探討混凝土橋梁粘貼加固技術(shù)的應(yīng)用
2015-06-01
提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的常用方法有：增大構(gòu)件截面,表面粘貼加固,施加體外預(yù)應(yīng)力,增設(shè)受力構(gòu)件及改變結(jié)構(gòu)體系等,其中前3種方法在工程實踐中最為常見。施加體外預(yù)應(yīng)力法是一種可靠的加固方法,能夠較大幅度地提高橋梁承載能力及剛度,但施工工藝要求高、施工難度大；增大構(gòu)件截面法在小跨徑梁板橋、拱橋及少量構(gòu)件補強等的應(yīng)用中也可以獲得良好的加固效果；大多數(shù)情況下,采用表面粘貼加固的方法能夠滿足橋梁加固的要求,與上述方法相比,具有施工簡便快速、不增加(或很少增加)結(jié)構(gòu)自重以及適用范圍大、對環(huán)境干擾少等優(yōu)點。
粘貼加固方法即采用化學(xué)粘結(jié)劑將補強材料直接粘貼在混凝土構(gòu)件表面,使之與構(gòu)件形成受力整體,以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。近十幾年來,粘貼加固技術(shù)在國際上的研究與應(yīng)用發(fā)展迅速,從傳統(tǒng)的粘貼鋼板的應(yīng)用研究正朝著粘貼纖維增強復(fù)合材料(FRP)的研究應(yīng)用方向快速發(fā)展,我國在這一領(lǐng)域的研究與應(yīng)用也已積累了大量的經(jīng)驗與成果。
1 粘貼鋼板加固技術(shù)
粘鋼加固技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代末70年代初,法國、南非等國家首先采用該技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補強,隨后瑞士、日本、英國等國家相繼采用,其中日本在1975年應(yīng)用此項技術(shù)先后對200多座橋梁進(jìn)行了加固,以提高結(jié)構(gòu)承受重型交通荷載的能力,取得了較好的效果。實踐證明,采用粘貼鋼板補強的方法能有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪及抗開裂性能。而正是由于該加固技術(shù)不改變結(jié)構(gòu)外形等特點,在許多情況下替代了增大截面加固技術(shù),成為20世紀(jì)80年代的一種先進(jìn)加固方法,為設(shè)計人員所普遍采用。我國20世紀(jì)90年代初的中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS 25∶90)及交通部頒布的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTJ073-96)都將此項技術(shù)列入推廣。在這一領(lǐng)域,我國于20世紀(jì)80年代初就開始研制自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)粘貼用膠,加固材料的國產(chǎn)化大大降低了加固成本,有力地促進(jìn)了粘貼鋼板技術(shù)的發(fā)展。到目前為止,粘貼鋼板加固法仍是混凝土橋梁加固的首選方法。
隨著對此項技術(shù)研究應(yīng)用的不斷深入,該方法的一些不足逐漸暴露了出來。首先,鋼板因遭受污染大氣侵蝕等原因造成各種化學(xué)腐蝕而影響其加固效果,這使得后期的養(yǎng)護(hù)維修問題變得異常突出；再就是研究發(fā)現(xiàn),粘貼鋼板結(jié)構(gòu)在承受長期動載下的抗疲勞性能不甚理想,這是由于鋼板剛度較大,施工時的誤差等原因使得結(jié)構(gòu)使用中容易在粘結(jié)面上發(fā)生剝離脫空,特別是鋼板端部更易發(fā)生剝離破壞,加固設(shè)計時一般需附加螺栓加以輔助錨固,這從一定程度上增加了施工難度并對原結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷。
2 粘貼FRP加固技術(shù)的研究應(yīng)用
