混凝土结构FRP嵌入式加固技术

王 勃，李 凌，周柏成，宋雨非

(1.吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118； 2.吉林省结构与抗震科技创新中心,长春 130118)

0 引言

混凝土构件由于所处环境、荷载等条件发生变化等原因，使得大量土木工程结构需要维修加固，结构加固技术成为土木工程界的研究热点，其中混凝土结构FRP嵌入式加固是近几年刚刚出现的一种新型加固技术。与混凝土外贴FRP加固技术相比较，嵌入式加固技术(Near Surface Mounted Reinforcement,简称NSM)有如下优势：1)只是在保护层内开槽，处理结构表面工作量小，施工作业时间短；2)增大加固材料与混凝土的接触面积，能有效地减小黏结破坏，提升了FRP的使用率；3)便于与相邻构件锚固，易于施加预应力；4)适合结构负弯矩区加固；5)FRP材料受混凝土保护层直接保护，不直接暴露在外界环境下，可以有效地避免FRP材料遭到外界的磨损、碰撞和高温等不利影响；6)可应用于较难施工的高温和高湿的结构加固项目中[1-3]。

1 FRP嵌入式加固材料

嵌入式加固技术主要采用的材料是FRP材料和粘结材料。

1.1 FRP材料

嵌入式加固的FRP材料包括玻璃纤维增强复合材料(简称GFRP)、碳纤维增强复合材料(简称CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(简称AFRP)和玄武岩纤维增强复合材料(简称BFRP)。FRP表面形状可分为FRP板材和FRP筋，其中FRP筋因其外表面有差异,主要可分成变形筋和光圆筋两大类。

FRP板材是指将纤维、树脂根据一定的比例，经过高温固化挤压形成的，主要分为FRP板条和板。宽度较小的称作板条，宽度较大的称作板。FRP板材能够广泛地应用到梁的抗剪、抗弯加固工程中，在抗剪加固中能够用“L”形条带。筋按其外形构造可分成表面黏砂筋、缠绕黏砂筋和带肋筋3种[4]。

1.1.1 物理性能

FRP的密度较小,是钢筋的1/6～1/4，低密度可以降低质量，方便运输，在施工现场也容易进行安装。纤维及树脂的种类和纤维的含量是影响FRP的线膨胀系数的因素。

1.1.2 基本力学性能

1)抗压强度。各项试验研究结果表明，纤维微屈曲及剪切破坏和横向受拉破坏是FRP的主要受压破坏模式。纤维含量及种类和树脂种类是影响受压的破坏模式的主要因素。

2)黏结性能。FRP用于构件的维修加固，主要是利用FRP的黏结性能来增强结构的承载力，进而提高构件的使用功能。材料的性能、表面形式、FRP的形式及几何尺寸是影响其黏结性能的主要因素。

混凝土与FRP的黏结机理主要有以下3个方面：①化学黏结力指的是混凝土与筋的表面黏结力；②摩擦力，即FRP筋与混凝土产生相对滑移时，在接触面上产生的摩擦力；③机械咬合力，即FRP筋表面凹凸不平与混凝土发生的机械咬合作用所产生的力[5-6]。

3)耐久性能。通过室内加速试验对FRP的耐久性能进行研究。研究表明，CFRP具有较好的耐久性；GFRP则表现出较差的耐碱能力，却能表现出较好的冻融循环能力及耐酸能力；AFRP表现出较差的紫外线辐射、耐酸性能及疲劳性能。

1.2 黏结材料

FRP嵌入式加固的黏结材料，一般采用环氧树脂，在混凝土保护层范围内开槽，灌入树脂，使之与FRP材料有效黏结，并通过环氧树脂来传递剪切应力，这是FRP筋或板条受力的基本途径[7]。

2 FRP嵌入式加固混凝土结构研究现状

从20世纪80年代起国内外学者开始研究FRP嵌入式加固混凝土结构。Nanni[8]于1995年在美国波士顿市用嵌入式加固法加固了6个混凝土筒仓，采用CFRP磨砂筋，直径均为8 mm，用环氧树脂来进行黏结，加固后筒仓的抗弯能力大大提高。

Hogue等[9]在1997年—1998年对美国俄克拉何马市的一栋建筑物进行了加固，对一根混凝土梁采用CFRP筋嵌入式加固，加固后建筑物正常使用。

Alkhrdaji等[10]于1998年在美国宾西法尼亚洲对服役的三跨T-857桥进行了加固，采用嵌入式加固技术对其中的3块混凝土板进行了加固，CFRP筋直径为11 mm，加固后桥板的极限承载力提高了27%。

Nordin[11]在1999年用嵌入式加固法加固了一座桥梁，CFRP板条截面尺寸为35 mm×5 mm，混凝土开槽尺寸为40 mm×8 mm，加固效果较好。

Bianco等[12]进行了CFRP筋嵌入式抗弯加固可行性实验研究，对20世纪60年代的加拿大马尼托巴省的Tourond河大桥进行了嵌入式加固，加固后大桥的结构承载力提高了15%。

