预应力碳纤维加固简略版

预应力碳纤维桥梁加固技术预应力碳纤维桥梁加固技术1.前言2.研究现状3.在桥梁中的应用举例1.1常用的桥梁加固技术增大截面法：在构件薄弱部位增大受压混凝土面积，或采用化学植筋的方法增加受力钢筋。粘贴加固法：在构件受拉区用化学胶粘剂粘贴钢板或FRP复合材料(fiberreinforcedpolymer，如玻璃纤维、芳纶纤维布、碳纤维等），使其协助内部钢筋共同受拉。体外预应力加固法：在主梁外部新增预应力钢束，以抵消部分弯矩。改变结构体系法：如在简支梁下增设支架或桥墩，或把简支梁与简支梁加以连接,从而由简支变为连续达到提高桥梁承载能力的目的。1.2预应力碳纤维加固技术的由来碳纤维加固的优点不增加构件的截面尺寸和自重，加固修复不留痕迹，防水、抗腐蚀、耐疲劳、耐久性能好，施工快捷等优点，且因其质地柔软而适用于各种形状尤其是斜、弯、坡及异型结构桥梁的加固。1.2预应力碳纤维加固技术的由来碳纤维加固的缺点碳纤维的高强特点仅在受拉钢筋屈服后才发挥，强度利用率不高，加固效果不显著。尤其对于自重较大的桥梁结构，在加固时虽已卸除活荷载，但结构仍存在较大的初始应力，而碳纤维加固材料是在加固以后才开始受力，碳纤维的应力、应变始终滞后于原结构的累计应力和应变，即必须考虑被加固构件的二次受力问题，这又进一步影响了碳纤维布的强度发挥。预应力碳纤维加固技术的由来碳纤维加固的缺点原因：材料性质所决定。弹性材料，强度很高，但弹性模量相对较低。根据平截面假定，在与钢筋混凝土梁共同工作时，碳纤维的应变与钢筋应变相差不大，弹性模量也相似，故其所承担的应力与钢筋基本相同，强度没有得到充分发挥，仅为其极限强度的20％左右。预应力碳纤维加固技术的由来解决办法－预应力碳纤维粘贴碳纤维加固法与体外预应力加固法相结合，在对CFRP片材施加预应力后，粘贴于被加固构件的受拉面，待胶粘剂完全固化后放张片材，利用胶粘剂所传递的剪应力对被加固构件受拉区施加预压应力。预应力碳纤维加固技术的由来解决办法－预应力碳纤维优点：变被动加固为主动加固。①可以使CFRP高强特性得到提前发挥，在二次受力之前就有较大的应变,从而有效减小甚至消除CFRP片材应变滞后的现象,达到更好的加固效果。②预应力产生的反向弯矩,可抵消一部分初始荷载的影响,提高使用阶段的承载力，使构件中原有裂缝宽度减小甚至闭合,并限制新裂缝的出现,从而提高构件的刚度,减小原构件的挠度,改善使用阶段的性能。③碳纤维的变形＝初始变形＋荷载引起的变形，而对应这两部分变形的胶粘剂剪切变形又分别分布于构件的两端和跨中区域，使得胶粘剂的剪切变形分布更为均匀，可有效避免粘结破坏。2.1预应力施加方法预应力施加方法①反拱法：通过液压千斤顶使梁反拱，然后粘贴CFRP片材于梁底。结构胶固化后，撤去千斤顶，被加固梁在自重及弹性恢复作用下，间接对CFRP片材施加预应力。2.1预应力施加方法预应力施加方法②机械张拉法：通过专用的机械设备，如千斤顶、螺杆、手扳葫芦等张拉CFRP片材，然后粘贴于被加固梁，待结构胶固化后撤除张拉设备并做好端部锚固。独立台座张拉梁上张拉2.1预应力施加方法预应力施加方法②机械张拉法2.1预应力施加方法预应力施加方法③波形齿夹具锚张拉法：固定锚具的上半部分合上下半部分，拧紧螺栓两端固定后，中间锚具锚固FRP片材时会强迫FRP片材几何伸长产生预拉力。2.1预应力施加方法预应力施加方法④降温张拉法：利用CFRP温度线膨胀系数为负值的特点，先降温待CFRP伸长后贴于梁上，再升温恢复正常后，CFRP相对缩短而构件相对伸长。2.1预应力施加方法端部锚固方法目的：防止CFRP片材在梁端出现剥离破坏。方法：机械式、粘贴式、机械与粘贴结合式，其中机械与粘贴结合式锚固效果最好。①用U形CFRP箍加钢板压条：沿两侧梁腹表面、梁底面连续加贴一层CFRP布，再用钢板压条压住。2.1预应力施加方法端部锚固方法②螺栓钢板锚、玻璃纤维铆钉、波形齿锚具等。螺栓钢板锚固法：将CFRP布端部绕光圆钢筋后反折，上下用钢板压住后再用高强螺栓拧紧固定在被加固梁上。