混凝土加固(FRP)

1、小組成員：李康權(quán)秦珂楊正挺夏立鵬+鋼筋混凝土是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。在我國(guó)建造的一批鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的辦公樓、住宅、商場(chǎng)等，由于房屋的設(shè)計(jì)不當(dāng)、使用維修不當(dāng)、建造質(zhì)量以及地震等自然災(zāi)害的原因許多房子存在這樣或那樣的問(wèn)題，有些問(wèn)題還相當(dāng)嚴(yán)重，危及結(jié)構(gòu)安全，為了使用的要求，就使得對(duì)原有結(jié)構(gòu)的加固顯得尤為重要。地震中，框架柱的主要震害特征有柱端彎剪破壞、柱身破壞、角柱破壞、短柱破壞、施工縫破壞等。某些梁端出現(xiàn)細(xì)小裂縫，填充墻破壞，樓板開(kāi)裂等較為常見(jiàn)。+鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的自然環(huán)境和使用環(huán)境的共同作用下,加之在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等過(guò)程中存在的不確定因素,使結(jié)構(gòu)功能在使用過(guò)程中必然逐漸減弱。一般來(lái)說(shuō)

2、，需要加固改造的建筑結(jié)構(gòu)主要分為三類：+（1）隨著時(shí)間的推移，大批舊有建筑物的服役年限已接近或超過(guò)其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，雖然從理論上講應(yīng)該拆除重建，但通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸谈脑烊匀豢梢栽谖磥?lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用；+（2）雖然建筑物的服役年限不長(zhǎng)，但由于設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)、材料質(zhì)量不符要求、使用功能改變，遭受自然災(zāi)害及耐久性等原因，需要進(jìn)行加固改造；+（3）由于舊有建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，抵抗自然災(zāi)害與人為災(zāi)害的能力較差，為提高其安全性應(yīng)考慮必要的加固改造。直接加固：加大截面加固法 加大截面加固法是在鋼筋混凝土構(gòu)件外部外包混凝土(通常是在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)增加混凝土現(xiàn)澆層,受拉區(qū)增加配筋量),增大構(gòu)件截面積和配筋

3、量,增加截面有效高度,從而提高構(gòu)件正截面抗彎、斜截面抗剪能力和截面剛度,起到加固補(bǔ)強(qiáng)的作用。在適筋范圍內(nèi),由于混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力隨著鋼筋截面面積和強(qiáng)度的增大而提高。在原構(gòu)件正截面配筋率不太高的情況下,增大主筋截面積或強(qiáng)度,增加現(xiàn)澆鋼筋混凝土圍套增大構(gòu)件截面,通過(guò)新加部分和原構(gòu)件共同工作,可有效地提高原構(gòu)件正截面抗彎、斜截面抗剪承載力和截面剛度,改善正常使用性能優(yōu)點(diǎn): 加大截面加固法施工工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng),并具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn);適用于梁、板、柱、墻等構(gòu)件和一般構(gòu)造物的鋼筋混凝土加固。缺點(diǎn): 現(xiàn)場(chǎng)施工的濕作業(yè)工作量大,養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)生產(chǎn)和生活有一定的影響,而且加固后構(gòu)件的截面增大,

4、對(duì)建筑物的凈空和外觀有不小影響。更為重要的是增加的外包混凝土與原有構(gòu)件的混凝土材齡相差較大,要解決好新加部分與原有部分混凝土的整體工作共同受力,是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題,并且受制的因素較多,現(xiàn)階段只能增加有利的構(gòu)造措施。置換混凝土加固法 該法是剔除部分陳舊的混凝土,置換成新的混凝土,新混凝土的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件提高一級(jí),且不得低于C20級(jí)。比較適用于鋼筋混凝土構(gòu)件的局部加強(qiáng)處理,有時(shí)也用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固。優(yōu)點(diǎn): 與加大截面加固法相近,而且構(gòu)件加固后不影響結(jié)構(gòu)原先的凈空,能恢復(fù)結(jié)構(gòu)原先的外觀。缺點(diǎn): 同樣存在施工的濕作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)的缺

