CFRP粘貼加固技術(shù)-吳海軍

粘貼CFRP加固技術(shù)

吳海軍博士，副教hj_tj@126.com583921237@重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院嚴(yán)格遵守規(guī)范的強(qiáng)制性條文，針對(duì)加固工程的具體情況，合理運(yùn)用規(guī)范，對(duì)可能影響到工程安全的指標(biāo)應(yīng)該首先得到滿足克服加固設(shè)計(jì)“只對(duì)規(guī)范負(fù)責(zé)，不對(duì)工程負(fù)責(zé)”的做法加固規(guī)范中的要求只是最低要求加固工程本身有更高的技術(shù)要求，一定不能低于規(guī)范的基本標(biāo)準(zhǔn)楔子基本原理用黏結(jié)膠將CFRP片材牢固地粘貼在橋梁的受拉區(qū)或薄弱部位，與結(jié)構(gòu)形成整體，變形協(xié)調(diào)，共同受力，恢復(fù)或提高結(jié)構(gòu)的承載力，改善延性，并減少裂縫擴(kuò)展材料性能設(shè)計(jì)方法施工技術(shù)檢驗(yàn)、驗(yàn)收粘貼CFRP加固技術(shù)現(xiàn)代復(fù)合材料以20世紀(jì)40年代GFRP（玻璃鋼）的出現(xiàn)為標(biāo)志。目前已研發(fā)出了具有各種優(yōu)異性能的聚合物基復(fù)合材料，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料。在航空航天領(lǐng)域、現(xiàn)代國防工業(yè)中FRP首先得到發(fā)展、應(yīng)用。在民用工業(yè)如機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑工業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)、體育等領(lǐng)域，F(xiàn)RP由于其優(yōu)異性能而得到廣泛應(yīng)用。釣魚桿，高爾夫球棒，網(wǎng)球拍， 羽毛球拍，賽車，賽艇，火箭殼體 衛(wèi)星用結(jié)構(gòu)材料，飛機(jī)剎車片一、CFRP片材CFRP，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維布，Sheet碳纖維板，Plate碳纖維密度1.6~2.18g/cm3，抗拉強(qiáng)度1~7GPa，彈性模量100~800GPa，單絲直徑5~7微米，每束1K~24K根單絲一、CFRP片材片材，Laminate

絲束布材板材棒材優(yōu)點(diǎn)：輕質(zhì)高強(qiáng)重量輕（密度比鋁小），強(qiáng)度高（為鋼材的10倍）；防腐蝕與混凝土粘結(jié)性能好（承受壓應(yīng)力不會(huì)剝落），抗疲勞性能優(yōu)良不增加恒載及斷面尺寸；不減少橋下凈空施工方便，成型方便，可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀環(huán)氧樹脂黏結(jié)，不需要錨固螺栓，對(duì)原結(jié)構(gòu)無新的損傷能靈活應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗壓加固缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量受環(huán)境影響：溫度、濕度一、CFRP片材一、CFRP片材FRP片材代替鋼板加固始于20世紀(jì)80年代德國，Kattenbusch大橋（1986-87）瑞士，Ibach橋，1991美國，洛杉磯2號(hào)、5號(hào)公路橋梁的橋柱，經(jīng)FRP修補(bǔ)后經(jīng)歷了1994年北嶺大地震而完好如初日本，F(xiàn)RP圍束補(bǔ)強(qiáng)RC橋柱、梁板及煙囪，1995中國，建筑物加固，19981994年美國洛杉磯大地震，1995年日本阪神大地震，粘貼FRP片材的加固方法廣泛應(yīng)用于橋梁、高層建筑抗震、防震的加固補(bǔ)強(qiáng)方面一、CFRP片材規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)JTG/TJ22－2008：公