摘  要：纤维增强塑料（FRP）加固修补混凝土结构技术是目前国内外土木工程领域研究、开发的一个热点，并已得到广泛的应用。通常做法是利用环氧树脂胶把纤维布或板粘贴在混凝土表面以提高其承载能力和变形能力。近年来有学者提出一些新的加固方法，如嵌入式加固法（NSM）和快速铆固法，前者仍属于粘贴类型加固方法。本文着重介绍了后一种加固方法，总结了相关参数对加固结构抗弯承载力的影响，指出了这种加固方法存在的一些问题。

关键词：纤维增强塑料； 混凝土结构； 加固； 铆固； 承载力

 

    一、概况

钢筋混凝土结构应用于房屋、桥梁、水工结构、港工结构及其它具有侵蚀性的环境时，由于钢筋锈蚀、材料老化、荷载增加、设计与施工缺陷以及自然等原因，导致原有结构承载能力不能满足，因而需要补强和加固。据估计，美国近50万座桥梁中，有四分之一因为钢筋锈蚀而严重损坏，进行维护至少需要400亿美元；而欧洲每年因钢筋锈蚀而引起的经济损失超过15亿美元；我国香港特别行政区在2005年度，计划拨款30亿港元用于旧房屋等的加固改造。

常用的加固方法有增大截面法、改变结构体系、体外预应力法、粘钢法等。由于FRP材料有抗拉强度大、重量轻、耐腐蚀性能好、与混凝土热膨胀系数相近以及不改变原有结构外观、施工方便等众多的优点，而受到科研、设计单位和使用部门的欢迎。

由于美国在全球的行动日益增加，有些地区部分桥梁不能满足车辆荷载要求，由于对时间的敏感要求，因此需要一种速度快（最多只要几小时，而不是粘贴FRP等方法所要的几天）、不受各地不同气候影响的加固技术。机件锚固FRP板加固技术能够满足这些要求，而且兼有FRP材料的众多优点。这种加固技术已经应用于航空工业、汽车工业等领域当中；在土木工程方面，自1994年开始，英国的Thomas Telford公司就做过这方面的尝试，后来的研究工作主要集中由美国威斯康辛大学的Anthony J.Lamanna和Lawrence C.Bank等学者进行的。在美国军方工程技术发展研究中心（ERDC）的主导和资助下，ERDC的James C.Ray、威斯康辛大学的Anthony J.Lamanna和Lawrence C.Bank等对这种技术加固混凝土构件的抗弯、抗剪性能进行了一系列小比例和大比例的模型试验，对影响加固性能的参数作了细致的分析和研究。在国内还鲜有相关报道，希望本文能为此领域的研究起到抛砖引玉的作用，为抢险救灾等非常时期提供一种切实有效的结构加固技术。

    二、锚固FRP板加固技术实施

这种方法不使用粘结胶，而是使用若干均匀分布、细小的铆钉把纤维增强塑料板固定在混凝土表面，其具体做法如图一、图二所示。图一中沿纤维板纵向纯弯段内铆钉间距为20cm左右，剪跨段内5cm左右；图二中沿纤维板纵向全长范围内均匀布置有铆钉。为了使荷载均匀地传递给纤维板，避免铆钉处纤维板的应力集中引起破坏，因而没有采用大直径的铆钉，而是使用直径小、间距密的铆钉。通过调整铆钉间距及铆钉的长度可以有效解决纤维板和混凝土之间共同受力的问题。施工时，在加劲纤维板上需要打入铆钉的地方做上标记，拉住加劲纤维板两端、边角临时固定在混凝土表面，使用专门的设备把铆钉直接穿过纤维板打入混凝土中；也可以在预定位置先用钻机把孔钻好，然后再打入铆钉，以减少铆钉打入时表面混凝土的剥落。

 图一

  图二

  图三  铆钉打入工具

三、与粘贴纤维板方法的比较

（1） 施工简单方便、速度快。粘贴纤维板方法相对比较耗时，需要对混凝土进行喷沙、打磨、摸平表面等工序以适合粘贴，这需要在半专业人士的指导下进行，粘贴质量的好坏直接影响到补强、加固的效果。而铆固法只需要钻机和专门的铆钉打入设备，操作方便、速度快。据比较，在相同条件下，机械铆固法是粘贴方法所耗时间的1/8～1/10。