5、點(diǎn),而且剔除陳舊混凝土的工作量大,容易傷及原構(gòu)件的鋼筋,所以在施工過(guò)程中對(duì)原構(gòu)件可能造成的屈服、疲勞、失穩(wěn)等破壞狀態(tài)要進(jìn)行全面嚴(yán)密的評(píng)估。粘結(jié)外包鋼加固法 粘結(jié)外包型鋼加固法是把型鋼(鋼板)包在被加固構(gòu)件的外邊,即采用環(huán)氧樹(shù)脂化灌漿等方法把型鋼與被加固鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)成一整體,使鋼材與原構(gòu)件整體工作共同受力。加固后的構(gòu)件,由于受拉、受壓區(qū)鋼材截面積增大,從而正截面承載力和截面剛度都有大幅度提高。該方法常用于柱、桁架、梁和一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的加固,特別是構(gòu)件加固后不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸,但又要求大幅度提高構(gòu)件承載能力的鋼筋混凝土構(gòu)件。優(yōu)點(diǎn): 受力可靠,施工簡(jiǎn)便,現(xiàn)場(chǎng)工作量較小,能顯著提

6、高結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的承載能力而且對(duì)結(jié)構(gòu)使用空間的影響小,施工簡(jiǎn)便且濕作業(yè)量較少。缺點(diǎn): 用鋼量較大,加固費(fèi)用較高,對(duì)使用環(huán)境的溫度有限制,不宜在無(wú)防護(hù)的情況下用于600以上的高溫場(chǎng)所繞絲加固法 直接在構(gòu)件外饒上高強(qiáng)鋼絲(鋼絞線),該方法的優(yōu)缺點(diǎn)與加大截面法相近。適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面承載力不足的加固,或需要對(duì)受壓構(gòu)件施加橫向約束力的場(chǎng)合。在加固防腐要求較高的構(gòu)件時(shí),利用鍍鋅鋼絞線和防腐砂漿組成的復(fù)合材料對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),兩種材料在加固中起著不同的作用,防腐高強(qiáng)鋼絲起到抱箍的作用,防腐砂漿起到錨固鋼絲和保護(hù)層作用,使其共同工作整體受力,以提高構(gòu)件的承載力。這種方法實(shí)際是一種體外配筋這種方法

7、實(shí)際是一種體外配筋, ,通過(guò)提通過(guò)提高構(gòu)件的配筋率高構(gòu)件的配筋率, ,從而相應(yīng)提高構(gòu)件的承載能力從而相應(yīng)提高構(gòu)件的承載能力, ,所所以被廣泛地應(yīng)用在鋼筋混凝土建筑物的加固處理及以被廣泛地應(yīng)用在鋼筋混凝土建筑物的加固處理及水中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防滲漏、防腐蝕加固處理水中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防滲漏、防腐蝕加固處理。優(yōu)點(diǎn): 構(gòu)件加固后自重增加較少、外形尺寸變化不大、施工簡(jiǎn)單、施工質(zhì)量容易保證;換成鍍鋅鋼絞線和防腐砂漿組成的復(fù)合材料后,良好的抗裂性及粘結(jié)強(qiáng)度、抗碳化及抗?jié)B透能力,并且具有較好的耐火性和耐久性,而且其本身可以起到對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用,達(dá)到雙重加固修補(bǔ)的目的,可以廣泛應(yīng)用于建(構(gòu))筑物的加

8、固和修補(bǔ)。缺點(diǎn): 對(duì)矩形截面混凝土構(gòu)件承載力提高不顯著,限制了其應(yīng)用范圍,防腐砂漿性能和質(zhì)量的要求較高,容易發(fā)生安全質(zhì)量問(wèn)題;另外鍍鋅鋼絞線的單價(jià)較高;使用前需要做好仔細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)估。間接加固的一般方法間接加固的一般方法+預(yù)應(yīng)力水平拉桿加固法+鋼筋混凝土受彎構(gòu)件,上緣受壓,下緣受拉。由于預(yù)應(yīng)力水平拉桿的預(yù)應(yīng)力和新增外部荷載的共同作用,拉桿內(nèi)產(chǎn)生軸向拉力。該力通過(guò)拉桿錨固端偏心地傳遞到原構(gòu)件上,在原構(gòu)件中產(chǎn)生偏心受壓作用(此時(shí)該作用力在原構(gòu)件上的基本形態(tài)成下緣受壓、上緣受拉趨勢(shì))。該作用克服了部分外荷載產(chǎn)生的彎矩,減少了外荷載效應(yīng),從而提高了構(gòu)件的抗彎能力。同時(shí),由于拉桿傳給構(gòu)件的壓力作用