纖維增強復(fù)合材料是以連續(xù)纖維浸漬在用于粘合纖維的聚合物中硬化后形成的。目前結(jié)構(gòu)工程中常用的FRP材料主要是樹脂基體的玻璃纖維(GFRP)、碳纖維(CFRP)和芳綸纖維(AFRP)等3種；FRP產(chǎn)品在外形上大概分為筋、片材、管材、型材等幾種。各種FRP材料的力學(xué)性能參數(shù)變化范圍很大,但都具有一些共同性質(zhì)：高的強度重量比和剛度重量比率、拉斷前為彈性、熱膨脹系數(shù)低、各向異性、輕質(zhì)、耐腐、無磁、良好的抗疲勞性及高的耐久性等。由于這些性質(zhì)以及其產(chǎn)品應(yīng)用于工程中可設(shè)計性強、施工簡便及使用維護(hù)成本低等特點,使得FRP現(xiàn)在已成為國內(nèi)外土木工程界中研究和應(yīng)用的熱點。FRP產(chǎn)品在土木工程中的應(yīng)用可以分為2類：(1)用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固；(2)直接用于增強新建結(jié)構(gòu)。它們在工程中成功應(yīng)用的基礎(chǔ)是新的復(fù)合結(jié)構(gòu)的概念和體系,并與傳統(tǒng)材料如鋼、混凝土結(jié)合起來,充分發(fā)揮了各自材料的優(yōu)點。
2.1FRP加固技術(shù)發(fā)展簡介
碳纖維作為一種高科技材料,最早主要應(yīng)用于航空、軍事等領(lǐng)域,以后逐漸發(fā)展到船舶、汽車及體育用品等領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代后期開始,歐洲一些國家以及美國、日本、加拿大等國一直在開展FRP加固結(jié)構(gòu)技術(shù)研究工作并進(jìn)行了大量的工程實例應(yīng)用,各國的混凝土研究或管理機構(gòu)相應(yīng)制定了有關(guān)FRP加固結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工等方面的規(guī)范、規(guī)程、指南等。CFRP以其優(yōu)異的物理力學(xué)性能而在FRP材料中備受推崇,并日益得到更廣泛的應(yīng)用。
我國在這一領(lǐng)域自20世紀(jì)90年代中期起步,業(yè)已取得了大量研究成果,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在編制中,其中《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》已于2001年完成報批稿,《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》和《片材加固修復(fù)結(jié)構(gòu)用粘結(jié)樹脂》兩項產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已完成征求意見稿,《高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及《公路混凝土橋梁的加固技術(shù)規(guī)程(討論稿)》也正在編制中。目前,FRP產(chǎn)品在我國的應(yīng)用大多在工業(yè)與民用建筑物結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)中,這與其他國家不同。例如在日本,1987年~2000年共計應(yīng)用CFRP600余萬m2,其中41%的數(shù)量應(yīng)用于橋梁的加固補強,其他國家應(yīng)用FRP加固補強橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)量也很大。我國近幾年在FRP加固補強橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究應(yīng)用正在加快發(fā)展步伐。
2.2 粘貼CFRP加固橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)
目前,我國在橋梁加固方面主要是研究應(yīng)用粘貼CFRP片材(碳布)加固技術(shù)。碳布根據(jù)纖維方向分為單向布和雙向布2種,其中以應(yīng)用單向布為主,其拉伸強度是等截面普通鋼材的10倍或更高,彈性模量在(2.4~6.4)×105MPa,是一種較理想的混凝土結(jié)構(gòu)加固補強材料。試驗證明,碳布粘貼加固橋梁構(gòu)件能大幅度提高梁板的抗彎、抗剪性能以及混凝土柱的抗壓、剪、彎能力,并能顯著提高橋梁構(gòu)件剛度及延性(如抑制開裂、降低撓度等)。
