FRP 管- 灌浆料在局部受损混凝土柱中的加固应用

殷晓三，程林枫，李克

（1.中原工学院建筑工程学院，郑州451191；2.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，郑州450000）

1 引言

从工程建设发展规律来看，经历一段高速发展阶段后，建筑业必将迎来一段长期维护期。以桥梁维修加固为例，美国在20 世纪90 年代用在维修加固的费用已经超过了新建桥梁。当前，我国的工程建设正处于新区开发与旧城改造相结合的阶段，并向以旧房改造加固为主的阶段迈进【1】。以新建建筑为主题和以加固旧建筑为主题的发展阶段中，均有一部分建筑结构不满足人们的要求，通常的处理方法是拆除重建或修复加固，拆除重建费用高昂，且带来建筑垃圾危害环境，相比之下，修复加固相对周期短、费用低，是一种较好的选择。

桥墩遭到船体的冲击而出现局部损伤，水量控制不严格、坍落度过大或夹杂杂质导致局部强度不足，河流冲击、海水侵蚀、干湿交替作用导致混凝土劣化。局部受损将导致结构整体性下降，埋下安全隐患。结构出现局部损伤时，虽然整体结构还能够维持正常使用，但却埋下了安全性和耐久性方面的隐患。因此，亟待寻求安全可靠、经济合理的适用于局部受损混凝土柱的加固方法。

2 增大截面加固法

增大截面法是通过增加截面尺寸或配筋率来提高混凝土柱承载力和刚度的一种加固方法。在增大截面法中，通常混凝土柱与加固施工模板之间的间隙较小，混凝土难以振捣密实，为此，采用自密实混凝土可以发挥其无须振捣、施工便捷和节省劳动力的优势【2】。为了研究同一强度不同材料的加固效果，何佳【3】采用同等强度的灌浆料和细石混凝土对混凝土进行加固，分析了加固材料的力学性能对加固效果的影响，指出采用灌浆料对混凝土柱进行加固，具有更高的承载力提高效果，而且施工比较便利。新增材料与既有混凝土的组合作用是影响加固效果的重要因素之一，为此，卢亦焱等【4】采用钢管代替后置钢筋，在外套钢管和混凝土柱之间浇筑混凝土，取得了良好的加固效果。在现有混凝土结构加固规范中，未考虑二次应力和新增混凝土和钢筋对混凝土的约束作用，但是，新旧混凝土不能同时达到应力峰值，存在应力滞后的问题。为此，张祝沐【5】采用模型试验、数值模拟和理论分析等方法，对该问题进行了研究，对正截面受压承载力计算公式进行了改进。增大截面法加固后的构件延性、混凝土柱的轴压比、尺寸效应和抗震性能等均是需要进一步研究的课题。增大截面法施工工艺较为简单，使用范围广，但是，现场湿作业工作量大，施工周期较长，侵占结构使用空间，增加结构自重，对生产生活影响大。因此，该加固方法在混凝土柱加固中受到了一定的限制。

3 粘钢加固法

粘钢加固法是将钢板粘贴于混凝土柱表面，以提高其承载力和刚度的一种加固方法。粘钢加固技法发展和应用比较早，在20 世纪90 年代时，已经较为完备，随着技术的不断进步，又涌现出各种新的粘钢方法，如粘钢修型技术、点焊湿包钢技术、粘锚联合技术和湿式外包钢技术等。李鹏等【6】研究了粘钢加固混凝土短柱的受压性能和约束机理，结果表明，二次受力试件承载力小于一次受力试件。胡长青等【7】研究了粘钢加固混凝土短柱的轴压承载力、变形性能和钢板与混凝土共同工作性能，结果表明，构件延性得到显著改善，变形能力显著增强，胶层作用可以使钢板和混凝土协调工作。张贵文等【8】利用ABAQUS 分析了粘钢加固混凝土柱在低周水平荷载作用下的受力性能，结果表明，采用粘钢加固法可以显著地提高混凝土柱的抗震性能。为了减少钢材的使用量，仅仅在混凝土柱的角部粘贴钢板，称为外包角钢加固法。卢亦焱等【9】对外包角钢加固混凝土柱的轴压性能进行了试验研究，结果表明，外包角钢直接参与承受轴向压力，缀板与外包角钢形成的骨架体系可以约束内部混凝土，从而提高了构件的承载力和延性。粘钢加固法应用范围较广，加固效果显著，但用钢量较大，加固维修费用较高。