9、,構(gòu)件裂縫發(fā)展得以緩解、控制、斜截面抗剪承載力也隨之提高。值得重視的是由于水平拉桿的作用,原構(gòu)件的截面應(yīng)力特征由受彎變成了偏心受壓,所以加固后構(gòu)件的承載力主要取決于原構(gòu)件在壓彎狀態(tài)下的承載力。主要用于一般梁板結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及大偏心受壓結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力撐桿加固法 鋼筋混凝土受彎構(gòu)件,在相應(yīng)區(qū)域使用撐桿,通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力強(qiáng)迫撐桿受力,影響并改變?cè)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,從而降低結(jié)構(gòu)原有應(yīng)力水平并提高結(jié)構(gòu)的承載能力。采用預(yù)應(yīng)力加固的特點(diǎn)是通過(guò)預(yù)應(yīng)力手段強(qiáng)迫后加部分受力,改變?cè)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,降低原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,使一般加固方法中所特有的應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象得以完全消除,具有加固、卸載和改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的

10、三重效果,后加部分和原有結(jié)構(gòu)能夠較好地共同工作,結(jié)構(gòu)承載能力能夠得到較大的提高。常用于大跨度以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的大型鋼筋混凝土構(gòu)件的加固。優(yōu)點(diǎn): 改變了原結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,降低原構(gòu)件的應(yīng)力水平,消除新加桿件與原來(lái)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象,能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力。缺點(diǎn): 加固后對(duì)原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響,對(duì)環(huán)境溫度有一定要求,在生產(chǎn)性熱源且原結(jié)構(gòu)表面溫度經(jīng)常大于600的環(huán)境中使用時(shí),其防護(hù)處理較困難,造價(jià)較高;另外對(duì)于混凝土收縮變形大的結(jié)構(gòu),造成后加部分的預(yù)應(yīng)力損失較大,故不宜采用。增設(shè)支承加固法 增設(shè)支承加固法是在需要加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中增設(shè)支承,減少受彎構(gòu)件的計(jì)算跨度,從而減少作用在被加

11、固構(gòu)件上的荷載效應(yīng),達(dá)到提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力水平的目的。常用于對(duì)使用條件和外觀要求不高的場(chǎng)所。優(yōu)點(diǎn):該法簡(jiǎn)單可靠,受力明確,易拆卸,易恢復(fù)原貌。缺點(diǎn):嚴(yán)重?fù)p害原建筑物的原貌和使用空間,所以要用在具體條件許可的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固。其他加固方法 其他一些常用的加固方法:錨栓錨固法,它適用于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20C60的混凝土承重結(jié)構(gòu)的改造、加固,但不適用于已嚴(yán)重風(fēng)化的結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)結(jié)構(gòu);高強(qiáng)鋼絲繩網(wǎng)片-復(fù)合砂漿外加層加固法,該方法與繞絲加固法相似,只是它采用的是高強(qiáng)鋼絲繩網(wǎng)片,對(duì)防止砂漿或混凝土的開(kāi)裂效果較好;輔助結(jié)構(gòu)加固法,該方法是采用另制的輔助構(gòu)件,如型鋼、鋼桁架或鋼筋混凝土梁,部分或全部分擔(dān)被加固

12、梁的荷載,從而提高整體承載力。 它是利用環(huán)氧樹(shù)脂類有機(jī)膠粘劑將成型的 FRP 片材（包括布和板）粘貼于混凝土表面，使 FRP 材料與鋼筋混凝土協(xié)同工作，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。 與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固方法相比，具有明顯的高強(qiáng)高效、施工便捷、適用面廣、耐腐蝕、自重輕、材質(zhì)薄等特點(diǎn)，在過(guò)去 20 年中已引起世界范圍內(nèi)廣泛的關(guān)注和研究。纖維增強(qiáng)聚合物（Fiber reinforced polymer，簡(jiǎn)稱FRP）復(fù)合材料加固 常用的纖維種類包括：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維；常用的樹(shù)脂有：環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂和乙烯酯樹(shù)脂。 根據(jù)纖維種類的不同可將FRP材料分為：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Gla

