FRP環向纏繞加固橋墩技術實踐應用研究

張 澄

（江蘇現代路橋有限責任公司，江蘇 南京 210049）

0 引言

隨著我國橋梁建設的開展，橋墩作為橋梁最重要的豎向受力構件，常常由于環境腐蝕、船舶撞擊、地震等原因，面臨加固的迫切需求[1-4]。憑借其可以提高混凝土的強度和變形能力的卓越性能，約束混凝土在如今追求輕質、高強的工程建設中應用十分廣泛。纖維增強復合材料（FRP）環向纏繞加固橋墩技術適用于建筑工程柱、橋梁橋墩等豎向構件因設計施工缺陷、材料老化、荷載等級提高等原因導致耐久性缺陷、承載力不足、抗震能力不足以及地震災害后結構損傷的修復。該技術將FRP沿環向纏繞在待加固混凝土結構的外側，通過對內部混凝土提供的約束作用，顯著提高結構的使用性能，具有傳統加固技術諸多無法比擬的優勢[5-9]：（1）提高結構耐腐蝕、抗凍融性能；（2）恢復、提高結構承載力（彎、剪、壓）；（3）恢復、增強結構延性、耗能等抗震能力；（4）阻止縱筋搭接滑移破壞。本文結合某橋梁橋墩的加固修復，對比不同的加固方案，論證了FRP環向纏繞加固橋墩技術的先進性與有效性。FRP環向纏繞加固橋墩技術，以高強輕質的FRP布作為增強材料，以環氧樹脂為黏結材料，實現對橋墩的快速加固修復。

1 工程背景

某簡支梁橋位于江蘇省鹽城市，跨越運棉河。橋梁中心樁號為K2＋178.640，跨徑組合為5×20 m。上部結構采用先張法預應力混凝土空心板梁，板梁高度為0.9 m，中板寬0.99 m，邊板寬1.245 m；下部結構采用樁柱式墩臺，鉆孔灌注樁基礎，橋臺樁徑為1.2 m，橋墩樁徑為1.5 m；橋面寬度為0.5 m（墻式護欄）+凈-7.5 m+0.5 m（墻式護欄）=8.5 m，橋面采用2%橫坡，斜交角度為10°；航道等級為7級，通航凈寬18 m×3.5 m，最高通航水位1.639 m。圖1為某簡支梁橋墩立面圖，圖2為橋墩現場照片。

圖1 某簡支梁橋墩立面圖

圖2 橋墩現場照片

（1）根據現場回彈試驗測得，橋梁墩柱強度實測值較設計強度相差較大。各墩柱實際強度推算值見表1。

表1 混凝土回彈強度匯總表

（2）該橋附近有水泥廠一個，重車行駛較多，對橋梁承載能力要求較高。

（3）部分橋墩和系梁由于施工和沖刷的因素造成有露筋，對于這種現象，應及時采取修補措施，以策安全。

（4）伸縮縫凹槽填入碎石等硬物，使得伸縮縫不能自由伸縮。

根據檢測情況，從檢測報告來看，部分橋墩的強度達不到設計要求，尤其1-1號、1-2號墩、4-1號及4-2號墩，由于碳化深度較大（普遍超過6 mm），混凝土強度推定值偏小。部分橋墩和系梁存在露筋現象，如果不及時進行加固及補強處理，必將影響結構的安全性和耐久性。

2 FRP環向纏繞加固橋墩設計

2.1 設計方案與原則

根據該橋梁樁基礎所存在的病害情況，分析病害對結構耐久性、安全性的危害，并結合具體的工程特點，按以下原則考慮加固設計方案：

（1）對橋墩承載力補強加固。對露筋進行除銹、防銹處理，并采取有效的保護措施，避免病害進一步加深。

（2）加固設計方案應與施工方法緊密結合。

（3）加固后的橋梁，其結構的安全性、耐久性應能得到提高。

根據該工程基本資料及現場檢測分析，該橋主要病害為橋墩承載能力不足。針對該結構病害，結合現場水文情況，橋墩全部位于水位線以上。擬采用碳纖維復合材料（CFRP）環向纏繞加固、修復墩柱技術進行加固處治。