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范，交通運(yùn)輸部JTG/TJ23－2008：公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范，交通運(yùn)輸部GB50367－2006：混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范，建設(shè)部JT/T532－2004：橋梁結(jié)構(gòu)用碳纖維片材，交通部CECS146－2003：碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)連續(xù)纖維材料補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)及施工規(guī)程，日本土木工程學(xué)會(huì)，1996ACICommittee440-F.GuidelinesfortheSelection,DesignandInstallationofFiberReinforcedPolymer(FRP)SystemsforExternallyStrengtheningConcreteStructures.1999二、設(shè)計(jì)方法一般規(guī)定可用于鋼筋砼受壓柱加固，提高承載力、延性、耐久性可用于鋼筋砼梁、板加固，提高抗彎、抗剪承載力

僅發(fā)揮30%的強(qiáng)度性能 預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件發(fā)揮性能更低 預(yù)應(yīng)力CFRP粘貼CFRP加固時(shí)纖維方向沿 混凝土最大主拉應(yīng)力方向二、設(shè)計(jì)方法一般規(guī)定不能用于素混凝土構(gòu)件的加固不能用于配筋率低于《橋規(guī)》最小配筋率構(gòu)件的加固不能用于提高剛度的加固不能用于受沖剪作用和支座局部承載力不足構(gòu)件的加固對(duì)加固結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度有要求，以保證黏結(jié)效果，防止過早出現(xiàn)CFRP剝離破壞，如果CFRP用于封閉裂縫，則無要求 受壓柱：不低于C15

梁板：不低于C25加固時(shí)卸除部分荷載可提高加固效果，必須限制活載二、設(shè)計(jì)方法一般規(guī)定加固設(shè)計(jì)計(jì)算，必須進(jìn)行分階段受力和整橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，保證新舊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等滿足《橋規(guī)》加固后構(gòu)件的承載力由原構(gòu)件受拉鋼筋（預(yù)應(yīng)力鋼束）或受壓混凝土的強(qiáng)度控制，而不是CFRP的強(qiáng)度對(duì)受彎構(gòu)件，加固后的承載力提高幅度不宜超過40%，防止斜截面剪切脆性破壞先于正截面彎曲破壞發(fā)生必要時(shí)采用可靠的錨固措施： 粘貼CFRP壓條，錨栓錨固鋼板壓條、角鋼 構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)，CFRP與混凝土之間不發(fā)生黏結(jié)剝離破壞二、設(shè)計(jì)方法受壓構(gòu)件加固軸心受壓構(gòu)件：可采用全長無間隔環(huán)向 連續(xù)粘貼CFRP加固，即環(huán)向圍束法圓形截面最有效，橢圓形次之，矩形最差環(huán)向圍束的有效約束系數(shù)圓形截面柱：長細(xì)比l/D≤12矩形截面柱：長細(xì)比l/b≤14，截面高寬比h/b≤1.5

