FRP环向缠绕加固桥墩技术实践应用研究

张 澄

（江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049）

0 引言

随着我国桥梁建设的开展，桥墩作为桥梁最重要的竖向受力构件，常常由于环境腐蚀、船舶撞击、地震等原因，面临加固的迫切需求[1-4]。凭借其可以提高混凝土的强度和变形能力的卓越性能，约束混凝土在如今追求轻质、高强的工程建设中应用十分广泛。纤维增强复合材料（FRP）环向缠绕加固桥墩技术适用于建筑工程柱、桥梁桥墩等竖向构件因设计施工缺陷、材料老化、荷载等级提高等原因导致耐久性缺陷、承载力不足、抗震能力不足以及地震灾害后结构损伤的修复。该技术将FRP沿环向缠绕在待加固混凝土结构的外侧，通过对内部混凝土提供的约束作用，显著提高结构的使用性能，具有传统加固技术诸多无法比拟的优势[5-9]：（1）提高结构耐腐蚀、抗冻融性能；（2）恢复、提高结构承载力（弯、剪、压）；（3）恢复、增强结构延性、耗能等抗震能力；（4）阻止纵筋搭接滑移破坏。本文结合某桥梁桥墩的加固修复，对比不同的加固方案，论证了FRP环向缠绕加固桥墩技术的先进性与有效性。FRP环向缠绕加固桥墩技术，以高强轻质的FRP布作为增强材料，以环氧树脂为黏结材料，实现对桥墩的快速加固修复。

1 工程背景

某简支梁桥位于江苏省盐城市，跨越运棉河。桥梁中心桩号为K2＋178.640，跨径组合为5×20 m。上部结构采用先张法预应力混凝土空心板梁，板梁高度为0.9 m，中板宽0.99 m，边板宽1.245 m；下部结构采用桩柱式墩台，钻孔灌注桩基础，桥台桩径为1.2 m，桥墩桩径为1.5 m；桥面宽度为0.5 m（墙式护栏）+净-7.5 m+0.5 m（墙式护栏）=8.5 m，桥面采用2%横坡，斜交角度为10°；航道等级为7级，通航净宽18 m×3.5 m，最高通航水位1.639 m。图1为某简支梁桥墩立面图，图2为桥墩现场照片。

图1 某简支梁桥墩立面图

图2 桥墩现场照片

（1）根据现场回弹试验测得，桥梁墩柱强度实测值较设计强度相差较大。各墩柱实际强度推算值见表1。

表1 混凝土回弹强度汇总表

（2）该桥附近有水泥厂一个，重车行驶较多，对桥梁承载能力要求较高。

（3）部分桥墩和系梁由于施工和冲刷的因素造成有露筋，对于这种现象，应及时采取修补措施，以策安全。

（4）伸缩缝凹槽填入碎石等硬物，使得伸缩缝不能自由伸缩。

根据检测情况，从检测报告来看，部分桥墩的强度达不到设计要求，尤其1-1号、1-2号墩、4-1号及4-2号墩，由于碳化深度较大（普遍超过6 mm），混凝土强度推定值偏小。部分桥墩和系梁存在露筋现象，如果不及时进行加固及补强处理，必将影响结构的安全性和耐久性。

2 FRP环向缠绕加固桥墩设计

2.1 设计方案与原则

根据该桥梁桩基础所存在的病害情况，分析病害对结构耐久性、安全性的危害，并结合具体的工程特点，按以下原则考虑加固设计方案：

（1）对桥墩承载力补强加固。对露筋进行除锈、防锈处理，并采取有效的保护措施，避免病害进一步加深。

（2）加固设计方案应与施工方法紧密结合。

（3）加固后的桥梁，其结构的安全性、耐久性应能得到提高。

根据该工程基本资料及现场检测分析，该桥主要病害为桥墩承载能力不足。针对该结构病害，结合现场水文情况，桥墩全部位于水位线以上。拟采用碳纤维复合材料（CFRP）环向缠绕加固、修复墩柱技术进行加固处治。