2.2 加固設計要點

粘貼碳纖維復合材料（CFRP）修復、加固墩柱技術所采用的CFRP材料具有輕質高強、耐久性好的特點；該技術施工工藝簡單，無需大型機械；工期短、成本低；施工期間不影響通航和交通；不影響結構外觀；不增加結構自重。CFRP修復、加固墩柱技術適用于工民建結構柱及橋梁的橋墩等混凝土豎向結構由于設計施工缺陷、材料老化、荷載等級提高等原因導致的耐久性缺陷、承載力不足、抗震能力不足以及地震災害后結構損傷的修復。

采用該技術，將碳纖維布環向纏繞在待加固橋梁墩柱的外側，通過其對內部墩柱混凝土施加的約束作用，從而顯著提高原墩柱結構的承載能力、耐久性能及抗震性能，具有傳統加固技術諸多無法比擬的優勢。

2.3 設計計算方法

根據該橋設計圖紙及現場檢測結果，通過CFRP約束加固后，要求加固后混凝土強度提高至30 MPa以上。該項目擬采用的CFRP材料名義厚度為0.167 mm，極限抗拉強度為3 400 MPa，彈性模量為250 GPa。

我國《公路橋梁加固設計規范》（JTG J22—2008）[10]規定，環向圍束加固的軸心受壓構件，承載能力應符合下列規定：

式中：fcd為原構件混凝土抗壓強度設計值，可根據現場檢測強度推算；fcc為FRP約束加固后混凝土強度；ρf為FRP環向圍束體積比；Ef為FRP彈性模量；βc為混凝土強度系數，本項目取1.0；Acor為原構件截面有效面積；kc為環向圍束的有效約束系數，本項目 kc=0.95；σ1為 FRP 有效約束應力；εfe纖維復合材料的有效拉應變設計值，取0.003 5。

將加固前、后混凝土抗壓強度代入式（1）、（2），計算得各墩柱CFRP加固量（見表2）。

表2 FRP加固層數匯總表

該橋加固的核心問題除提高墩柱混凝土強度，提高其承載能力，另外一個重要問題是改善墩柱的使用及耐久性能，減少混凝土碳化進程，保護墩柱鋼筋。因此，建議對該橋梁各墩柱粘貼1～3層碳纖維，對1-1號墩柱、1-2號墩柱、4-1號墩柱及4-2號墩柱適當增加。

綜合考慮，最終方案如下：對2-1號墩柱、2-2號墩柱、3-1號墩柱、3-2號墩柱粘貼1層碳纖維，對1-1號墩柱、1-2號墩柱、4-1號墩柱及4-2號墩柱粘貼3層碳纖維。圖3給出該橋梁部分橋墩加固方案示意圖。

圖3 橋墩加固方案示意圖

3 FRP環向纏繞加固橋墩技術施工工藝

粘貼CFRP布加固墩柱是采用環氧樹脂作為黏結劑，將碳纖維布環向纏繞并粘貼在待加固橋梁墩柱表面，黏結劑作為它們之間的連接媒介，共同形成新的復合體。使碳纖維布與原橋梁墩柱一起參與受力，以提高舊橋的承載能力。

粘貼碳纖維（CFRP）布加固墩柱技術施工工藝流程如圖4所示，包括施工準備、混凝土表面處理、配制并涂刷浸漬樹脂、環向粘貼碳纖維布、噴涂保護層等。

圖4 工藝流程圖

3.1 施工準備

在進行橋墩加固之前，應充分了解待加固橋梁墩柱的病害情況，正確掌握相關的施工工藝流程及施工注意事項，施工中所采用的材料及施工過程中的質量控制須符合設計要求。

3.2 混凝土表面處理

粘貼碳纖維布之前應先對原墩柱混凝土表面進行必要的處理，并在處理后的混凝土表面涂刷能夠滲透到混凝土內的底層涂料，填平混凝土表面凹陷部位，從而達到表面平整，使碳纖維布與墩柱混凝土表面粘貼緊密，避免粘貼后起鼓。

混凝土表面的處理應滿足以下要求：

（1）清除原墩柱混凝土表面的破損、劣化部分，露出結構堅實部位。

（2）對于存在銹蝕的外露鋼筋應進行除銹處理。

（3）對經過剔鑿、清理露筋的混凝土殘缺部分，應進行修補、復原。

（4）修補處理原墩柱混凝土表面的裂縫。對于縫寬小于0.20 mm的裂縫，采用環氧樹脂進行表面涂抹密閉；縫寬大于0.20 mm的裂縫用環氧樹脂灌縫處理。

（5）對混凝土表面凸出及棱角部分進行打磨、削平，并及時清洗打磨過的混凝土表面。

（6）底層涂料應涂刷均勻，不得漏涂，涂料施工應結合氣溫條件，嚴禁添加溶劑稀釋。溫底低于5℃，相對濕度大于85%，混凝土表面含水率在8%以上，有結露可能時，無有效措施不得進行涂料施工。