2.1预应力施加方法端部锚固方法改善措施：①在端部增大CFRP片材的受力宽度；②减小CFRP片材的厚度（层数）；③采用变形能力强、强度高的粘结树脂；④采用施加梯度预应力的方法来逐步减小预应力度（梁中部预应力水平最高，向梁两端预应力水平逐渐降低）；⑤在应力变化处加强锚固等。2.2张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力1.研究的意义：直接影响加固梁的破坏模式和加固效果。过大CFRP纤维断裂、CFRP松弛增加、粘结区域剥离破坏、预拉区开裂、延性降低等问题。2.2张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力2.研究现状①TriantafillouTC,DeskovicN.在预应力体系不发生锚固破坏的条件下，建立了最大预应力水平的分析模型，给出最大张拉应力（外部机械张拉法）与FRP布的材性、截面尺寸和粘结树脂的材性、厚度等因素相关的关系式，并做试验以验证。2.2张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力2.研究现状②U.Meier等认为在卸载的梁上，CFRP布的预张拉力达到25%时，梁的刚度、承载力可提高；到达50%后才能避免剥离破坏，实现最大受弯承载力；到达50%～75%时，由于剩余变形能力较小，CFRP布易断裂，承载力反而下降；合适的预加应力水平应在50%左右。2.2张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力2.研究现状③郭馨艳等以预拉区边缘混凝土开裂为控制条件，由受弯构件正截面理论分析，推导出预应力FRP片材增强混凝土梁的容许张拉控制应力的计算式。2.2张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力2.研究现状④李世宏等根据预应力碳纤维布的技术特点、材料特性、预应力混凝土结构张拉控制应力的取值原则、加固梁的延性进行分析，并对未经结构胶浸渍的碳纤维布张拉控制应力限值进行了试验研究，最后得出碳纤维布的张拉控制应力限值取0.45fcfk(=0.45×3490=1570.5MPa)。2.2张拉控制应力及预应力损失张拉控制应力2.研究现状⑤张珂、叶列平等基于碳纤维布与混凝土之间的双线性剪切-滑移模型，得出碳纤维布放张后布与混凝土间不同初始预应力下界面剪应力的变化规律和计算方法，并推导出碳纤维布的最大张拉应力简化计算公式：。该式为界面剪切强度其取值受很多因素影响不易确定，且未考虑构件延性要求。cffcfptE4472.0max,0cffcfptE4472.0max,0cfcf2.2张拉控制应力及预应力损失预应力损失①张拉机具、锚具变形及施工工艺引起的损失（如：布与辊轴间的摩擦力、粘贴引起的损失）②片材放张时引起的损失（如：剪断布时外加力突然撤去所引起的、片材放张弹性回缩与混凝土之间相对滑移产生的损失）③片材松弛蠕变引起的损失：片材中存在的预应力较小时可忽略。④混凝土弹性压缩引起的损失⑤混凝土收缩徐变引起的损失⑥粘结材料的剪切、蠕变变形引起的损失2.3加固梁的破坏模式、承载力设计理论破坏模式沙吾列提、叶列平[16]对破坏模式作了详细分析，其受弯破坏模式主要有①少筋破坏：受拉钢筋屈服后CFRP布拉裂，而受压区混凝土尚未压碎。②适筋破坏：受拉钢筋屈服后压区混凝土压碎，而CFRP未拉裂。③超筋破坏：受拉钢筋未屈服，CFRP布亦未达到允许拉应变，而受压区混凝土压碎。2.3加固梁的破坏模式、承载力设计理论破坏模式此外由于构造原因，还可能发生④纤维与混凝土基层的粘结破坏（或界面粘结剥离破坏）：可采取提高梁的受剪、受弯承载力来防止，预应力加固后，由于预应力构件中CFRP的应力应变增长小于非预应力构件所以一般可避免。⑤端部剥离破坏：采用有效的端部锚固措施予以避免。⑥碳纤维布先于钢筋屈服而拉裂：张拉力过大造成，通过确定合理的张拉量来避免。（飞渭、江世永等）2.3加固梁的破坏模式、承载力设计理论破坏模式受弯破坏模式的判别①根据混凝土的相对受压区高度ξ与界限ξcf,b来判别少筋与适筋破坏，超筋可通过限制碳纤维布的加固量来控制。