・综　述・纤维增强复合材料嵌入式加固技术3岳清瑞　李庆伟　杨勇新(国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心　北京　100088) 摘　要:纤维增强复合材料嵌入式加固方法近几年来在国外得到了广泛的研究与应用。

介绍了此项技术的研究、应用状况,并详细阐述了嵌入式加固方法的特点、施工方法以及施工中需要注意的问题。

嵌入式加固方法施工方便快捷、防火性能好、能防止人为或环境因素的破坏,是一种有效的加固方法,值得在我国进行研究、推广和应用。

关键词:纤维增强复合材料　嵌入式(NS M )　加固　结构　施工步骤　工程应用TECHNIQUE OF STRUCTURES STRENGTHENE D WITHNEAR SURFACE MOUNTE D FRPY ue Qingrui Li Qing wei Y ang Y ongxin(National Engineering Research Center of Industrial Building Diagnosis and Rehabilitation Beijing 100088)Abstract :T echnique of structures strengthened with near surface m ounted (NS M )FRP has been studied and applied widely in abroad recent years.This paper introduces the research and applications of this technology ,discusses the characters of this technique ,construction process ,and s ome problems that merit attention in field application.NS M method is convenient and can prevent structures from fire or destruction of other factors.NS M method is effective and w orthy of being researched and applied in our country.K eyw ords :FRP near surface m ounted (NS M )　strengthening structures construction process field application3国家863计划项目(编号2001AA336010)、2003年科研院所技术开发研究专项资金项目(编号2003EG 213003)资助。

第一作者:岳清瑞　男　1962年1月出生　教授级高级工程师收稿日期:2003-09-20 我国有大量的建筑物因种种原因需要维修加固,因此,探寻更为有效的加固方法成为土木工程界的研究热点。

近几年来,嵌入式(Near Surface M ount 2ed ,简称NS M )加固方法在国外得到了广泛的研究和应用。

所谓嵌入式加固方法是将加固材料放入结构表面预先开好的槽中,并向槽中注入粘结材料使之形成整体,以此来改善结构性能的方法。

在20世纪40年代末瑞典的Asplund [1]曾用此项技术加固瑞典一座桥梁。

他把钢筋置于在混凝土结构表面所开的槽中,在槽中灌入水泥浆,然后用喷浆混凝土覆盖进行表面处理。

然而,由于水泥浆的粘结性能不是很好,所以加固部分与原结构的粘结效果不太好,从而影响了加固效果。

正是由于材料的限制,使得这项技术在当时没有推广。

随着材料产业日新月异的发展,新型材料不断出现,嵌入式方法也逐渐发展起来。

20世纪60年代,研究人员开始在槽中注入环氧树脂来粘结钢筋,然而钢筋的易锈蚀性使得表面需要较厚的保护层[2]。

当FRP 材料出现后,嵌入式加固方法才真正显示出了其优良的加固效果。

研究人员开始采用FRP 筋或板带代替钢筋应用于嵌入式加固方法中,与钢筋相比,其优势不言自明:FRP 材料轻质高强,施工方便,省时省力;耐腐蚀,不象钢筋那样需要较厚的保护层;形状、规格可以根据实际工程的要求定做。

嵌入式加固方法近年来在国外工程中得到较多的应用,尤其是在混凝土结构加固工程中的应用尤其广泛。

Hakan Nordin [2]于1999年秋天用嵌入式方法加固了瑞典一座桥梁的桥板,材料为CFRP 板带(规格为35mm ×5mm ),工程开槽尺寸为40mm ×8mm ,加固效果令人十分满意。

Alkhrdaji[3]等人在1998年对美国正在使用中的J -857桥梁进行加固,其中有3块混凝土实心板是用嵌入式方法加固,应用CFRP 砂磨筋,直径约11mm ,开槽的尺寸为:长约6m ,宽约14mm ,深约19mm 。

施工完毕后,经试验测1Industrial C onstruction V ol 134,N o 14,2004工业建筑　2004年第34卷第4期 得,结构的极限承载力提高了27%。

H ogue [4]等人在1997年至1998年对美国的Oklahoma 市的一所建筑物进行了加固。

他们对其中的一个混凝土梁采用嵌入式加固方法,开槽尺寸宽约13mm ,深约19mm ,总长度约508mm ,工程中应用的为CFRP 筋。

Nanni2[5～7]于1998年采用嵌入式方法加固了美国波士顿市的6个混凝土圆形结构物。

采用的材料为CFRP 砂磨筋,直径约8mm ,用环氧树脂粘结。

嵌入式加固技术在砌体结构和木结构中也有所应用。

Tumia 2lan [8]于1999年用嵌入式方法加固了一个5层框架的砌体墙,加固效果良好。

G entile 和Rizkalla [9]对加拿大的一座使用了39年的木桥梁进行加固,加固效果令人满意。

1　嵌入式加固方法的优点与传统的加固方法(如增大截面法、粘贴钢板法、植筋法等)相比,嵌入式加固方法具有明显的优点,如FRP 材料耐腐蚀,轻质高强,施工方便,省时省力,加固后维修费用低等等。