2.2 加固设计要点

粘贴碳纤维复合材料（CFRP）修复、加固墩柱技术所采用的CFRP材料具有轻质高强、耐久性好的特点；该技术施工工艺简单，无需大型机械；工期短、成本低；施工期间不影响通航和交通；不影响结构外观；不增加结构自重。CFRP修复、加固墩柱技术适用于工民建结构柱及桥梁的桥墩等混凝土竖向结构由于设计施工缺陷、材料老化、荷载等级提高等原因导致的耐久性缺陷、承载力不足、抗震能力不足以及地震灾害后结构损伤的修复。

采用该技术，将碳纤维布环向缠绕在待加固桥梁墩柱的外侧，通过其对内部墩柱混凝土施加的约束作用，从而显著提高原墩柱结构的承载能力、耐久性能及抗震性能，具有传统加固技术诸多无法比拟的优势。

2.3 设计计算方法

根据该桥设计图纸及现场检测结果，通过CFRP约束加固后，要求加固后混凝土强度提高至30 MPa以上。该项目拟采用的CFRP材料名义厚度为0.167 mm，极限抗拉强度为3 400 MPa，弹性模量为250 GPa。

我国《公路桥梁加固设计规范》（JTG J22—2008）[10]规定，环向围束加固的轴心受压构件，承载能力应符合下列规定：

式中：fcd为原构件混凝土抗压强度设计值，可根据现场检测强度推算；fcc为FRP约束加固后混凝土强度；ρf为FRP环向围束体积比；Ef为FRP弹性模量；βc为混凝土强度系数，本项目取1.0；Acor为原构件截面有效面积；kc为环向围束的有效约束系数，本项目 kc=0.95；σ1为 FRP 有效约束应力；εfe纤维复合材料的有效拉应变设计值，取0.003 5。

将加固前、后混凝土抗压强度代入式（1）、（2），计算得各墩柱CFRP加固量（见表2）。

表2 FRP加固层数汇总表

该桥加固的核心问题除提高墩柱混凝土强度，提高其承载能力，另外一个重要问题是改善墩柱的使用及耐久性能，减少混凝土碳化进程，保护墩柱钢筋。因此，建议对该桥梁各墩柱粘贴1～3层碳纤维，对1-1号墩柱、1-2号墩柱、4-1号墩柱及4-2号墩柱适当增加。

综合考虑，最终方案如下：对2-1号墩柱、2-2号墩柱、3-1号墩柱、3-2号墩柱粘贴1层碳纤维，对1-1号墩柱、1-2号墩柱、4-1号墩柱及4-2号墩柱粘贴3层碳纤维。图3给出该桥梁部分桥墩加固方案示意图。

图3 桥墩加固方案示意图

3 FRP环向缠绕加固桥墩技术施工工艺

粘贴CFRP布加固墩柱是采用环氧树脂作为黏结剂，将碳纤维布环向缠绕并粘贴在待加固桥梁墩柱表面，黏结剂作为它们之间的连接媒介，共同形成新的复合体。使碳纤维布与原桥梁墩柱一起参与受力，以提高旧桥的承载能力。

粘贴碳纤维（CFRP）布加固墩柱技术施工工艺流程如图4所示，包括施工准备、混凝土表面处理、配制并涂刷浸渍树脂、环向粘贴碳纤维布、喷涂保护层等。

图4 工艺流程图

3.1 施工准备

在进行桥墩加固之前，应充分了解待加固桥梁墩柱的病害情况，正确掌握相关的施工工艺流程及施工注意事项，施工中所采用的材料及施工过程中的质量控制须符合设计要求。

3.2 混凝土表面处理

粘贴碳纤维布之前应先对原墩柱混凝土表面进行必要的处理，并在处理后的混凝土表面涂刷能够渗透到混凝土内的底层涂料，填平混凝土表面凹陷部位，从而达到表面平整，使碳纤维布与墩柱混凝土表面粘贴紧密，避免粘贴后起鼓。

混凝土表面的处理应满足以下要求：

（1）清除原墩柱混凝土表面的破损、劣化部分，露出结构坚实部位。

（2）对于存在锈蚀的外露钢筋应进行除锈处理。

（3）对经过剔凿、清理露筋的混凝土残缺部分，应进行修补、复原。

（4）修补处理原墩柱混凝土表面的裂缝。对于缝宽小于0.20 mm的裂缝，采用环氧树脂进行表面涂抹密闭；缝宽大于0.20 mm的裂缝用环氧树脂灌缝处理。

（5）对混凝土表面凸出及棱角部分进行打磨、削平，并及时清洗打磨过的混凝土表面。

（6）底层涂料应涂刷均匀，不得漏涂，涂料施工应结合气温条件，严禁添加溶剂稀释。温底低于5℃，相对湿度大于85%，混凝土表面含水率在8%以上，有结露可能时，无有效措施不得进行涂料施工。