（2） 施工期间不影响使用，施工完成后不需要养护期，可以马上投入使用。粘贴纤维板方法在施工后，粘结胶在24小时内不能受到扰动，加固后的结构需要几天的养护时间才能达到设计强度。铆固法由于用铆钉直接固定，施工完成后即可发挥新的使用功能，这对于交通繁忙的桥梁以及抗灾、救灾、战时抢修等争取时间的情况都是很有利的。

（3）如果纤维板和混凝土粘结可靠并且忽略粘结胶厚度的影响（目前大多数计算模型都采用这种假定），则纤维板与混凝土之间是变形协调的。机械铆固法中，两者之间没有协调关系；若忽略纤维板与混凝土表面之间的摩擦，相邻铆钉间纤维板的应变是相等的，并等于相邻铆钉间混凝土底面的平均应变。

（4）粘结胶在高温环境下粘结强度的下降以及随时间的老化，都会降低粘贴方法的加固效果。铆固法不存在对环境、气候的敏感性。

（5）铆固法在打入铆钉时会引起表面混凝土的剥落，增加混凝土结构的初始裂缝，这是此种方法不利的一面；采用预先钻孔措施可以减小剥落的产生。为了避免铆钉处纤维板过大的应力集中，必须增加铆钉的分布密度、控制纤维板的弹性模量和拉力。

    四、相关参数对加固性能的影响

影响加固性能的因素有：纤维板弹性模量、铆钉间距和长度、是否预先钻孔、铆钉离混凝土边缘的距离等。文献［1］通过对2根对比梁和13根加固梁的试验研究得出了一些重要结论。

（1）在纯弯段内布置了铆钉的梁得到了较高的承载力，相比之下，没有布置铆钉的梁承载力要低一些。

（2）预先钻孔可以减少可见的初始裂缝和表面混凝土剥落，使铆钉打入深度增加，提高加固梁总体的承载力和延性。

（3）铆钉离混凝土边缘的距离愈小，打入时产生的初始裂缝就愈多，因此保证铆钉与混凝土边缘之间一定的距离是必要的。

（4）对于高弹性模量的纤维板，预先钻孔时，加固梁直到上缘混凝土压碎都和纤维板结合紧密；而没有钻孔时，加固梁因纤维板脱离而破坏，极限承载力比前者小。

（5）把铆钉间距由5.1cm增大到7.6cm时，加固梁在钢筋屈服时承受的弯矩相同，但极限承载力稍微减小。

（6）当增加铆钉的长度时，加固梁在钢筋屈服时承受的弯矩以及极限承载力都相应提高。

    五、结语

本加固技术操作简单、施工方便、速度快。对于繁忙的交通线、抗灾、救灾以及战备等时间紧急的情况，本方法是一种有效的选择方案。加固施工中要减少混凝土初始裂缝的产生，避免因FRP板剥离而破坏。Anthony J.Lamanna等推荐单个铆钉承载力未预先钻孔时为2224N、预先钻孔时为4448N，由于国内FRP材料性能的差异，单个铆钉承载力还需要作进一步的试验研究。

 

参考文献:

［1］       Anthony J.Lamanna, Lawrence C.Bank, David W.scott. Flexural Strengthening of Reinforced Concrete Beams by Mechanically Attaching fiber-Reinforced Polymer Strips. Journal of Composites for Construction, Vol.8, No.3, June,2004.

［2］       James C.Ray, Anthony J.Lamanna, Lawrence C.Bank. Rapidly Installed Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Plates for Upgrade of Reinforced Concrete Bridges for the Military. Bridge Materials, 2001.

［3］       Mnhmoud T.EI-Mihilmy, Joseph W.Tedesco. Analysis of Reinforced Concrete Beams Strengthened with FRP Laminates. Journal of Structural Engineering, Vol.126, No.6, June,2000.

［4］       Michele Theriault, Brahim Benmokrane. Effects of FRP Reinforcement Ratio and Concrete Strength on Flexural Behavior od Concrete Beams.  Journal of Composites for Construction, Vol.2, No.1, Feb,1998.

［5］       赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术.天津：天津大学出版社,2001.

［6］       黄南冀，张锡云，姜萝香.日本阪神大地震建筑震害分析与加固技术.北京：地震出版社,2002.