與傳統(tǒng)的粘鋼加固技術(shù)相比,粘貼CFRP布加固技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：高強高效,可設(shè)計性強,適用范圍廣；基本不改變原結(jié)構(gòu)外觀,不會對原結(jié)構(gòu)造成損害；運輸、儲存、施工更方便、快捷,更易保證施工質(zhì)量而且后期維護(hù)費用低；其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在耐候性、耐腐蝕性以及抗疲勞性能等方面的優(yōu)良品質(zhì)更是粘貼鋼板所無法比擬的,并且實驗表明其對結(jié)構(gòu)有著良好的隔離氯化物離子的效果。
2.3FRP加固技術(shù)應(yīng)用需注意的問題
(1)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料不同,FRP材料通常表現(xiàn)為各向異性,例如上面提到的單向碳纖維布,它只在沿纖維方向上的強度和彈性模量較高,而在垂直纖維方向則很低,這是在加固設(shè)計時要充分考慮的問題。另外,部分FRP產(chǎn)品,如玻璃纖維等的彈性模量較低也是其作為結(jié)構(gòu)材料的劣勢,設(shè)計中要充分考慮。
(2)FRP材料的物理力學(xué)性能還有一個特點,就是其抗剪強度僅為其抗拉強度的5%~20%,這使得材料的連接成為突出的問題,設(shè)計中要充分考慮合理的連接方式、連接尺寸、連接位置以及盡量減少連接等。
(3)FRP產(chǎn)品的質(zhì)量及其配套用粘結(jié)材料的可靠性是保證FRP粘貼加固技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。首先,FRP材料編制生產(chǎn)的勻質(zhì)性、材料拉伸強度等技術(shù)指標(biāo)的離散性等,都對結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)有很大影響(設(shè)計時要考慮指標(biāo)折減)；其次是配套用各種樹脂材料的粘結(jié)相容性等性能指標(biāo)更是保證可靠粘結(jié)的關(guān)鍵,因為在FRP材料設(shè)計用量充足的條件下,粘結(jié)部位的剪切破壞是制約FRP材料性能充分發(fā)揮的最大因素,而且,FRP材料對環(huán)境變化的敏感程度遠(yuǎn)比FRP材料與混凝土之間的粘結(jié)面低,解決FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的關(guān)鍵就是解決粘結(jié)面的耐久性問題。一些關(guān)于FRP-混凝土界面粘結(jié)剝離破壞形式下的耐久性能測試表明,使用不同的粘結(jié)材料,結(jié)構(gòu)抗彎性能下降的幅度不同,分別在3%~33%之間。
(4)大量研究表明,雖然FRP材料本身的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料,但初始缺陷和工作環(huán)境對FRP材料抗疲勞性能的影響非常顯著。在這一方面,除首先保證施工質(zhì)量外,有一些問題還待進(jìn)一步研究。
(5)施工控制和加固質(zhì)量檢驗是粘貼加固工程中要認(rèn)真對待的問題。例如施工時環(huán)境溫度、濕度、通風(fēng)條件等的控制,結(jié)構(gòu)表面處理、粘結(jié)位置、粘結(jié)劑有效使用期和涂層厚度等的控制,養(yǎng)護(hù)方法及時間要求,以及現(xiàn)場正拉粘結(jié)強度試驗等。因此要求盡量選擇有經(jīng)驗的專業(yè)施工隊伍并嚴(yán)格按設(shè)計要求施工并進(jìn)行檢測驗收。
(6)與混凝土相比,一般FRP材料的防火性能較差,而且部分樹脂材料在持續(xù)高溫情況下會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,并導(dǎo)致材料力學(xué)性能的降低。這一問題也應(yīng)引起注意并加以深入研究。當(dāng)然,橋梁結(jié)構(gòu)對這一方面的要求相比建筑結(jié)構(gòu)較少。
結(jié)束語；
隨著交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展和保障公路橋梁安全運營的實際需求,公路橋梁養(yǎng)護(hù)的管理工作包括橋梁養(yǎng)護(hù)方面的科研工作將成為今后交通部門的重點工作之一。相信隨著科技的發(fā)展,科研工作的不斷深入,以及廣大科研、生產(chǎn)、設(shè)計、施工、管理人員等的共同努力,新材料、新技術(shù)的應(yīng)用將會在今后的橋梁加固改造工作中發(fā)揮日益重大的作用。