与直接在结构表面粘贴FRP 材料的加固方法相比,嵌入式加固方法具有明显的优点。

1)FRP 材料与原结构的粘结性能较好与直接粘贴FRP 材料的加固方法相比,采用嵌入式加固方法,FRP 材料与原结构有着良好的粘结性能。

由图1可以看出,嵌入式加固方法所开的槽中有三个面参与FRP 与树脂的粘结,粘结性能非常好,而且FRP 的锚固问题并不突出。

而直接粘贴FRP 材料的加固方法,FRP 材料的剥离问题及端部锚固问题一直都是一个未彻底解决的难题。

因此,嵌入式加固方法的优势更明显。

1-表面粘贴;2-嵌入式图1　表面直接粘贴与嵌入式方法粘结性能比较2)可以防止火灾对FRP 材料的破坏直接粘贴FRP 材料的加固方法的致命缺点是防火性能差。

由于FRP 和树脂的材料性能的特殊性,使得这一问题在直接粘贴FRP 加固方法中很难解决。

而无论是新建筑物还是加固修复建筑物,防火性能都是不得不考虑的问题。

嵌入式加固方法很好地解决了这一问题。

由于嵌入式加固方法中FRP 材料嵌在构件内部,这样就可以免遭火灾的损害。

另外,在做表面处理时也可以考虑采用某些防火材料以提高防火性能。

3)负弯矩区域加固在对桥梁板面、楼板等构件进行负弯矩加固时,直接在表面粘贴FRP 材料很容易遭到人为或环境因素的破坏。

大多数桥梁每天的过往车辆相当多,车轮的来回摩擦及冲击很容易损坏桥板表面的FRP 材料。

而嵌入式加固方法可以有效地避免这种情况的发生,FRP 材料嵌固在槽中,既可以充分发挥其高强的特点,又能避免外界各种因素对它的损害。

4)充分利用了FRP 材料的强度,能有效提高结构的极限承载力根据研究,嵌入式加固方法能充分利用FRP 材料的强度,从而有效地提高结构的极限承载力。

Ha 2kan Nordin [2]等人用嵌入式方法加固钢筋混凝土梁,极限荷载提高了5713%。

Laura De Lorenzis[10～12]等人用嵌入式方法对钢筋混凝土试验梁进行加固,得出3根试验梁的极限承载力分别提高了2517%、30%和4413%。

由于各研究人员的试验条件及采用的材料不同,故其承载力提高程度有所不同,但总体可以看出,嵌入式加固方法对结构的极限承载力的提高效果是明显的。

2　嵌入式加固方法应用的材料211　FRP 材料在嵌入式方法中,主要应用的FRP 材料为CFRP 、G FRP 筋材,也有少数工程中用CFRP 板带。

根据表面形状不同,FRP 筋又分为变形筋和砂磨筋(如图2所示)。

FRP 筋材截面形状主要分为圆形和矩形两种,工程中大都采用圆形筋。

FRP 材料的尺寸可以根据实际工程的需要在厂家定做。

试验研究[13～15]发现,FRP 筋的表面形状会影响FRP 筋与原结构的粘结性能,变形筋比砂磨筋的粘结性能更好。

212　粘结材料在嵌入式加固方法中,通常采用具有高触变性的粘结材料,粘结强度高,有利于施工。

在实际工程中也可以采用水泥浆代替树脂。

水泥浆的粘结性能不如树脂好,而且容易出现细小裂缝,但是水泥浆要比树脂便宜得多。

瑞典学者Hakan Nordin [2]等人在试验中分别应用水泥浆和树脂作为粘结材料,发现应用水泥浆的梁极限承载力提高5613%,而采用树2工业建筑　2004年第34卷第4期a-CFRP变形筋;b-G FRP砂磨筋;c-CFRP板带图2　嵌入式加固方法中所用FRP材料　脂的梁极限承载力提高了7712%,可以看出,用水泥浆作粘结材料的加固效果也是令人满意的。

3　嵌入式加固方法施工工艺311　施工程序在实际工程中,嵌入式加固方法施工比较方便,不需要大量的劳动力和大型机械,也不需要占用较大的工作空间,甚至可以在不影响结构正常使用的情况下进行施工。

施工程序可以用图3来表示。

在结构表面按照设计要求的尺寸开槽仔细清除槽中的灰尘和残渣在槽中注入树脂至1Π2高度把FRP筋放入槽中并轻轻施压往槽中继续注入树脂,至槽满待树脂固化后,做表面处理图3　嵌入式加固方法施工程序框图312　施工中需注意的问题1)按设计要求的尺寸开槽在实际工程中开槽时,应尽量减少对原结构的损害。

按照设计要求,在合适的位置按正确的方向和尺寸开槽。

开槽的深度取决于所用材料的尺寸以及混凝土保护层的厚度,应该稍大于加固用FRP材料的尺寸。

如果应用FRP筋材,开槽的尺寸一般为FRP筋直径的115倍,考虑到混凝土的保护层厚度,故槽的深度一般应小于20mm。

2)仔细清除槽中混凝土残渣颗粒在结构构件表面开槽后,应该用空压机或其他除尘设备仔细清除槽中的混凝土残渣颗粒及浮尘,否则,残渣可能会影响FRP筋与原结构的粘结,从而影响加固效果。