一种加固水中墩柱结构的直接包裹法

一种加固水中墩柱结构的直接包裹法

宋志远

上海久坚加固科技股份有限公司 200050

摘要：涉水桥梁和码头墩柱由于受到侵蚀、冲刷、撞击等损伤后需进行修复，若有原设计标准低或使用超载等因素也需要对结构进行加固补强，但存在修复加固施工难度大或效果不明显等问题。本文介绍了一种能够在水中直接固化的特殊纤维增强复合材料粘贴包裹法（简称TFRP包裹法），该方法既能修复墩柱缺陷，又能提升墩柱结构的强度及耐久性。特殊纤维复合材料在水下固化后具有良好的力学性能。本文从水中墩柱的病害分析、修复加固设计，施工工艺、工程案例及经济效益等几个方面进行了介绍，说明这是一种施工简单、造价节省、可广泛应用的新方法。

关键词：水中墩柱；缺陷修复；加固补强；纤维增强复合材料；水中固化

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一、引言

桥梁墩柱、港口码头及水利结构物受水介质环境影响，极易出现腐化、开裂、漏筋、锈蚀等病害；因为改造升级，或者上部荷载改变，原水中结构的承载能力不能满足新的使用要求；这些均需及时修复病害、加固补强，以确保涉水结构的强度及耐久性。

但此类结构的修复加固对材料及施工工艺等要求都很高。因为结构处于涉水及腐蚀环境，许多可在干燥环境中使用的加固材料已不再适用，除非采用围堰将水抽干。若采用同类的钢材及混凝土加固，将会导致腐蚀问题重复出现，同时施工工序复杂；若采用结构胶粘钢、粘帖碳纤维加固，由于这些结构胶、浸渍胶遇到水或潮湿环境就无法固化，不能与基层结构有效粘结，修复加固效果明显降低。

我们参考国外的成功经验，研究开发了一种特殊的纤维复合材料加固系统，能够直接在水中粘贴包覆墩柱，无需围堰抽水，数小时即可固化反应至设计强度，达到防腐、加固补强、保护墩柱的目的，本文旨在介绍这种技术及其应用成果。

二、水中墩柱病害原因

长期处于淡水、海水或工业污水环境中的结构，有水流冲刷、船舶撞击、生物贝壳附着、飞溅区的干湿环境腐蚀、化学元素酸碱盐强腐蚀元素等作用，造成结构出现许多病害，表面混凝土剥落、钢筋外露锈蚀、应力损失或完全失效，结构表面出现竖向或横向裂缝，发生渗漏现象，如图1和图2所是。

图1 混凝土剥落

图2 钢桩锈蚀

三、传统修复加固方法

传统的修复加固方法主要有两种，一种是支搭钢护筒、浇筑水下混凝土。该方法虽能暂时满足强度要求，施工复杂、造价高。重要的是，由于修复加固所用材料与原结构相同，同样的腐蚀病害会重复出现，造成维护周期无休止。

第二种为直接在玻纤套筒内浇筑灌浆料。该方法虽能解决腐蚀问题，但因材料的抗拉强度较低，很难满足结构强度加固的要求。

四、加固新技术-TFRP包裹法

1）包裹法与应用范围

源于美国，在新加坡及香港获得广泛应用，在华东地区，由上海久坚科技加固股份有限公司对该水下桩柱修复加固专用系统进行了国内的研发应用。

TFRP是特殊纤维增强复合材料的简称，是由特制纤维布与特种环氧树脂现场粘合固化而成的高强度、硬板状结构加固用复合材料。

系统材料一：特殊纤维布

由黄色纤维与白色玻璃纤维垂直编织而成的柔韧布，可根据需要剪裁。纤维布面密度不低于1000g/m2，远厚于面密度为200～300g/m2的碳纤维布。

系统材料二：特种环氧树脂

可充分渗透特殊纤维布，能在水上及水下粘贴包裹、固化反应，且具有非常良好的力学性能。

TFRP包裹法[1]，首先对桩柱的缺陷进行修补，恢复结构完整性；然后，根据设计需要用合适层数的TFRP系统包裹结构表面，补足竖向钢筋及环向箍筋因锈蚀产生的下降强度，使桩柱结构获得保护，加固后的示意图见图3。TFRP系统施工时为柔软的编织布，水下固化后变成强硬的板状材料，具有良好的抗冲刷及抗腐蚀功能，其材料性能如表1所示。施工过程中无需终止结构的使用。

