預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的初探

1、預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的初探 工程中的鋼結(jié)構(gòu)不行避開地存在各種缺陷和損傷。在荷載和環(huán)境等因素的作用下,材料發(fā)生變化,引起宏觀力學(xué)性能的劣化,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程事故。為確保結(jié)構(gòu)平安工作,延伸使用壽命就務(wù)必對損傷構(gòu)件舉行更換或加固,更換這些構(gòu)件將造成極大的奢侈,而且會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。同時(shí),結(jié)構(gòu)損傷具有局部性和多發(fā)性特點(diǎn),這些結(jié)構(gòu)不行能在消失損傷時(shí)就立刻退役。因此,尋求經(jīng)濟(jì)高效的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)既是土木工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題,又是一個(gè)關(guān)系到社會可持續(xù)進(jìn)展的問題。 1、鋼結(jié)構(gòu)傷害的主要因素及加固技術(shù)措施 鋼結(jié)構(gòu)傷害的主要因素有:1)由荷載變化,超期服役,規(guī)范和規(guī)程轉(zhuǎn)變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足;2)構(gòu)

2、件因?yàn)楦鞣N意外產(chǎn)生變形、扭曲、傷殘、凹陷等,致使構(gòu)件截面減弱,桿件翹曲,銜接開裂等;3)溫差作用下引起構(gòu)件或銜接變形、開裂和翹曲;4)因?yàn)榛瘜W(xué)物質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕以及電化學(xué)腐蝕致使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面減弱;5)其它包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工中的失誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。 鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)措施主要有三種:1)截面補(bǔ)強(qiáng)法:在局部或沿構(gòu)件全長以鋼材補(bǔ)強(qiáng),連成整體使之共同受力;2)轉(zhuǎn)變計(jì)算簡圖:增設(shè)附加支承,調(diào)節(jié)荷載分布狀況,降低內(nèi)力水平,對超靜定結(jié)構(gòu)支座舉行強(qiáng)迫位移,降低應(yīng)力峰值;3)預(yù)應(yīng)力拉索法:利用高強(qiáng)拉索加固結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或提高結(jié)構(gòu)整體承載力、剛度和穩(wěn)度。 2、預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù) 目前,國

3、內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用涉足甚少。因此,如何將高性能預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)工程的加固中,以提高鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和牢靠性,將是鋼結(jié)構(gòu)工程加固領(lǐng)域中的一次技術(shù)革命。 2.1傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固存在的問題 焊接加固時(shí),高溫作用使焊接部位的組織及性能劣化;而且焊縫必定存在缺陷,會產(chǎn)生新的裂紋;焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力,與其他作用結(jié)合可能導(dǎo)致開裂。焊接使結(jié)構(gòu)形成繼續(xù)的整體,裂縫一旦失穩(wěn)擴(kuò)展,就有可能一斷究竟,引發(fā)重事件故。 采用螺栓銜接需要在損傷部位附近的母材上開孔,減弱了截面,形成新的應(yīng)力集中區(qū);平凡螺栓在動載作用下易松動,高強(qiáng)螺栓易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象,降低了結(jié)構(gòu)的修

4、補(bǔ)效果。 粘鋼加固技術(shù)是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建造結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板,依賴結(jié)構(gòu)膠使之粘結(jié)成整體共同工作,以提高結(jié)構(gòu)承載力。 這些加固方法共同的缺點(diǎn)是使結(jié)構(gòu)分量增強(qiáng)許多,鋼板不易制作成各種復(fù)雜樣子,運(yùn)送和安裝也不便利,且鋼板易銹蝕,影響粘結(jié)強(qiáng)度,維護(hù)費(fèi)用高。 2.2CFRP粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) CFRP粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)是利用粘結(jié)劑將CFRP粘貼到鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的表面,使一部分荷載通過粘結(jié)層傳遞到CFRP上,降低了結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力。粘貼CFRP加固技術(shù)具有顯然的優(yōu)勢: 1)CFRP的比強(qiáng)度和比剛度高,加固后基本不增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的自重和原構(gòu)件的尺寸; 2)復(fù)合材料具有良好的抗疲憊性能和耐腐蝕性能;3)柔性的復(fù)