我国对FRP嵌入式加固的研究较国外起步稍晚。2004年，李荣等[13]进行了FRP嵌入式加固界面黏结性能试验和抗弯加固试验，得出了嵌入式加固与混凝土间的黏结性能受槽内填充料种类及性能、槽尺寸、槽间距等多种因素影响的结论,得到了黏结剪切应力—滑移曲线。试验证明当采用加固量相同的CFRP板条时，FRP嵌入式加固法比FRP外贴法的效果好，具有广阔的发展前景。

浙江大学姚谏等[14]对FRP嵌入式加固混凝土黏结滑移机理进行实验研究，采用整体梁剪切试验方法，对13根FRP嵌入式加固梁的黏结机理进行了研究。分析了不同槽尺寸、嵌贴长度、加载方式等因素对黏结破坏模式、破坏机理等的影响，提出了CFRP板—混凝土黏滑关系公式和黏结承载力计算公式。

北京巨龙公司某8层框架结构，在第1层和第2层增加了较大的设备荷载，使得梁板等构件承载力不足。采用CFRP嵌入法加固后，梁板承载力得到了明显的提高，满足设计要求。山东省淄博市淄博造纸厂厂房2层更换设备，致使楼面荷载大幅度增加，原有梁的承载力不足，需要对其进行加固补强，对梁进行了CFRP嵌入式加固，加固后的混凝土梁承载力和变形能力大幅度增加[15]。

3 嵌入式加固施工方法

在实际工程中嵌入式加固法的施工比较简洁，并且不用大型机械、大量劳动力及较大空间，甚至可以在不影响正常使用的情况下来进行施工。

混凝土嵌入式结构加固技术是按设计要求的尺寸在混凝土表面进行开槽，清理槽中的混凝土，在槽内先灌入约一半的黏结材料，将FRP材料放入槽中并轻压，使FRP板条与黏结材料相互黏结，然后在槽内灌满黏结材料，将其表面作一定整理，最后待黏结材料固化后，再做表面处理。

1)按要求尺寸进行开槽。在工程中进行开槽时，尽可能减少对原结构的损害，并在合适的位置按设计规范进行开槽。开槽深度一般根据混凝土保护层厚度及材料尺寸决定，通常要求稍大于加固材料尺寸。

2)清除槽中的混凝土残渣。如不仔细清理开槽后留下的混凝土残渣颗粒及浮尘，则会影响FRP筋与原结构的黏结效果，故应用空压机或其他除尘设备仔细清理。

3)选择黏结材料。通常选用利于施工且具有高触变性的环氧树脂做为黏结材料。因为在实际工程中，会遇到仰视的工作情况，若碰到流动性较强的环氧树脂，一是不易灌入槽中，二是环氧树脂易滴落，这易对施工工人造成伤害。且构件表面必须干燥，否则其黏结性能容易受到水分影响。

4)防止气泡。在将FRP筋置入槽中时，应进行挤压，使其与环氧树脂进行充分接触，有利于提高加固的黏结性能。并且，灌入槽中的环氧树脂不宜过多，以1/2的槽深为宜。

5)表面处理。若当FRP材料嵌入后，环氧树脂溢出槽外，应用刮刀等工具将溢出的树脂抹去[16-17]。

4 FRP嵌入式加固技术特点

同其他加固方式相比，FRP嵌入式加固技术有如下特点：

1)嵌入式加固法受加固结构的混凝土等级影响相对较小。由于混凝土加固规范中要求当构件强度过低时，不能确保混凝土与FRP筋的有效黏结。故嵌入式加固技术中的受力筋大多埋于混凝土表层内部，通过环氧树脂能够很好地与混凝土黏结，故其黏结锚固效果可以得到保证。

2)新嵌入的FRP筋与原有钢筋的协同工作性能较好。外表面黏钢法中的钢板形心与原构件的受力筋形心距较大，在新增荷载后，二者的受力先后发生改变。嵌入式加固法的FRP筋与原构件受力筋的间距较小，二者能够更好地协同工作。

3)嵌入式加固法施工简单快捷，预处理工作量小，安装时间较短。外表面黏钢法在施工时，对表层混凝土的平整度、厚度要求较高，故施工费时费力。而嵌入式加固法仅要求每隔150～300 mm凿出浅槽，对构件表面没有任何要求，能将工程量大大减小[18]。

5 结语

对FRP嵌入式加固混凝土结构的研究一直是土木工程领域研究的热点，本文通过对上述的研究介绍得出以下的结论:1)嵌入式加固法能够显著提高被加固结构的整体刚度。2)FRP筋位于混凝土构件的内部，通过环氧树脂与原结构的黏结，能发挥FRP筋高强度的特点。3)嵌入式加固法在提高结构承受负弯矩区域的承载力时，比其他方法更有优势。

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