13、ss Fiber Reinforced Polymer簡(jiǎn)稱GFRP）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱CFRP）芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱AFRP）與前面?zhèn)鹘y(tǒng)的加固方法相比， FRP加固混凝土技術(shù)主要有以下幾方面的特點(diǎn)： （1）FRP 具有極好的抗酸堿腐蝕能力。采用 FRP 加固混凝土構(gòu)件后，后期維護(hù)所需成本很低； （2）低密度（約為鋼的 1/4）、高抗拉性能（普通級(jí)片材在 10003000MPa 之間）。采用 CFRP 加固橋梁等混凝土構(gòu)件，幾乎不增加結(jié)構(gòu)的重量； （3）剛度

14、較大（普通級(jí)的單向碳纖維片材的楊氏彈性模量約為230GPa）； （4）較好的疲勞性能和抗蠕變/松弛性能（碳纖維要大大優(yōu)于鋼材）； （5）雖然 FRP 是一種脆性材料，但具有較高的變形能力（幾乎為線彈性直到破壞，碳纖維片材的應(yīng)變可達(dá)到 12%，玻璃纖維和芳綸纖維片材的應(yīng)變可達(dá)到 2.53.5%）。 （6）目前碳纖維的材料成本是鋼材的數(shù)倍，然而考慮到養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸、占用空間和場(chǎng)所、人力等因素，相對(duì)使用鋼材而言，纖維片材在經(jīng)濟(jì)上通常具有優(yōu)勢(shì)。 FRP技術(shù)自 1997 年引入我國(guó)后得到了迅速發(fā)展，目前我國(guó)每年的混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中，F(xiàn)RP 的用量已超過(guò) 60 萬(wàn)平方米。國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān) FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)

15、的研究已先后涉及： （1）FRP 與混凝土的界面力學(xué)性能； （2）梁的抗彎、抗剪和抗扭加固； （3）板的抗彎加固； （4）柱的軸向承載力加固和抗震加固； （5）節(jié)點(diǎn)的抗震加固等方面。 采用FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，是通過(guò)粘結(jié)膠將FRP材料粘貼于混凝土的表面，外貼FRP能否有效的提高加固后結(jié)構(gòu)的承載力，取決于 FRP與混凝土之間能否有效地傳遞應(yīng)力。在FRP對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪加固的動(dòng)靜載試驗(yàn)及工程實(shí)踐中，增強(qiáng)構(gòu)件的破壞往往不是由于FRP材料的拉斷破壞，而通常是FRP與混凝土界面的剝離破壞或是界面附近混凝土的局部破壞，破壞前構(gòu)件并沒(méi)有明顯征兆，破壞時(shí)FRP的應(yīng)變還處于較低水平，屬于脆性破壞。 F

16、RP-混凝土界面是由FRP材料、粘結(jié)劑與混凝土組成的三相介質(zhì)粘結(jié)系統(tǒng)。根據(jù)其組成材料力學(xué)特性的不同以及受環(huán)境因素的影響，F(xiàn)RP-混凝土界面有五種可能的破壞形式： 1) FRP板的分層破壞； 2）FRP與粘結(jié)膠層界面的脫膠破壞； 3）粘結(jié)膠層自身的剪切破壞； 4）粘結(jié)膠層與混凝土的剝離破壞； 5）混凝土層的基體破壞。FRP-混凝土界面可能的破壞形式FRP與混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)和理論研究已相當(dāng)豐富?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)包括以下四種不同的形式：?jiǎn)渭魧?shí)驗(yàn)、雙剪實(shí)驗(yàn)、梁式實(shí)驗(yàn)和修正梁實(shí)驗(yàn)。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，已有學(xué)者提出了一些粘結(jié)強(qiáng)度模型，用于計(jì)算界面的粘結(jié)強(qiáng)度Pu和界面破壞時(shí)的平均粘結(jié)剪應(yīng)力u。這些模型大致

