FRP 管- 灌漿料在局部受損混凝土柱中的加固應用

殷曉三，程林楓，李克

（1.中原工學院建筑工程學院，鄭州451191；2.南水北調中線干線工程建設管理局河南分局，鄭州450000）

1 引言

從工程建設發展規律來看，經歷一段高速發展階段后，建筑業必將迎來一段長期維護期。以橋梁維修加固為例，美國在20 世紀90 年代用在維修加固的費用已經超過了新建橋梁。當前，我國的工程建設正處于新區開發與舊城改造相結合的階段，并向以舊房改造加固為主的階段邁進【1】。以新建建筑為主題和以加固舊建筑為主題的發展階段中，均有一部分建筑結構不滿足人們的要求，通常的處理方法是拆除重建或修復加固，拆除重建費用高昂，且帶來建筑垃圾危害環境，相比之下，修復加固相對周期短、費用低，是一種較好的選擇。

橋墩遭到船體的沖擊而出現局部損傷，水量控制不嚴格、坍落度過大或夾雜雜質導致局部強度不足，河流沖擊、海水侵蝕、干濕交替作用導致混凝土劣化。局部受損將導致結構整體性下降，埋下安全隱患。結構出現局部損傷時，雖然整體結構還能夠維持正常使用，但卻埋下了安全性和耐久性方面的隱患。因此，亟待尋求安全可靠、經濟合理的適用于局部受損混凝土柱的加固方法。

2 增大截面加固法

增大截面法是通過增加截面尺寸或配筋率來提高混凝土柱承載力和剛度的一種加固方法。在增大截面法中，通常混凝土柱與加固施工模板之間的間隙較小，混凝土難以振搗密實，為此，采用自密實混凝土可以發揮其無須振搗、施工便捷和節省勞動力的優勢【2】。為了研究同一強度不同材料的加固效果，何佳【3】采用同等強度的灌漿料和細石混凝土對混凝土進行加固，分析了加固材料的力學性能對加固效果的影響，指出采用灌漿料對混凝土柱進行加固，具有更高的承載力提高效果，而且施工比較便利。新增材料與既有混凝土的組合作用是影響加固效果的重要因素之一，為此，盧亦焱等【4】采用鋼管代替后置鋼筋，在外套鋼管和混凝土柱之間澆筑混凝土，取得了良好的加固效果。在現有混凝土結構加固規范中，未考慮二次應力和新增混凝土和鋼筋對混凝土的約束作用，但是，新舊混凝土不能同時達到應力峰值，存在應力滯后的問題。為此，張祝沐【5】采用模型試驗、數值模擬和理論分析等方法，對該問題進行了研究，對正截面受壓承載力計算公式進行了改進。增大截面法加固后的構件延性、混凝土柱的軸壓比、尺寸效應和抗震性能等均是需要進一步研究的課題。增大截面法施工工藝較為簡單，使用范圍廣，但是，現場濕作業工作量大，施工周期較長，侵占結構使用空間，增加結構自重，對生產生活影響大。因此，該加固方法在混凝土柱加固中受到了一定的限制。

3 粘鋼加固法

粘鋼加固法是將鋼板粘貼于混凝土柱表面，以提高其承載力和剛度的一種加固方法。粘鋼加固技法發展和應用比較早，在20 世紀90 年代時，已經較為完備，隨著技術的不斷進步，又涌現出各種新的粘鋼方法，如粘鋼修型技術、點焊濕包鋼技術、粘錨聯合技術和濕式外包鋼技術等。李鵬等【6】研究了粘鋼加固混凝土短柱的受壓性能和約束機理，結果表明，二次受力試件承載力小于一次受力試件。胡長青等【7】研究了粘鋼加固混凝土短柱的軸壓承載力、變形性能和鋼板與混凝土共同工作性能，結果表明，構件延性得到顯著改善，變形能力顯著增強，膠層作用可以使鋼板和混凝土協調工作。張貴文等【8】利用ABAQUS 分析了粘鋼加固混凝土柱在低周水平荷載作用下的受力性能，結果表明，采用粘鋼加固法可以顯著地提高混凝土柱的抗震性能。為了減少鋼材的使用量，僅僅在混凝土柱的角部粘貼鋼板，稱為外包角鋼加固法。盧亦焱等【9】對外包角鋼加固混凝土柱的軸壓性能進行了試驗研究，結果表明，外包角鋼直接參與承受軸向壓力，綴板與外包角鋼形成的骨架體系可以約束內部混凝土，從而提高了構件的承載力和延性。粘鋼加固法應用范圍較廣，加固效果顯著，但用鋼量較大，加固維修費用較高。

