桥梁检测评定与加固技术（第2版） 课件 第8章 8.4 粘贴纤维复合材料（FRP）加固技术

第八章桥梁上部结构的改造与加固技术——粘贴纤维复合材料(FRP)加固技术南京林业大学江苏·南京粘贴纤维复合材料（FRP）加固技术技术原理与特点应用原理：将FRP布用专用的树脂类粘结胶粘贴在待加固混凝土结构的表面，共同受力、充分发挥FRP的高强度抗拉作用，有效地提高被加固构件的抗弯承载力、抗剪承载力及抗震能力粘贴纤维复合材料(FRP)加固技术原理图抗剪加固FRP抗弯加固FRP(1)碳纤维布(2)树脂粘结胶(3)纤维布粘贴过程技术原理与特点与传统的桥梁加固方法相比，纤维复合材料加固技术有显著优势：轻质、高强、施工便捷、不受构件形状限制、不改变截面尺寸、FRP加固对原结构不产生损伤、优异的耐久性能、不增加自重、不减小净空、具有良好的适应性纤维复合材料加固技术的缺点：易发生粘结、剥离破坏最终破坏模式为脆性破坏不适用于低强度混凝土加固：混凝土等级不得低于C15不防火：不适用于长期使用温度过高环境(60℃)对早期刚度提高不明显对受损严重构件加固效果不是十分有效技术原理与特点预应力FRP加固技术与普通粘贴FRP加固技术相比的优势：可以较大提高结构的开裂荷载、屈服荷载，提高构件的刚度、减小变形，有效抑制裂缝的形成开展，明显改善结构的工作性能，进一步发挥FRP的高强性能预应力纤维复合材料(FRP)加固技术预应力FRP加固技术为了预应力的张拉与锚固，必须配套使用机械锚固类专用锚具来夹持预应力FRP材料，由于FRP材料的抗剪强度低，容易在夹持部位破坏，FRP材料的锚具是关键常用机械锚固类专用锚具大体分为平板锚具、夹片式锚具、波形夹板式锚具。(a)平板锚具(b)弧形夹片式锚具(c)波形夹片式锚具FRP类型按原材料分按结构形式分按材料性能分玻璃纤维(GlassFRP)GFRP碳纤维(CarbonFRP)CFRP芳纶纤维(ArimidFRP)AFRP连续玄武岩纤维(BasaltFRP)BFRP片材型材棒材高强度，如高强CFRP，强度为4000MPa高弹模，如高弹模CFRP，弹模为640GPa高延性，如高延性DFRP，极限应变为3.5％短切纤维材料性能(c)玻璃纤维(白色)(b)碳纤维(黑色)(a)芳纶纤维(黄色)根据需要，可将纤维单丝织成不同几何形状的纤维织物，纤维方向可以是单向的，也可以是双向的，它决定了纤维织物的不同方向特性材料性能典型纤维布外观(d)布材(sheets)(e)网格(grids)(b)筋材(cables)(c)索材(strands)(a)管材(tubes)(f)丝束(tows)按外形分FRP种类示意图材料性能(a)试样裁剪(b)试样制备(c)拉伸测试材料性能常用FRP材料拉伸应力-应变关系曲线材料性能纤维复合材料抗拉强度标准值及弹性模量品种等级或代号抗拉强度标准值（MPa）弹性模量（MPa）单向织物（布）单向织物单向织物条形板碳纤维复合材料高强度Ⅰ级34002.3×1052.3×1052400高强度Ⅱ级30002.0×1052.0×1052000高强度Ⅲ级18001.8×1051.8×105

芳纶纤维复合材料高强度Ⅰ级21001.1×1051.1×1051200高强度Ⅱ级18000.8×1050.8×105800玻璃纤维复合材料高强玻璃纤维22000.7×1050.7×105