4 粘贴FRP 加固法

粘贴FRP 法是将FRP 粘贴于混凝土周围，以提高其结构功能的加固方法。FRP 是一种多组成材料，由增强纤维嵌入聚合物基体构成，主要包括玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等。FRP加固法的主要机理是利用FRP 对混凝土柱进行约束，从而提高其承载力和延性。有关粘贴FRP 加固混凝土的研究主要集中在FRP 约束混凝土的短柱承载力、长柱承载力和高强度混凝土柱等。杨俊杰等【10】研究了FRP 管实心混凝土柱的受力性能，结果表明，纤维铺设角度和混凝土强度越大，则柱的承载力越高，但极限应变却有所下降。卢亦焱等【11】研究了FRP 加固混凝土柱钢筋锈蚀电化学特性，结果表明，外粘CFRP 和GFRP 加固混凝土柱中的钢筋半电池电位随着干湿交替次数的增加而呈现出先升高后稳定趋势，CFRP 和GFRP 有效地缓解了钢筋的锈蚀。卢亦焱等【12】则将FRP 与钢管进行组合，提出了FRP-钢管加固混凝土柱的加固方法，在试验研究的基础上，建立了有限元分析模型，研究了钢管壁厚、混凝土强度、FRP 种类、FRP 层数和FRP 弹性模量等因素对加固构件轴压性能的影响。翟科杰等【13】研究了不同种类纤维布约束作用对混凝土方柱力学性能的影响，并进一步完善了FRP 加固混凝土方柱的约束强度模型。作为混凝土柱的抗震加固，粘贴FRP法具有独特的优越性，1997 年我国学者开展了相关研究。FRP加固混凝土柱，可以使短柱的破坏形态由剪切破坏转变为弯曲破坏，而且能够提高构件的延性，增强其耗能性能。FRP 高强高效、质量轻、耐久性和耐腐蚀性好，在加固领域中具有广泛的应用。

5 灌浆料加固法

高性能灌浆料具有早强、高强和收缩徐变小、绿色环保等特点，近年来不断应于混凝土柱加固中。李祖辉等【14】利用水泥基灌浆料加固混凝土柱，研究了水泥基灌浆料和混凝土协同作用的性能，得出了柱内钢筋和水泥基灌浆料的压力-压缩量的关系。将钢管外套于混凝土周围，钢管与混凝土柱之间填充灌浆料，形成一种新的加固方法，不仅能够显著提高构件的承载力、延性和刚度，而且具有经济良好的抗震性能。熊进刚等【15】对采用高性能灌浆料置换加固的混凝土框架柱的受压性能进行了全过程分析，分析了混凝土柱初始应力对灌浆料强度发挥程度的影响，结果表明，对于存在二次应力情况的混凝土柱，高性能灌浆料和混凝土之间存在应变滞后的现象，混凝土柱和高性能灌浆料不能同时达到抗压强度，影响高性能灌浆料强度的发挥。高性能灌浆料加固混凝土的研究主要集中在混凝土短柱的轴压性能，而偏压柱性能的研究相对较少，为此，张可等【16】研究了初始应力和偏心距对高性能灌浆料在加固偏心受压混凝土柱的影响，结果表明，随着加固前初始应力和偏心距的增大，加固效果逐渐减弱。相对于增大截面法、粘钢法和FRP 法等，高性能灌浆料在加固混凝土柱的应用研究还不够完善，例如，长柱受力性能、抗震性能、抗冲击性能和可靠度等方面的研究需要进一步探讨。