3.3 配制并涂刷浸渍树脂

待原墩柱混凝土表面处理完毕且充分干燥后，用滚筒刷在碳纤维布表面均匀地涂刷浸渍环氧树脂。配置使用的环氧树脂应满足以下要求：

（1）施工过程中使用的环氧树脂要有足够的黏结性能。

（2）环氧树脂胶结料的种类、型号，应根据施工时的温度、湿度等条件进行选择。

（3）正确掌握主剂和固化剂的配比，使渗透性、黏稠度、固结速度等方面能满足不同季节施工的需要。

（4）树脂的主剂和固化剂应按规定的比例准确称量，装入容器用搅拌器搅拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完。

3.4 环向粘贴碳纤维布

待环氧树脂涂刷完毕，沿着处理过的桥墩表面环向粘贴碳纤维布，对于碳纤维布的粘贴应满足下列要求：

（1）碳纤维布的抗拉强度、弹性模量等性能指标必须符合设计规定和产品标准。

（2）粘贴碳纤维布时，纤维布需按规定裁剪，而且应满足气温、空气湿度、构件表面含水率等要求，粘贴前应确认粘贴表面充分干燥。当气温在5℃以下，相对湿度大于85%时，如无有效措施不可进行碳纤维布的粘贴施工。

（3）多层纤维布采用连续粘贴的方式，而且必须严格掌握粘贴的位置与搭接长度，纤维顺长方向接头搭接长度应大于10cm，搭接部位应多涂树脂，并注意进行脱泡、浸渗操作，在纤维宽度方向不需要搭接。

（4）粘贴时，碳纤维布和树脂之间尽量不要有空气，可用专用工具沿着纤维方向在纤维布上多次滚压，使树脂渗浸进纤维中。对于直径在10 mm以上30 mm以下的空鼓，每平方米少于10个方可认为合格；若每平方米空鼓大于10个，则认为不合格，需进行补修处理；对于直径大于30 mm的空鼓，一旦出现，即认为不合格，需要进行补修处理。

（5）施工30 min后，用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂，自然风干。

3.5 喷涂保护层

确保碳纤维布表面树脂已充分风干结合并初期固化后，在其表面喷涂5 mm厚的保护层，以确保加固后的外观质量及耐久性，保护层可采用黏结剂配合砂浆喷涂或直接采用与原桥墩混凝土颜色一致的喷漆涂装。

粘贴碳纤维（CFRP）加固墩柱整个工艺的关键在于纤维布粘贴的紧密性、牢固性，保证与原墩柱结构能够形成有机整体，共同工作，因此，必须保证施工中每道工序都要有利于CFRP布粘贴紧密，且必须把握好每道工序施工的间隔时间，防止纤维布起鼓、脱离、错位。另外，碳纤维布粘贴完后应严格遵守自然养护的时间要求。

按照上述加固方案，在2016年5月20日至2016年5月30日对桥梁6个桥墩进行了加固，投入工人5人，工期10 d，造价不足8万元，工程顺利完成，达到了加固目的。桥梁桥墩加固施工现场及施工过程如图5所示。

图5 桥墩加固施工过程

4 结论

粘贴纤维复合材料（FRP）加固墩柱技术所采用的CFRP材料具有轻质高强、耐久性好的特点；该技术施工工艺简单，无需大型机械；工期短、成本低；施工期间不影响通航和交通；不影响结构外观；不增加结构自重。纤维复合材料修复、加固墩柱技术适用于工民建结构柱及桥梁的桥墩等混凝土竖向结构由于设计施工缺陷、材料老化、荷载等级提高等原因导致的耐久性缺陷、承载力不足、抗震能力不足以及地震灾害后结构损伤的修复。该技术将纤维布环向缠绕在待加固桥梁墩柱的外侧，通过其对内部墩柱混凝土施加的约束作用，从而显著提高原墩柱结构的承载能力、耐久性能及抗震性能，具有传统加固技术诸多无法比拟的优势。