3.3 配制并涂刷浸漬樹脂

待原墩柱混凝土表面處理完畢且充分干燥后，用滾筒刷在碳纖維布表面均勻地涂刷浸漬環氧樹脂。配置使用的環氧樹脂應滿足以下要求：

（1）施工過程中使用的環氧樹脂要有足夠的黏結性能。

（2）環氧樹脂膠結料的種類、型號，應根據施工時的溫度、濕度等條件進行選擇。

（3）正確掌握主劑和固化劑的配比，使滲透性、黏稠度、固結速度等方面能滿足不同季節施工的需要。

（4）樹脂的主劑和固化劑應按規定的比例準確稱量，裝入容器用攪拌器攪拌均勻，一次調和量應在可使用時間內用完。

3.4 環向粘貼碳纖維布

待環氧樹脂涂刷完畢，沿著處理過的橋墩表面環向粘貼碳纖維布，對于碳纖維布的粘貼應滿足下列要求：

（1）碳纖維布的抗拉強度、彈性模量等性能指標必須符合設計規定和產品標準。

（2）粘貼碳纖維布時，纖維布需按規定裁剪，而且應滿足氣溫、空氣濕度、構件表面含水率等要求，粘貼前應確認粘貼表面充分干燥。當氣溫在5℃以下，相對濕度大于85%時，如無有效措施不可進行碳纖維布的粘貼施工。

（3）多層纖維布采用連續粘貼的方式，而且必須嚴格掌握粘貼的位置與搭接長度，纖維順長方向接頭搭接長度應大于10cm，搭接部位應多涂樹脂，并注意進行脫泡、浸滲操作，在纖維寬度方向不需要搭接。

（4）粘貼時，碳纖維布和樹脂之間盡量不要有空氣，可用專用工具沿著纖維方向在纖維布上多次滾壓，使樹脂滲浸進纖維中。對于直徑在10 mm以上30 mm以下的空鼓，每平方米少于10個方可認為合格；若每平方米空鼓大于10個，則認為不合格，需進行補修處理；對于直徑大于30 mm的空鼓，一旦出現，即認為不合格，需要進行補修處理。

（5）施工30 min后，用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環氧樹脂，自然風干。

3.5 噴涂保護層

確保碳纖維布表面樹脂已充分風干結合并初期固化后，在其表面噴涂5 mm厚的保護層，以確保加固后的外觀質量及耐久性，保護層可采用黏結劑配合砂漿噴涂或直接采用與原橋墩混凝土顏色一致的噴漆涂裝。

粘貼碳纖維（CFRP）加固墩柱整個工藝的關鍵在于纖維布粘貼的緊密性、牢固性，保證與原墩柱結構能夠形成有機整體，共同工作，因此，必須保證施工中每道工序都要有利于CFRP布粘貼緊密，且必須把握好每道工序施工的間隔時間，防止纖維布起鼓、脫離、錯位。另外，碳纖維布粘貼完后應嚴格遵守自然養護的時間要求。

按照上述加固方案，在2016年5月20日至2016年5月30日對橋梁6個橋墩進行了加固，投入工人5人，工期10 d，造價不足8萬元，工程順利完成，達到了加固目的。橋梁橋墩加固施工現場及施工過程如圖5所示。

圖5 橋墩加固施工過程

4 結論

粘貼纖維復合材料（FRP）加固墩柱技術所采用的CFRP材料具有輕質高強、耐久性好的特點；該技術施工工藝簡單，無需大型機械；工期短、成本低；施工期間不影響通航和交通；不影響結構外觀；不增加結構自重。纖維復合材料修復、加固墩柱技術適用于工民建結構柱及橋梁的橋墩等混凝土豎向結構由于設計施工缺陷、材料老化、荷載等級提高等原因導致的耐久性缺陷、承載力不足、抗震能力不足以及地震災害后結構損傷的修復。該技術將纖維布環向纏繞在待加固橋梁墩柱的外側，通過其對內部墩柱混凝土施加的約束作用，從而顯著提高原墩柱結構的承載能力、耐久性能及抗震性能，具有傳統加固技術諸多無法比擬的優勢。