采用针管注胶的方式进行补救。空鼓面积大于100cm2时，应将空鼓处的纤维布切除，重新搭接贴上同规格的纤维布。

2.3 技术特点及适用范围

纤维复合材料加固技术与加大截面法加固、粘钢加固、体外预应力加固技术相比，具有以下优点:

(1)不增加恒载和断面尺寸。常用纤维布自重200～300g/m2，单层厚度仅 0.111mm、0.167 mm，浸胶后为2mm左右，基本上不增加构件截面，对桥下净空影响小。

(2)形状适应性强。可适用于不同结构形状，成型方便，对弯斜坡结构的加固适应性强，可随结构外形变化任意施工，对箱梁内部空间等狭小位置处，可方便地实现加固。

(3)对原结构不产生新的损伤。不需要锚栓和混凝土开凿，不会损伤原有结构。

(4)纤维布具有良好的耐久性及耐腐蚀性，除了本身具有非常好的耐久性能，其加固后对结构起保护作用，可避免内部钢筋暴露于外部腐蚀环境中，提高结构的寿命。

同时，纤维复合材料加固技术具有一定的缺陷，主要包括:

(1)易发生粘结、剥离破坏。

(2)不适用于低强度混凝土加固，混凝土等级不得低于C15。

(3)由于粘贴纤维所采用的环氧树脂胶不耐高温，因此该技术不适用于长期使用温度过高环境(60℃以上)，加固后结构不防火。

(4)由于纤维材料的物理力学性能，该技术对早期刚度提高不明显，对受损严重构件加固效果不是十分有效。

根据以上纤维复合材料加固技术的特点分析，在桥梁加固工程中，在结构需要抗弯、抗剪、约束及抗震加固中，可考虑应用粘贴纤维加固技术，包括:空心板、简支T梁、连续箱梁、拱桥拱肋的底部抗弯加固;T梁、箱梁的腹板及拱桥拱肋的抗剪加固;拱桥立柱、桥墩、桩基础的约束及抗震加固等［6］。

3 工程应用实例

图4(a)所示为利用FRP对某T型简支梁桥抗弯承载力加固，粘贴FRP提高其跨中抗弯承载力，其加固的实施对桥下净空基本没有影响;图4(b)所示为利用FRP对某桥梁桥墩与盖梁节点进行加固，提高节点处及桥墩上端固结部位的抗剪承载力，纤维布的柔软及厚度薄，在该工程中可体现出充分的优势，盖梁顶部的空隙很小，但仍然可满足FRP加固技术的操作空间;图4(c)所示为利用FRP对某桥梁桥墩中部的抗剪承载力不足及桥墩抗震能力不足的加固，环向粘贴的FRP提供与箍筋相似的抗剪贡献及对内部混凝土的约束作用，能够有效提高桥墩的抗剪承载力及抗震能力，且施工方便，不改变桥墩的外观与尺寸。

图4 纤维复合材料加固技术实例Fig.4 Example on reinforcement technology of fiber reinforced composite

4 结束语

与其它传统的加固方法相比较，纤维复合材料加固技术具有施工便捷、不受构件形状限制、不改变截面尺寸，FRP加固对原结构不产生损伤，优异的耐久性能，不增加自重，不减小净空及具有良好的适应性。研究与应用实践表明，纤维复合材料加固技术可适用于桥梁工程中的抗弯加固、抗剪加固、约束及抗震加固及耐久性加固等不同加固，其优势明显，但其也具有一定的局限性，如在抗弯加固时，对裂缝修复、刚度提高效果不明显，其防火性能差等，在应用时应根据工程现状与传统加固技术进行综合对比选择。

［1］孙衍英，刘伊琳，胡海涛.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究［J］.青岛理工大学学报，2010，31(1):29 －32.

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［3］吴红林，黄 侨，王 彤.纤维复合材料在加固混凝土桥梁中的应用研究［J］.玻璃钢/复合材料，2004(2):39 －41.

［4］任慧韬，胡安妮，赵国藩，等.玻璃纤维－芳纶纤维复合材料加固桥梁试验研究［J］.公路交通科技，2003，20(4):47 －51.

［5］魏 洋，吴 刚，吴智深，等.FRP约束混凝土矩形短柱的延性分析［J］.地震工程与工程振动，2009，29(3):150 －155.

［6］贾 辉，徐永春，唐忠卒.粘钢加固钢筋混凝土柱正截面承载力理论研究［J］.森林工程，2008，24(6):61－63.