TFRP包裹法应用在既有结构的缺陷修复和加固补强，例如桥梁、港口码头、海洋结构、建筑结构、水力管道、地下管道、蓄水池、污水处理池、构筑物等。对于新建在严酷环境中的结构可采用TFRP系统进行预防性保护，例如，强腐蚀的工业污水处理设备、海水中的桩柱、基础承台、浪溅区的海洋结构等。一方面可起到防腐蚀、防生物贝壳附着等病害；另一方面，可大大提高结构的安全系数。

TFRP包裹法适用于木桩、钢桩、混凝土桩等，TFRP均可与其牢固粘结，成为一体协同受力。同时，也适用于所有形状及尺寸的桩柱，能有效预防腐蚀和生物贝壳附着，对结构进行有效补强，施工便捷，经济环保，免维护。

图3 结构病害示意图

2）计算设计注意

事项

首先基于检测报告，根据实际情况和使用要求，做出分析判断：是结构病害修复或是结构强度加固？

如果结构强度满足，仅做防腐防水耐久性修复。先去除原结构表面海蛎子、非结构的腐烂层，直到原结构坚实层，用修补料恢复原构件截面尺寸，再粘贴或局部粘贴1.3mm～2.6mm厚的TFRP复合材料作防护即可。此时TFRP本身的加固作用是对原结构额外的贡献。

2）如果强度不足，或已现结构裂缝，需要加固补强

   此时需对原结构在新情况下进行验算分析，找出加固目标，是增加抗弯强度、抗剪强度、抗拉抗压或综合强度，还是抑制变形。

   针对病因，根据TFRP的力学指标，计算出合适的粘贴厚度，一般可粘贴2.6mm～5.2mm的厚度，做好搭接和锚固。

TFRP复合材料与原结构之间通过环氧胶的粘结足以使二者变形协调，因此可以参考现行《混凝土加固设计规范》（GB50367-2013）[2]。其抗弯、抗剪、受压等的计算可参考相应的粘贴碳纤维、粘钢计算公式，只是材料的力学性能参数换为TFRP的指标。

3）施工工艺

TFRP包裹法的施工艺简单，但需要技巧，工人均须培训合格，严格按标准操作及检验，方能将达到预期的效果。施工流程包括如下步骤[1]：

a)表面打磨，清理至结构层；

b)修补裂缝和缺陷；

c)涂刷底胶，再用已预浸有配套树脂胶的纤维布布包裹粘贴在需加固的结构表面。刮平结构表面，防止空鼓；

d)养护检查，发现问题及时修补。

4）经济分析

从TFRP包裹法的简便的施工工序和修复加固效果的长期良好效应来看，既能起到结构补强，同时又能防腐、耐冲刷、防止生物贝壳附着等需要。经实例对比，该方法比具有其它方法有较大的经济及综合优势。

五、TFRP包裹法应用案例

宁波某集装箱码头由于下方及后方淤积严重，码头后沿最大淤泥厚度已达9m，部分预应力大管道桩出现开裂。共有161根桩发现裂缝，位于桩顶及附近，码头安全储备水平降低，耐久性降低，需要对出现裂缝的基桩进行修复，如图4所示。其中有125根大管桩用TFRP包裹法进行加固（方法得到专家论证会认可），60多根桩用混凝土管桩灌浆修补。

图4 基础桩柱修复加固前

图5 TFRP包裹法加固桩柱

TFRP包裹法，首先进行玻璃钢剥除，然后用角磨机将粘贴TFRP范围内的碳化砼等杂物进行清除，并将砼表面打磨至新砼面。再将搅拌好的环氧树脂涂抹在砼表面，保证涂抹涂刷均匀，无气泡现场，且厚度不小于1mm。将裁剪好浸润有特殊环氧树脂纤维布粘贴在砼表面，然后采用滚筒和刮板进行赶压，将粘贴过程中的气泡赶出，并确保粘贴密实，无空鼓现象。TFRP包裹法同时结合使用了柔性止水材料密封措施。加固后，破损桩的承载力和码头安全储备水平得到提高，部分码头的靠泊能力有15万吨提升为20万吨，修复加固效果见图5。

六、结语

TFRP直接包裹为涉水结构的修复加固，尤其是对于需同时满足耐腐蚀和强度补强需求的结构提供了一种新的方法。

目前，我国的大量的水利设施时常渗漏，跨海跨河的桥梁出现多种病害，大量的涉水结构需要进行修复加固，采用经济有效的方法提前做好预防是最直接、经济和环保的策略。

作者简介：宋志远，1965年生，工学硕士，高级工程师。

参考文献：

[1]宋志远, 张达石, 刘琼. 大口径管道非开挖修复与加固新方法[J]. 特种结构, 2018(1).

[2] GB50367-2013混凝土结构加固设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

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