且截面棱角經(jīng)圓化打磨，防止CFRP應(yīng)力集中發(fā)生破壞墩柱延性加固：提高抗震性能CFRP環(huán)向圍束，等同于附加箍筋，提高體積含筋率二、設(shè)計(jì)方法大偏心受壓構(gòu)件加固在受拉面粘貼CFRP，承擔(dān)部分拉應(yīng)力纖維方向與柱縱軸線方向一致受拉構(gòu)件加固軸心受拉構(gòu)件：CFRP等同于附加受力鋼筋大偏心受拉構(gòu)件：在受拉面粘貼CFRP，承擔(dān)部分拉應(yīng)力二、設(shè)計(jì)方法受彎構(gòu)件加固對(duì)加固前、加固后兩個(gè)階段進(jìn)行受力計(jì)算 加固前：恒載+施工荷載 加固后：恒載+活載達(dá)到受彎承載能力極限狀態(tài)時(shí)，按平截面假定確定CFRP的拉應(yīng)變，且其本構(gòu)方程為線彈性關(guān)系構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)，CFRP與混凝土之間不發(fā)生黏結(jié)剝離破壞二、設(shè)計(jì)方法受彎構(gòu)件加固正截面抗彎加固：在受拉面粘貼CFRP，承擔(dān)部分拉應(yīng)力，等同于附加受力鋼筋二、設(shè)計(jì)方法受彎構(gòu)件加固斜截面抗剪加固：CFRP纖維方向平行于最大主拉應(yīng)力方向達(dá)到最大加固效果，通過承擔(dān)部分拉應(yīng)力達(dá)到減輕混凝土剪應(yīng)力的目的采用封閉式粘貼或U形粘貼時(shí)，纖維方向與構(gòu)件軸線垂直二、設(shè)計(jì)方法構(gòu)造要求CFRP粘貼成條帶狀，纖維布不超過3層，纖維板不超過2層碳纖維布沿纖維受力方向搭接長度大于100mm，搭接平順、無翹曲搭接位置避開構(gòu)件應(yīng)力最大區(qū)域，且相互錯(cuò)開超過200mm碳纖維板不能搭接CFRP繞過構(gòu)件外倒角時(shí)打磨成圓弧面 圓化半徑：梁不小于20mm，柱不小于25mm主要受力CFRP不能繞過內(nèi)倒角二、設(shè)計(jì)方法r構(gòu)造要求多層粘貼時(shí)，按內(nèi)短外長式逐層截?cái)?，并且在端部施加壓條，防止應(yīng)力集中引起的端部剝離破壞二、設(shè)計(jì)方法≥200mm第一層第二層第三層構(gòu)造要求斜截面抗剪加固時(shí)，采用環(huán)形箍或加錨固的U形箍僅構(gòu)造要求時(shí)，可采用一般的U形箍U形箍纖維受力方向與構(gòu)件軸向垂直可在梁的中部增設(shè)一道縱向中壓帶二、設(shè)計(jì)方法柱的加固沿柱軸向粘貼CFRP加固時(shí)，兩端設(shè)置錨固措施，錨固長度足夠環(huán)形圍束對(duì)柱進(jìn)行延性加固：條帶粘貼成環(huán)形箍，纖維方向與柱的縱軸線垂直環(huán)向圍束的CFRP層數(shù)，圓形截面不少于2層，矩形截面不少于3層各條帶搭接位置相互錯(cuò)開環(huán)向圍束上下層之間搭接寬度≥50mm，端部富余超過200mm的安全長度二、設(shè)計(jì)方法梁、板的加固梁進(jìn)行抗彎加固時(shí)，CFRP粘貼在混凝土受拉區(qū)底面，側(cè)面粘貼時(shí)不高于1/4梁高兩端設(shè)置U形箍或橫向壓條切斷位置距強(qiáng)度充分利用截面的距離足夠，不小于黏結(jié)長度ld二、設(shè)計(jì)方法梁、板的加固當(dāng)CFRP延伸到支座邊緣仍不滿足黏結(jié)長度ld時(shí)，采取錨固措施：對(duì)于梁：延伸長度范圍內(nèi)至少2道U形箍對(duì)于板：延伸長度范圍內(nèi)至少2道壓條當(dāng)CFRP黏結(jié)長度低于ld/2

時(shí)，采取附加機(jī)械錨固措施二、設(shè)計(jì)方法動(dòng)態(tài)施工原則施工前： 結(jié)合橋梁檢測(cè)報(bào)告、加固設(shè)計(jì)，對(duì)加固橋梁技術(shù)狀況、病害情況進(jìn)行復(fù)查，并報(bào)送業(yè)主、設(shè)計(jì)單位 如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷或與設(shè)計(jì)不相符的情況，通知設(shè)計(jì)單位修改方案施工中： 注意異常響應(yīng)，若出現(xiàn)異常變形、裂縫有較大較快發(fā)展，應(yīng)立即停止施工，采取有效措施進(jìn)行處理完工后： 檢驗(yàn)加固效果，特大橋和技術(shù)復(fù)雜橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)三、施工技術(shù)施工準(zhǔn)備技術(shù)交底、橋梁復(fù)查材料檢驗(yàn)： 特別是CFRP、黏結(jié)膠性能及適配性檢驗(yàn) 