混凝土桥梁粘贴加固技术的研究进展

混凝土桥梁粘贴加固技术的研究进展
杨哲冯海宋士建
摘要：粘贴加固技术是混凝土桥梁结构维修加固中常用的简捷、有效的一种技术方法。近年来,纤维增强复合材料(FRP)粘贴加固技术的研究及应用已成为业内的热点。结合工程管理实践及有关资料,对混凝土粘贴加固技术的研究进展进行了概要地总结介绍。
关键词：桥梁加固；粘贴加固技术；新材料；研究进展
提高混凝土桥梁结构承载能力的常用方法有：增大构件截面,表面粘贴加固,施加体外预应力,增设受力构件及改变结构体系等,其中前3种方法在工程实践中最为常见。施加体外预应力法是一种可靠的加固方法,能够较大幅度地提高桥梁承载能力及刚度,但施工工艺要求高、施工难度大；增大构件截面法在小跨径梁板桥、拱桥及少量构件补强等的应用中也可以获得良好的加固效果；大多数情况下,采用表面粘贴加固的方法能够满足桥梁加固的要求,与上述方法相比,具有施工简便快速、不增加(或很少增加)结构自重以及适用范围大、对环境干扰少等优点。
粘贴加固方法即采用化学粘结剂将补强材料直接粘贴在混凝土构件表面,使之与构件形成受力整体,以提高结构承载力的一种加固方法。近十几年来,粘贴加固技术在国际上的研究与应用发展迅速,从传统的粘贴钢板的应用研究正朝着粘贴纤维增强复合材料(FRP)的研究应用方向快速发展,我国在这一领域的研究与应用也已积累了大量的经验与成果。
1 粘贴钢板加固技术
粘钢加固技术的应用始于20世纪60年代末70年代初,法国、南非等国家首先采用该技术对混凝土结构进行加固补强,随后瑞士、日本、英国等国家相继采用,其中日本在1975年应用此项技术先后对200多座桥梁进行了加固,以提高结构承受重型交通荷载的能力,取得了较好的效果。实践证明,采用粘贴钢板补强的方法能有效提高结构的抗弯、抗剪及抗开裂性能。而正是由于该加固技术不改变结构外形等特点,在许多情况下替代了增大截面加固技术,成为20世纪80年代的一种先进加固方法,为设计人员所普遍采用。我国20世纪90年代初的中国工程建设标准化协会标准《混凝土结构加固技术规范》(CECS 25∶90)及交通部颁布的国家行业标准《公路养护技术规范》(JTJ073-96)都将此项技术列入推广。在这一领域,我国于20世纪80年代初就开始研制自主知识产权的结构粘贴用胶,加固材料的国产化大大降低了加固成本,有力地促进了粘贴钢板技术的发展。到目前为止,粘贴钢板加固法仍是混凝土桥梁加固的首选方法。
随着对此项技术研究应用的不断深入,该方法的一些不足逐渐暴露了出来。首先,钢板因遭受污染大气侵蚀等原因造成各种化学腐蚀而影响其加固效果,这使得后期的养护维修问题变得异常突出；再就是研究发现,粘贴钢板结构在承受长期动载下的抗疲劳性能不甚理想,这是由于钢板刚度较大,施工时的误差等原因使得结构使用中容易在粘结面上发生剥离脱空,特别是钢板端部更易发生剥离破坏,加固设计时一般需附加螺栓加以辅助锚固,这从一定程度上增加了施工难度并对原结构造成一定程度的损伤。
2 粘贴FRP加固技术的研究应用
纤维增强复合材料是以连续纤维浸渍在用于粘合纤维的聚合物中硬化后形成的。目前结构工程中常用的FRP材料主要是树脂基体的玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP)等3种；FRP产品在外形上大概分为筋、片材、管材、型材等几种。各种FRP材料的力学性能参数变化范围很大,但都具有一些共同性质：高的强度重量比和刚度重量比率、拉断前为弹性、热膨胀系数低、各向异性、轻质、耐腐、无磁、良好的抗疲劳性及高的耐久性等。由于这些性质以及其产品应用于工程中可设计性强、施工简便及使用维护成本低等特点,使得FRP现在已成为国内外土木工程界中研究和应用的热点。FRP产品在土木工程中的应用可以分为2类：(1)用于现有结构的修复和加固；(2)直接用于增强新建结构。它们在工程中成功应用的基础是新的复合结构的概念和体系,并与传统材料如钢、混凝土结合起来,充分发挥了各自材料的优点。
2.1 FRP加固技术发展简介
碳纤维作为一种高科技材料,最早主要应用于航空、军事等领域,以后逐渐发展到船舶、汽车及体育用品等领域。自20世纪80年代后期开始,欧洲一些国家以及美国、日本、加拿大等国一直在开展FRP加固结构技术研究工作并进行了大量的工程实例应用,各国的混凝土研究或管理机构相应制定了有关FRP加固结构设计及施工等方面的规范、规程、指南等。CFRP以其优异的物理力学性能而在FRP材料中备受推崇,并日益得到更广泛的应用。