②根据实际CFRP布的加固量Acf与界限加固面积即最大Acf，max、最小Acf，min之间的关系来判别。界限加固面积可分别由两种界限破坏时的截面应变和截面受力平衡联立求得。2.3加固梁的破坏模式、承载力设计理论计算假定(1)截面变形符合平截面假定；(2)粘结层不发生剥离，钢筋与混凝土之间以及碳纤维与混凝土之间无相对滑移，锚固可靠。(3)碳纤维布较薄，认为其距梁顶的距离与梁高相等。(4)碳纤维采用脆弹性材料(5)钢筋按理想弹塑性材料(6)混凝土采用上升段-水平段两端曲线，其应力应变关系为：2.3加固梁的破坏模式、承载力设计理论总结研究人员通过试验研究、理论推导、数值模拟，给出了考虑和不考虑二次受力情况下开裂弯矩、屈服弯矩以及几种常见破坏模式少筋破坏、适筋破坏的极限承载力计算理论。对CFRP施加预应力可提高被加固构件的开裂弯矩、屈服弯矩，并由此显著提高受弯构件的抗弯刚度，但预应力水平对极限承载力影响不明显。初始弯矩,会使构件使用阶段的承载力、刚度相比初始弯矩为零的构件有所减小,对裂缝开展的抑制作用减弱。并且是随着初始弯矩的增大,这种趋势更加明显。3在桥梁中的应用德国Gomadingen市Lauter-bridge的加固修复Andra等人(1999)应用Leonhardt等开发的用于张拉预应力碳纤维板材的结构适配系统，于1998年10月成功地对德国Gomadingen市的Lauter-bridge进行了加固修复。该系统可对碳纤维板材施加1000MPa的初始应力,相应的初始应变为0.006，并且可将锚具安装于待加固的构件上。碳纤维板材为拉挤成型，厚度分别为1.2mm与1.4mm，抗拉强度为2800MPa,弹性模量为170GPa。3在桥梁中的应用英国牛津Hythe桥的加固修复Luke等人(1999)与Darby等人(1999～2000)对牛津的Hythe桥进行了加固修复工程。该桥为铸铁结构,由2跨组成，每跨长度7800mm。加固后,Hythe桥的承载力由7.5t提高到了40t。预应力碳纤维板材的加固密度达到了4块/m,每块拉挤碳纤维板的初始拉力达到了18t(40%极限强度)。3在桥梁中的应用湖南省浏阳市金刚头桥的加固修复工程概况：该桥位于湖南省浏阳内106国道线上,建于1963年,服役时间已超过40年。该桥全长49.5m,分为2跨,单跨长度19.5m,每跨由5片钢筋混凝土T型主梁组成。设计荷载为汽—15、挂—80。检测后鉴定为危桥，对金刚桥按汽—20、挂—100通行荷载标准进行加固修复。3在桥梁中的应用湖南省浏阳市金刚头桥的加固修复加固方案：在主梁底部、梁肋两侧距梁底约30cm的位置,各粘贴截面积140mm2、初始应力1000MPa的碳纤维板。碳纤维板拉伸强度为2800MPa,拉伸弹性模量为165GPa,极限拉伸应变为0.017。效果：预应力碳纤维板加固系统的预应力未产生明显变化;混凝土与碳纤维板间的胶粘剂未受到疲劳荷载及环境作用的显著影响,粘结良好;桥梁结构的内力分布得到明显改善,桥梁承载能力得到显著提高,满足承载力及变形要求,达到加固设计目标;在标准荷载作用下的梁体跨中变形显著减小。参考文献[1]尚守平,彭晖,童桦等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究[J].建筑结构学报,2003,24(5):24-30[2]姜新佩，刘丽娜，邓子辰.预应力碳纤维布加固混凝土的试验及施工技术[J].建筑技术,2007,38(6):452-454[3]卓静，李唐宁，邢世建等.一种锚固FRP片材的体外预应力新方法[J].土木工程学报,2007,40(1):15-19[4]欧伟，刘荣桂.预应力纤维(PFRP)布锚固、张拉试验研究[J].实验室研究与探索,2007,26(5):34-38[5]TriantafillouTC,DeskovicN.InnovativeprestressingwithFRPSheetMechanicsofshort-termbehavior[J].Journalo