材料是否滿足施工、使用環(huán)境的要求儀器標(biāo)定、設(shè)備校驗(yàn)三、施工技術(shù)施工組織設(shè)計(jì)注意環(huán)境溫度、濕度對(duì)施工的影響 溫度高于5oC，相對(duì)濕度低于90%注意交通組織對(duì)施工的影響注意交通堵塞等突發(fā)事件的應(yīng)急預(yù)案注意施工人員的安全保護(hù)、健康保護(hù)注意環(huán)境保護(hù)三、施工技術(shù)施工安全與環(huán)境保護(hù)配制黏結(jié)膠的易燃原料密封保存，遠(yuǎn)離火源配膠、用膠場(chǎng)所通風(fēng)良好，嚴(yán)禁吸煙、明火取暖使用強(qiáng)光燈泡、碘鎢燈照亮?xí)r，采取燈管加罩保護(hù)的安全措施，以防止燈管爆炸而引起火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)穿工作服，戴安全帽，同時(shí)還須佩戴口罩和手套注意CFRP為導(dǎo)電材料： 裁剪及使用碳纖維布時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源，尤其是高壓電線及輸電線路施工現(xiàn)場(chǎng)不進(jìn)食、不吸煙。離開現(xiàn)場(chǎng)前應(yīng)洗手，皮膚沾有漿液的，可用熱水、肥皂或酒精溶劑擦干凈。黏結(jié)膠貼著皮膚時(shí)，可先用鋸木面、砂或去污粉擦去后，再用熱水沖洗干凈，不得用丙酮等滲透性較強(qiáng)的溶劑洗滌，防止有毒物質(zhì)深入皮膚三、施工技術(shù)施工安全與環(huán)境保護(hù)施工單位必須具備特種工程資質(zhì)加固施工嚴(yán)禁對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷，特別是施工平臺(tái)的搭設(shè)加強(qiáng)與交管部門的聯(lián)系，盡量減小交通管制對(duì)社會(huì)的影響交通管制標(biāo)志、施工標(biāo)志等安全設(shè)施齊全、規(guī)范夜間施工的安全保障措施粘貼CFRP用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)必須封閉交通，若僅為封閉裂縫則可開放交通，但應(yīng)采取限載、限速措施，并充分利用交通量較小或夜間時(shí)段組織施工工地配備消防設(shè)施完工后工地現(xiàn)場(chǎng)和橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)不能遺留有害化學(xué)物質(zhì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境三、施工技術(shù)施工流程施工準(zhǔn)備、橋梁卸載底層處理涂刷底膠涂刷浸漬膠或粘貼膠粘貼CFRP表面處理三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)底層處理裂縫修補(bǔ)膠灌注裂縫根據(jù)設(shè)計(jì)放線定位清除混凝土表面剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化部分用修補(bǔ)材料將混凝土表面凹凸部位修復(fù)平整打磨，混凝土浮漿層打掉，露出骨料陽角、陰角打磨成圓弧狀清潔處理，可用吹風(fēng)機(jī)清潔處理，再用棉紗蘸丙酮擦洗

三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)底層處理膠黏劑開始施工后嚴(yán)禁濕作業(yè)滲水處必須先采取防水措施，完全干燥后才能施工雨天或空氣潮濕條件下不能施工，如確需在潮濕的構(gòu)件上施工，必須烘干構(gòu)件表面，或使用專用的膠黏劑施工在5~35℃環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度低于5℃時(shí)使用適用于低溫環(huán)境的配套樹脂或采用升溫處理措施三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)底層處理三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)涂刷底膠按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制底膠主劑與固化劑在包裝桶內(nèi)分別攪拌均勻，然后置于潔凈容器中，精確稱重計(jì)量（重量比）電動(dòng)攪拌器均勻攪拌約3分鐘，至色澤均勻?yàn)橹赝环较驍嚢?