我国在这一领域自20世纪90年代中期起步,业已取得了大量研究成果,相关标准正在编制中,其中《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》已于2001年完成报批稿,《结构加固修复用碳纤维片材》和《片材加固修复结构用粘结树脂》两项产品标准已完成征求意见稿,《高性能纤维复合材料应用技术规范》及《公路混凝土桥梁的加固技术规程(讨论稿)》也正在编制中。目前,FRP产品在我国的应用大多在工业与民用建筑物结构的加固修复中,这与其他国家不同。例如在日本,1987年~2000年共计应用CFRP600余万m2,其中41%的数量应用于桥梁的加固补强,其他国家应用FRP加固补强桥梁结构的数量也很大。我国近几年在FRP加固补强桥梁结构方面的研究应用正在加快发展步伐。
2.2 粘贴CFRP加固桥梁结构技术
目前,我国在桥梁加固方面主要是研究应用粘贴CFRP片材(碳布)加固技术。碳布根据纤维方向分为单向布和双向布2种,其中以应用单向布为主,其拉伸强度是等截面普通钢材的10倍或更高,弹性模量在(2.4~6.4)×105MPa,是一种较理想的混凝土结构加固补强材料。试验证明,碳布粘贴加固桥梁构件能大幅度提高梁板的抗弯、抗剪性能以及混凝土柱的抗压、剪、弯能力,并能显著提高桥梁构件刚度及延性(如抑制开裂、降低挠度等)。
与传统的粘钢加固技术相比,粘贴CFRP布加固技术的优势主要体现在：高强高效,可设计性强,适用范围广；基本不改变原结构外观,不会对原结构造成损害；运输、储存、施工更方便、快捷,更易保证施工质量而且后期维护费用低；其化学结构稳定,在耐候性、耐腐蚀性以及抗疲劳性能等方面的优良品质更是粘贴钢板所无法比拟的,并且实验表明其对结构有着良好的隔离氯化物离子的效果。
2.3 FRP加固技术应用需注意的问题
(1)与传统结构材料不同,FRP材料通常表现为各向异性,例如上面提到的单向碳纤维布,它只在沿纤维方向上的强度和弹性模量较高,而在垂直纤维方向则很低,这是在加固设计时要充分考虑的问题。另外,部分FRP产品,如玻璃纤维等的弹性模量较低也是其作为结构材料的劣势,设计中要充分考虑。
(2)FRP材料的物理力学性能还有一个特点,就是其抗剪强度仅为其抗拉强度的5%~20%,这使得材料的连接成为突出的问题,设计中要充分考虑合理的连接方式、连接尺寸、连接位置以及尽量减少连接等。
(3)FRP产品的质量及其配套用粘结材料的可靠性是保证FRP粘贴加固技术成功应用的关键。首先,FRP材料编制生产的匀质性、材料拉伸强度等技术指标的离散性等,都对结构可靠度指标有很大影响(设计时要考虑指标折减)；其次是配套用各种树脂材料的粘结相容性等性能指标更是保证可靠粘结的关键,因为在FRP材料设计用量充足的条件下,粘结部位的剪切破坏是制约FRP材料性能充分发挥的最大因素,而且,FRP材料对环境变化的敏感程度远比FRP材料与混凝土之间的粘结面低,解决FRP材料加固混凝土结构耐久性问题的关键就是解决粘结面的耐久性问题。一些关于FRP-混凝土界面粘结剥离破坏形式下的耐久性能测试表明,使用不同的粘结材料,结构抗弯性能下降的幅度不同,分别在3%~33%之间。
(4)大量研究表明,虽然FRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料,但初始缺陷和工作环境对FRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。在这一方面,除首先保证施工质量外,有一些问题还待进一步研究。
(5)施工控制和加固质量检验是粘贴加固工程中要认真对待的问题。例如施工时环境温度、湿度、通风条件等的控制,结构表面处理、粘结位置、粘结剂有效使用期和涂层厚度等的控制,养护方法及时间要求,以及现场正拉粘结强度试验等。因此要求尽量选择有经验的专业施工队伍并严格按设计要求施工并进行检测验收。
(6)与混凝土相比,一般FRP材料的防火性能较差,而且部分树脂材料在持续高温情况下会出现软化现象,并导致材料力学性能的降低。这一问题也应引起注意并加以深入研究。当然,桥梁结构对这一方面的要求相比建筑结构较少。
3 结语
随着交通运输的快速发展和保障公路桥梁安全运营的实际需求,公路桥梁养护的管理工作包括桥梁养护方面的科研工作将成为今后交通部门的重点工作之一。相信随着科技的发展,科研工作的不断深入,以及广大科研、生产、设计、施工、管理人员等的共同努力,新材料、新技术的应用将会在今后的桥梁加固改造工作中发挥日益重大的作用。