4 粘貼FRP 加固法

粘貼FRP 法是將FRP 粘貼于混凝土周圍，以提高其結構功能的加固方法。FRP 是一種多組成材料，由增強纖維嵌入聚合物基體構成，主要包括玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維等。FRP加固法的主要機理是利用FRP 對混凝土柱進行約束，從而提高其承載力和延性。有關粘貼FRP 加固混凝土的研究主要集中在FRP 約束混凝土的短柱承載力、長柱承載力和高強度混凝土柱等。楊俊杰等【10】研究了FRP 管實心混凝土柱的受力性能，結果表明，纖維鋪設角度和混凝土強度越大，則柱的承載力越高，但極限應變卻有所下降。盧亦焱等【11】研究了FRP 加固混凝土柱鋼筋銹蝕電化學特性，結果表明，外粘CFRP 和GFRP 加固混凝土柱中的鋼筋半電池電位隨著干濕交替次數的增加而呈現出先升高后穩定趨勢，CFRP 和GFRP 有效地緩解了鋼筋的銹蝕。盧亦焱等【12】則將FRP 與鋼管進行組合，提出了FRP-鋼管加固混凝土柱的加固方法，在試驗研究的基礎上，建立了有限元分析模型，研究了鋼管壁厚、混凝土強度、FRP 種類、FRP 層數和FRP 彈性模量等因素對加固構件軸壓性能的影響。翟科杰等【13】研究了不同種類纖維布約束作用對混凝土方柱力學性能的影響，并進一步完善了FRP 加固混凝土方柱的約束強度模型。作為混凝土柱的抗震加固，粘貼FRP法具有獨特的優越性，1997 年我國學者開展了相關研究。FRP加固混凝土柱，可以使短柱的破壞形態由剪切破壞轉變為彎曲破壞，而且能夠提高構件的延性，增強其耗能性能。FRP 高強高效、質量輕、耐久性和耐腐蝕性好，在加固領域中具有廣泛的應用。

5 灌漿料加固法

高性能灌漿料具有早強、高強和收縮徐變小、綠色環保等特點，近年來不斷應于混凝土柱加固中。李祖輝等【14】利用水泥基灌漿料加固混凝土柱，研究了水泥基灌漿料和混凝土協同作用的性能，得出了柱內鋼筋和水泥基灌漿料的壓力-壓縮量的關系。將鋼管外套于混凝土周圍，鋼管與混凝土柱之間填充灌漿料，形成一種新的加固方法，不僅能夠顯著提高構件的承載力、延性和剛度，而且具有經濟良好的抗震性能。熊進剛等【15】對采用高性能灌漿料置換加固的混凝土框架柱的受壓性能進行了全過程分析，分析了混凝土柱初始應力對灌漿料強度發揮程度的影響，結果表明，對于存在二次應力情況的混凝土柱，高性能灌漿料和混凝土之間存在應變滯后的現象，混凝土柱和高性能灌漿料不能同時達到抗壓強度，影響高性能灌漿料強度的發揮。高性能灌漿料加固混凝土的研究主要集中在混凝土短柱的軸壓性能，而偏壓柱性能的研究相對較少，為此，張可等【16】研究了初始應力和偏心距對高性能灌漿料在加固偏心受壓混凝土柱的影響，結果表明，隨著加固前初始應力和偏心距的增大，加固效果逐漸減弱。相對于增大截面法、粘鋼法和FRP 法等，高性能灌漿料在加固混凝土柱的應用研究還不夠完善，例如，長柱受力性能、抗震性能、抗沖擊性能和可靠度等方面的研究需要進一步探討。