17、可分為三類：1）直接由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?）基于斷裂力學(xué)的模型3）采用簡(jiǎn)化假定的設(shè)計(jì)公式 有關(guān)FRP的粘結(jié)性能已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究, 然而到目前為止,人們對(duì)粘結(jié)層(界面)的破壞機(jī)理還沒(méi)有較成熟的論述,也還沒(méi)有得到普遍公認(rèn)的界面力學(xué)分析模型,要對(duì)剝離破壞機(jī)理進(jìn)行綜合定量分析尚需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究,根據(jù)試驗(yàn)資料建立不同類型剝離形態(tài)下的應(yīng)力計(jì)算公式?？箯澕庸塘簭澢茐哪Ｊ绞疽鈭Da（a） FRP筋或板條拉斷； （b）混凝土壓碎抗彎加固梁剪切破壞模式示意圖 抗剪加固主要是將碳纖維片材一般采用的是碳纖維布粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū),起到與箍筋類似的作用,以提高構(gòu)件的抗剪承載力。加固的原理是利用碳纖維布對(duì)混凝土

18、的約束來(lái)抑制剪切裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展。 抗剪加固主要是將碳纖維片材一般采用的是碳纖維布粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū),起到與箍筋類似的作用,以提高構(gòu)件的抗剪承載力。加固的原理是利用碳纖維布對(duì)混凝土的約束來(lái)抑制剪切裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展。試驗(yàn)結(jié)果表明,梁的配箍率越低,受剪承載力提高程度就越大。剪跨比較大的加固梁,其加固效果更加明顯,破壞形態(tài)也從脆性的斜拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃涡阅苌院玫募魤浩茐摹?抗剪加固主要是將碳纖維片材一般采用的是碳纖維布粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū),起到與箍筋類似的作用,以提高構(gòu)件的抗剪承載力。加固的原理是利用碳纖維布對(duì)混凝土的約束來(lái)抑制剪切裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展。破壞模式加固鋼筋混凝土梁受剪破壞模式大致可分為剝離破壞

19、、拉斷的剪切破壞和未拉斷的剪切破壞種類型。包裹式 現(xiàn)場(chǎng)包裹式是最普遍采用的技術(shù)。將單向纖維片材或紡織片材用聚合物樹(shù)脂浸漬,一層層地包裹在柱的周圍,主纖維取向于鋼箍方向。包裹方法分為:1)完全包裹2)部分包裹呈連續(xù)螺旋型3)部分包裹呈獨(dú)立環(huán)狀此外還有纏繞式、預(yù)制外套式。包裹式施工簡(jiǎn)單但勞動(dòng)強(qiáng)度大且質(zhì)量難以控制，預(yù)制外套式質(zhì)量容易控制但預(yù)制費(fèi)用較高。平面節(jié)點(diǎn)的加固方法主要從兩點(diǎn)思路出發(fā):將纖維粘貼在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域利用利用約約束混凝土原理增加節(jié)點(diǎn)抵抗約束機(jī)構(gòu)束混凝土原理增加節(jié)點(diǎn)抵抗約束機(jī)構(gòu)的能力;在與節(jié)點(diǎn)相連的梁柱端頭粘貼纖維,承擔(dān)部承擔(dān)部分彎矩分彎矩,減少貫穿節(jié)點(diǎn)縱筋的應(yīng)力減少貫穿節(jié)點(diǎn)縱筋的應(yīng)力,延緩縱筋延緩縱筋滑移滑移,減小桁架機(jī)構(gòu)傳入節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。同濟(jì)大學(xué)的陸洲導(dǎo)教授等采用的節(jié)點(diǎn)加固方式邊節(jié)點(diǎn)加固方式帶有正交梁的節(jié)點(diǎn)加固方式空間節(jié)點(diǎn)的抗震加固方法平面框架節(jié)點(diǎn)可以直接在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)粘貼纖維布進(jìn)行加固,而空間節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是無(wú)法直接粘貼纖維布的,只能通過(guò)加固節(jié)點(diǎn)核心