无碱玻璃纤维、耐碱玻璃纤维15000.5×1050.5×105

黏结材料要求：足够的刚度和韧性，一定时间固化，适宜的流动性和粘度。德国慧鱼三合一胶国产底涂胶日本进口浸渍胶底涂胶找平胶浸渍树脂

罩面胶粘贴一般分四层涂胶粘结材料用于混凝土表面，既可以强化混凝土表面强度，又可以改进胶结性能，使混凝土与纤维布能够很好的黏结底涂胶必须具有很低的黏度，以便涂刷后，胶黏剂能够渗入混凝土结构中底涂胶当混凝土表面不够平整时，要用找平胶修复，以便使碳纤维布能够平直的粘贴在混凝土表面。应具有良好的施工性能与触变性能(易于施工、防止滴挂)找平胶粘结材料连接底胶与纤维布，在黏结材料中起着至关重要作用的关键材料浸渍树脂应具有一定的黏度，防止粘贴的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙浸渍树脂应具有良好的触变性，易于施工且不会发生明显的流淌现象浸渍树脂应具有良好的渗透性与相容性，以利于浸透纤维布，形成复合性整体，共同抵抗外力的作用浸渍树脂粘结材料性能项目性能要求A级胶B级胶胶体性能劈裂抗拉强度(MPa)≥40≥30受拉弹性模量(MPa)≥2500≥1500伸长率(%)≥1.5抗弯强度(MPa)≥50≥40且不得呈脆性(碎裂状)破坏抗压强度(MPa)≥70粘结能力钢-钢拉伸抗剪强度标准值(MPa)≥16≥13钢-钢不均匀扯离强度(kN/m)≥20≥15(-)与混凝土的正拉粘结强度(MPa)≥max{2.5,ftk}，且为混凝土内聚破坏不挥发物含量(固体含量)(%)≥99纤维复合材浸渍/粘结用胶粘剂安全性能指标(b)抗压试件

(a)抗拉试件

粘结材料罩面胶所选材料应能涂敷在碳纤维布表面，不脱层，不掉落，能长期在冷热干湿的空气中稳定，能防止复合材料被紫外线直接照射。罩面材料的选择范围较大，丙烯酸体系、聚氨酯体系、不饱和聚酯体系、有机硅、有机氟体系等都适合外贴纤维复合材料加固钢筋混凝土结构构件时，应将纤维受力方式设计成仅承受拉应力作用，纤维应粘贴于结构截面的受拉部分，如受弯构件的受拉侧及侧面靠近受拉边缘抗弯加固粘贴纤维抗弯加固粘贴方式主要途径和施工工艺采用纤维复合材料对受弯构件的斜截面受剪承载力进行加固时，应粘贴成垂直于构件轴线方向的环形、U型、双L型、I型等当不能粘贴呈封闭的环形时，应在条带自由端粘贴压条锚固仅在侧面粘贴时，也可沿着斜截面主拉应力方向斜向粘贴粘贴纤维抗剪加固几种粘贴形式抗剪加固

(a)粘贴纤维抗剪加固压条构造(b)粘贴纤维抗剪加固不同角度抗剪加固搭设施工支架基层处理涂刷底胶基层整平粘贴碳纤维布或板表面防护荷载部分卸除粘贴纤维复合材料加固工艺流程FRP加固工艺流程预应力FRP加固工艺流程通过对纤维布或纤维板施加预应力并锚固于待加固桥梁结构表面实现，实际工程中，以预应力FRP板加固应用最多（a）锚具固定锚栓植入（b）锚具安装（c）FRP板安装预应力FRP加固工艺流程放线植入锚具锚栓锚具安装配置FRP胶黏剂粘贴FRP板张拉FRP板基层处理成品保护（d）张拉FRP板（e）张拉完成效果纤维复合材料加固设计构造时应符合下列有关规定：纤维复合材料宜粘贴成条带状，非围束时板材不宜超过2层，布材不宜超过3层加固受拉构件，纤维方向应与构件受拉方向一致。梁的受拉区两侧粘贴纤维复合材料进行抗弯加固时，粘贴高度不宜高于1/4梁高采用封闭式粘贴或U形粘贴对梁、柱构件进行斜截面加固，纤维方向宜与构件轴线垂直或与其主拉应力方向平行设计构造纤维复合材料沿纤维受力方向的搭接长度不应小于100mm；当采用多条纤维复合材加固时，其搭接位置应相互错开纤维复合材料绕过构件(截面)的外倒角时，构件的截面棱角应在粘贴前打磨成圆弧面。圆弧化半径，梁不应小于20mm，柱不应小于25mm(a)纤维布搭接长度和搭接间距的要求(b)倒角构造1-构件2-纤维复合材料对于主要受力纤维复合材料不宜绕过内倒角。粘贴多层纤维复合材料加固时，宜将纤维复合材料逐层截断，并在每层截断处最外侧加压条，其粘贴形式采用内短外长式多层纤维复合材料粘贴构造设计构造采用纤维复合材料对钢筋混凝土梁或柱的斜截面承载力进行加固时，宜选用环形箍或加锚固的U形箍，一般情况下，在梁的中部应增设一道纵向中压带对梁、板进行抗弯加固时，可在纤维复合材料两端设置U形箍或横向压条。其切断位置距其充分利用截面的距离不应小于按下式计算得出的黏结长度ld不满足ld要求时，应采取相应锚固措施对钢筋混凝土柱进行粘贴纤维复合材料加固时，条带应粘贴成环形箍，且纤维方向应与柱的纵轴线垂直设计构造U形箍：宜在延伸长度范围内均匀布置，宽度和厚度不宜小于加固纤维的1/2FRP端部附加锚固U型箍压条：宜在延伸长度范围内均匀布置，宽度和厚度不宜小于加固纤维的1/2附加机械锚固：为保证FRP可靠地与被加固构件共同工作，必要时应采取附加机械锚固措施。纤维复合材料（FRP）压条沿柱轴向粘贴纤维复合材料加固时，应有足够的锚固长度。必要时可在纤维复合材料两端增设锚固措施采用纤维复合材料的环向围束对钢筋混凝土柱进行延性加固时，其构造应符合下列规定环向围束的纤维复合材料层数，对圆形截面不应少于2层，对矩形截面不应少于3层环向围束上下层之间的搭接宽度不应小于50mm，纤维织物环向截断点的延伸长度不应小于200mm，且各条带搭接位置应相互错开加固大偏心受压构件，可将纤维复合材料粘贴于构件受拉区边缘混凝土表面，纤维方向应与柱的纵轴线方向一致此外，当梁的承载力提升量需求较大时，混凝土与纤维复合材料的界面粘结强度有限，采用单一的粘贴纤维复合材料加固易产生粘结滑移破坏，纤维复合材料的强度无法充分发挥考虑其具有的良好适应性，可协同其他传统加固方式(如外包角钢、设置体外预应力等)，以满足钢筋混凝土梁的重载加固需求，形成特种综合加固构造（a）梁端（b）跨中（c）跨中截面FRP与外包角钢、体外预应力联合的综合加固技术对钢筋混凝土受弯构件进行抗弯加固时，除应遵守现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG-D62)相关假定外，尚应遵守下列规定受弯构件的作用荷载效应应按两个阶段受力进行计算第一阶段为加固前，作用(或荷载)应包括原构件自重在内的实际荷载及施工荷载第二阶段为加固后，作用(或荷载)应考虑包括构件自重在内的恒载、二期作用的恒载及使用阶段的可变作用作用效应组合系数取值：恒载的荷载效应分项系数取1.2；使用阶段的可变作用效应分项系数按现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG-D60)取用计算原理达到受弯承载能力极限状态时，按平截面假定确定纤维复合材料的拉应变εf，且纤维复合材料的拉应变εf不应超过纤维复合材料的允许拉应变[εf