6 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱

6.1 FRP 加固局部受損混凝土柱

針對局部受損混凝土柱的加固，目前國內相關的研究相對較少。魏華【17】針對實際結構工程中出現的混凝土局部強度降低的工程現象，采用碳纖維布對混凝土柱中強度削弱的區域進行了局部加固，通過試驗研究了受約束后強度不足區域混凝土的強度及延性提高效果，分析了加固后構件的整體工作性能，探討了使用局部加固技術的可行性，提出了局部強度不足的混凝土柱在局部包裹碳纖維布加固的情況下，偏心受壓的正截面承載力計算公式。郭夏【18】對碳纖維布加固含有薄弱段的鋼筋混凝土軸壓柱及偏壓柱的受力和變形性能進行了試驗研究，主要考慮了碳纖維布的粘貼形式、用量及偏心距加固效果的影響。李健康等【19】采用有限元法對CFRP 約束局部強度不足橋墩的軸心受壓性能進行了分析，研究了加固效果和CFRP 約束狀態下橋墩的受力機理，結果表明，采用CFRP加固局部受損混凝土橋墩，構件承載力和延性得到提高，隨著CFRP 層數的增加，核心混凝土的側向約束應力明顯增大。

這些加固方法均是基于粘貼FRP 法，但FRP 彈性模量小、層間剪切強度低，而且對構件承載力的提高幅度有一定的限制。為此，在增大截面法、粘鋼法、粘FRP 法的基礎上，利用高強度灌漿料的優點，提出了FRP 管-灌漿料加固局部受損鋼筋混凝土柱的加固方法。

6.2 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱施工工藝

FRP 管-灌漿料加固局部受損混凝土柱的主要特點是，對鋼筋混凝土柱進行卸載，將鋼筋混凝土柱局部受損部位及外圍部分鑿除，銹蝕的鋼筋則進行除銹工作，清除碎石、浮漿、灰塵等雜物，將預制成型的FRP 殼環裹于被鑿除的既有鋼筋混凝土柱，形成圓形管狀，保證FRP 殼與既有鋼筋混凝土柱同軸，然后將FRP 浸漬環氧膠液，搭接FRP 殼，使之成為類似于焊接鋼管的FRP 管。在FRR 管和既有鋼筋混凝土柱之間的空隙澆筑早強型無機灌漿料，從而形成整體性能良好的組合柱。

6.3 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱加固機理

主要加固原理是：將原有受損部分換為強度更高的灌漿料，灌漿料和外套FRP 管有著良好的黏結，通過植筋與核心混凝土有機地結合起來，使組合結構的整體性得到大大增強。外套FRP 管對核心區域有著良好的約束，使其處于三向壓應力狀態，軸向抗壓強度得到顯著提高，從而提高了整個混凝土柱的承載力，增強了整個混凝土柱的延性。早強型灌漿料有著較好的性能，凝結時間短，抗壓強度高，膨脹率低，灌漿料硬化后無收縮，流動性和自密實性能良好，與鋼筋黏結強度高，對鋼筋有很好的保護作用。FRP 管有著較強的約束能力，使得加固截面在相對增加不大的情況下達到加固目的，幾乎不侵占使用空間，附加自重對整個結構影響不大；外套FRP 管自重輕質，又可以用作灌漿料模板，簡化施工工序，方便快捷，大大降低了工程費用

6.4 FRP 管- 灌漿料加固局部受損混凝土柱的研究意義

FRP 管-灌漿料加固局部受損混凝土柱，這種新的加固方法利用了FRP 的新材料、FRP 成管新技術和FRP 約束性混凝土新結構3 方面的特點，既能在解決舊問題時表現出明顯的長處，又能在處理新問題中發揮優勢。這種新的加固技術在工程應用上具有施工工藝簡單、作業量少、加固費用低和施工周期短等優點，因此，對其進行系統的研究，既推動了該加固技術在工程中的應用，又擴大了加固方法的陣容；既豐富了FRP約束混凝土的理論，又促進了加固局部受損構件技術的發展；既能使早強微膨脹水泥基灌漿料在結構加固中的應用價值得到體現，又能使FRP 約束機理得到更深層次的揭示。

7 結語

隨著國民經濟的發展，建筑業迎來了發展高峰期，加固改造的研究也迎來發展機遇。針對不同的結構提出不同的加固方法，不同的加固方法有各自的優缺點，適用于不同的條件。新技術、新理論和新結構類型為加固方法的創新提供了思路，為此，基于FRP 和灌漿料的優點，提出了FRP 管-灌漿料加固局部受損混凝土柱的加固方法。這種加固方法針對局部受損結構，具有獨特優點，相對于加固整個構件而言，具有造價低廉的優勢，相對其他加固方法具有施工便利、工作量少的優點。