，避免混入空氣形成氣泡根?jù)現(xiàn)場(chǎng)氣溫決定用量（<1.5kg）并嚴(yán)格控制使用時(shí)間三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)涂刷底膠用一次性軟毛刷或特制滾筒將底膠均勻涂抹于混凝土表面，不得漏刷、流淌、有氣泡，用塑料刮板修正毛刺、流淌底膠表面的毛刺用砂紙打磨平順若膠層磨損，應(yīng)重新涂刷底膠指觸干燥后即可進(jìn)行下一工序，若涂刷時(shí)間超過7d，應(yīng)清除原底膠重新涂刷 指觸干燥：手指觸摸表面，有凝膠感但不粘附皮膚注意保持施工平臺(tái)整潔，防止漂浮灰塵黏附在膠層表面三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)粘貼碳纖維布根據(jù)設(shè)計(jì)放線定位，多層粘貼時(shí)注意區(qū)分各層的位置按設(shè)計(jì)要求的尺寸，裁剪碳纖維布，呈卷狀妥善擺放并編號(hào) 注意保留搭接長度，搭接位置避開主要受力區(qū)混凝土表面再次擦拭清潔，確保粘貼面無粉塵按工藝規(guī)定配制浸漬膠，均勻涂刷于所要粘貼的部位，做到膠體不流淌，不出控制線粘貼碳纖維布，遵循立面由上到下、仰面從一端到另一端的順序進(jìn)行，用專用滾筒順纖維方向從一端向另一端多次滾壓，擠除膠體與纖維布之間的氣泡，使浸漬膠充分滲入纖維布，浸潤飽滿三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)粘貼碳纖維布滾壓起始端需要人工牢固固定碳纖維布滾壓時(shí)不得往返滾壓，不得損傷碳纖維布選用的滾筒在滾壓過程中不產(chǎn)生靜電，防止拉扯纖維絲多層粘貼重復(fù)上述步驟，在纖維表面浸漬膠指觸干燥后立即進(jìn)行下一層的粘貼；最后一層碳纖維布粘貼結(jié)束后，纖維表面浸漬膠指觸干燥后均勻涂抹一層浸漬膠，自然風(fēng)干做防護(hù)面層檢查粘貼質(zhì)量，翹曲、空鼓部位處理三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)粘貼碳纖維布三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)粘貼碳纖維板根據(jù)設(shè)計(jì)放線定位，多層粘貼時(shí)注意區(qū)分各層的位置按設(shè)計(jì)要求的尺寸，裁剪碳纖維板混凝土表面再次擦拭清潔，確保粘貼面無粉塵將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵；如需粘貼兩層時(shí)，對(duì)底層碳纖維板兩面均應(yīng)擦拭干凈按工藝規(guī)定配制粘貼膠，擦拭干凈的碳纖維板立即涂刷粘結(jié)膠，膠層呈突起狀，平均厚度不小于2mm將涂有粘結(jié)膠的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無空洞三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)粘貼碳纖維板當(dāng)平行粘貼多條碳纖維板時(shí)，兩板之間空隙應(yīng)不小于5mm需粘貼兩層碳纖維板時(shí)，應(yīng)連續(xù)粘貼。如不能立即粘貼，再次開始粘貼前應(yīng)對(duì)底層碳纖維板重新做好清潔工作檢查粘貼質(zhì)量，端部翹曲、空洞部位處理粘貼碳纖維板加固時(shí)不能搭接，按設(shè)計(jì)尺寸一次下料三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)粘貼碳纖維板三、施工技術(shù)施工工藝要點(diǎn)表面處理表面防紫外線輻照、防火處理，保證防護(hù)材料與碳纖維片材之間有可靠的黏結(jié)色彩美觀處理三、施工技術(shù)三、施工技術(shù)三、施工技術(shù)施工質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制CFRP、膠黏劑進(jìn)場(chǎng)前性能檢驗(yàn)