6 FRP 管- 灌浆料加固局部受损混凝土柱

6.1 FRP 加固局部受损混凝土柱

针对局部受损混凝土柱的加固，目前国内相关的研究相对较少。魏华【17】针对实际结构工程中出现的混凝土局部强度降低的工程现象，采用碳纤维布对混凝土柱中强度削弱的区域进行了局部加固，通过试验研究了受约束后强度不足区域混凝土的强度及延性提高效果，分析了加固后构件的整体工作性能，探讨了使用局部加固技术的可行性，提出了局部强度不足的混凝土柱在局部包裹碳纤维布加固的情况下，偏心受压的正截面承载力计算公式。郭夏【18】对碳纤维布加固含有薄弱段的钢筋混凝土轴压柱及偏压柱的受力和变形性能进行了试验研究，主要考虑了碳纤维布的粘贴形式、用量及偏心距加固效果的影响。李健康等【19】采用有限元法对CFRP 约束局部强度不足桥墩的轴心受压性能进行了分析，研究了加固效果和CFRP 约束状态下桥墩的受力机理，结果表明，采用CFRP加固局部受损混凝土桥墩，构件承载力和延性得到提高，随着CFRP 层数的增加，核心混凝土的侧向约束应力明显增大。

这些加固方法均是基于粘贴FRP 法，但FRP 弹性模量小、层间剪切强度低，而且对构件承载力的提高幅度有一定的限制。为此，在增大截面法、粘钢法、粘FRP 法的基础上，利用高强度灌浆料的优点，提出了FRP 管-灌浆料加固局部受损钢筋混凝土柱的加固方法。

6.2 FRP 管- 灌浆料加固局部受损混凝土柱施工工艺

FRP 管-灌浆料加固局部受损混凝土柱的主要特点是，对钢筋混凝土柱进行卸载，将钢筋混凝土柱局部受损部位及外围部分凿除，锈蚀的钢筋则进行除锈工作，清除碎石、浮浆、灰尘等杂物，将预制成型的FRP 壳环裹于被凿除的既有钢筋混凝土柱，形成圆形管状，保证FRP 壳与既有钢筋混凝土柱同轴，然后将FRP 浸渍环氧胶液，搭接FRP 壳，使之成为类似于焊接钢管的FRP 管。在FRR 管和既有钢筋混凝土柱之间的空隙浇筑早强型无机灌浆料，从而形成整体性能良好的组合柱。

6.3 FRP 管- 灌浆料加固局部受损混凝土柱加固机理

主要加固原理是：将原有受损部分换为强度更高的灌浆料，灌浆料和外套FRP 管有着良好的黏结，通过植筋与核心混凝土有机地结合起来，使组合结构的整体性得到大大增强。外套FRP 管对核心区域有着良好的约束，使其处于三向压应力状态，轴向抗压强度得到显著提高，从而提高了整个混凝土柱的承载力，增强了整个混凝土柱的延性。早强型灌浆料有着较好的性能，凝结时间短，抗压强度高，膨胀率低，灌浆料硬化后无收缩，流动性和自密实性能良好，与钢筋黏结强度高，对钢筋有很好的保护作用。FRP 管有着较强的约束能力，使得加固截面在相对增加不大的情况下达到加固目的，几乎不侵占使用空间，附加自重对整个结构影响不大；外套FRP 管自重轻质，又可以用作灌浆料模板，简化施工工序，方便快捷，大大降低了工程费用

6.4 FRP 管- 灌浆料加固局部受损混凝土柱的研究意义

FRP 管-灌浆料加固局部受损混凝土柱，这种新的加固方法利用了FRP 的新材料、FRP 成管新技术和FRP 约束性混凝土新结构3 方面的特点，既能在解决旧问题时表现出明显的长处，又能在处理新问题中发挥优势。这种新的加固技术在工程应用上具有施工工艺简单、作业量少、加固费用低和施工周期短等优点，因此，对其进行系统的研究，既推动了该加固技术在工程中的应用，又扩大了加固方法的阵容；既丰富了FRP约束混凝土的理论，又促进了加固局部受损构件技术的发展；既能使早强微膨胀水泥基灌浆料在结构加固中的应用价值得到体现，又能使FRP 约束机理得到更深层次的揭示。

7 结语

随着国民经济的发展，建筑业迎来了发展高峰期，加固改造的研究也迎来发展机遇。针对不同的结构提出不同的加固方法，不同的加固方法有各自的优缺点，适用于不同的条件。新技术、新理论和新结构类型为加固方法的创新提供了思路，为此，基于FRP 和灌浆料的优点，提出了FRP 管-灌浆料加固局部受损混凝土柱的加固方法。这种加固方法针对局部受损结构，具有独特优点，相对于加固整个构件而言，具有造价低廉的优势，相对其他加固方法具有施工便利、工作量少的优点。