]纤维复合材料应力δf

取拉应变εf与弹性模量Ef的乘积，即δf=Efεf构件达到正截面承载能力极限状态时，纤维复合材料与混凝土之间不应发生黏结剥离破坏计算原理对矩形截面或翼板位于受拉边的钢筋混凝土T形截面受弯构件在受拉面粘贴加固时，正截面承载力按下列公式计算：当混凝土受压区高度

x大于

，且小于

时：

混凝土受压区高度x和受拉面纤维复合材料拉应变εf按下列公式联立求解：计算原理计算原理当混凝土受压区高度x<时，当混凝土受压区高度x<2时

计算原理纤维复合材料达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度按下列公式计算：计算原理加固前在第一阶段弯矩Md1作用下，截面受拉边缘混凝土的初始应变ε1(纤维复合材料的滞后应变)按下列公式计算：当弯矩Md1小于未加固截面受弯承载力的20%时，可忽略二次受力影响

——纤维复合材料的允许拉应变，取=Km

，且不应大于纤维复合材料极限拉应变的2/3和0.007两者中的较小值，其中为纤维复合材料的极限拉应变，Km为纤维复合材料强度折减因子，取Km1与Km2中的较小值，Km1由下列公式计算，Km2取值见下表环境分类片材类型折减系数Ⅰ类碳纤维0.85芳纶纤维0.75玻璃纤维0.65Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类碳纤维0.85芳纶纤维0.70玻璃纤维0.50

采用纤维复合材料对梁、板构件进行斜截面加固时其斜截面承载能力计算应满足下列要求：

抗剪加固粘贴FRP抗剪加固计算

采用预应力FRP板对梁、板等受弯构件进行加固时，其预应力损失应按《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）计算预应力损失计算（1）锚具变形和FRP板内缩引起的预应力损失值σl1（2）预应力FRP板的松弛损失σl2（3）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失值σl3（4）由季节温差造成的温差损失σl4粘贴FRP的矩形截面正截面受弯承载力受弯构件加固后的相对界限受压区高度预应力纤维复合材料的矩形截面正截面受弯承载力计算粘贴纤维复合材料加固箱梁某桥为连续刚构连续梁结构，主桥形式为65＋160＋210＋160＋65＝660m的5跨预应力连续刚构连续梁结构，引桥为35米预应力Ｔ梁结构该桥建成通车后，交通量增长迅速。通过对该桥的检査，发现主