5、合材料對于隨意封閉結(jié)構(gòu)和樣子復(fù)雜的被加固結(jié)構(gòu)表面具有特殊的優(yōu)勢。密封性好,削減了滲漏甚至腐蝕的隱患;4)簡便易行、成本低、效率高,在狹小空間亦可施工,特殊適宜現(xiàn)場修復(fù);5)施工過程中無明火,適用于各種特別環(huán)境。 2.3預(yù)應(yīng)力加固的優(yōu)點(diǎn) 1)加固工作可在不卸載、不停產(chǎn)的條件下舉行; 2)施加預(yù)應(yīng)力可直接減小變形,快速消退超逾應(yīng)力和內(nèi)力峰值;3)與非預(yù)應(yīng)力方式相比,可消退應(yīng)力滯后現(xiàn)象,充分利用CFRP的高強(qiáng)特性,提高加固效率。4)結(jié)合牢靠錨固,可降低粘結(jié)界面的剝離應(yīng)力,避開CFRP整體剝落,提高加固的牢靠性;5)降低加固費(fèi)用和使用成本。 預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)方案可分為兩種,一是直接粘貼法,將C

6、FRP兩端錨固并施加預(yù)應(yīng)力后,通過膠粘劑粘貼在鋼結(jié)構(gòu)的表面;一般適用于構(gòu)件表面較平整的拉桿,對構(gòu)件或其局部舉行加固;二是將CFRP束作為預(yù)應(yīng)力拉索調(diào)節(jié)應(yīng)力,一般適用于對囫圇結(jié)構(gòu)舉行整體加固。 1、選材 用于結(jié)構(gòu)加固用碳纖維主要選用PAN基碳纖維,極限強(qiáng)度可達(dá)3500Mpa,彈性模量約為2.35109Mpa.樹脂體系采用環(huán)氧類材料。 2、設(shè)計(jì) 按照待修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、傳力路徑和應(yīng)力-應(yīng)變場,決定CFRP布的用量、尺寸和鋪設(shè)方向等。纖維方向應(yīng)盡量與損傷構(gòu)件中最大受力方向保持全都。倘若損傷部位處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),則纖維取向和鋪層挨次應(yīng)盡量與控制主應(yīng)力方向全都。 3、嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù) 鋼結(jié)構(gòu)加固的

7、特別性,需要一種簡便的預(yù)應(yīng)力施加方式,傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力施加方式往往是先張拉后錨固,需要相對復(fù)雜的張拉機(jī)具,以及相應(yīng)的反力裝置。在錨固的時(shí)候,預(yù)應(yīng)力損失也比較大。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù),其特點(diǎn)就是先錨固后張拉,以構(gòu)件本身和從前的錨固作為張拉受力裝置,無需復(fù)雜的張拉機(jī)具。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)可分次施加預(yù)應(yīng)力,可對粘結(jié)層產(chǎn)生擠壓效應(yīng),提高粘貼的牢靠性。同時(shí),因采用先錨固后張拉技術(shù),預(yù)應(yīng)力損失小,方法簡便有效。錨固及張拉裝置見圖1: 4、纖維布安裝工藝 1)表面處理:先用粗砂紙打磨構(gòu)件的粘結(jié)區(qū)域,清理構(gòu)件表層,用丙酮或酒精溶液擦洗表面,去除污染物,晾置干燥,用粘結(jié)劑浸潤表面。 (a)安裝前(b)安裝后 圖1

8、.錨夾具安裝暗示圖 2)在設(shè)計(jì)要求的位置打孔,應(yīng)遠(yuǎn)離待加固部位以免造成二次損傷; 3)采用擠推法帶膠按圖1所示方法安裝纖維布,將纖維布初步張緊;待錨固處膠硬結(jié)后第一次施加預(yù)應(yīng)力,將纖維布徹低拉直,此時(shí)纖維布與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面留有一定的空隙;4)在纖維布表面抹膠,將纖維束間的空隙初步封閉,稍干硬后舉行灌膠;5)膠稍干后其次次施加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力(利用擠壓效應(yīng),提高粘貼質(zhì)量),用膠將纖維束充分浸透,提高共同工作性能。6)常溫下48小時(shí)后(氣溫較低時(shí)應(yīng)適當(dāng)延伸時(shí)光),膠充分硬結(jié)后,割除多余的螺桿,按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求舉行表面防護(hù)處理。 4.預(yù)應(yīng)力CFRP加固的設(shè)計(jì)與計(jì)算原則 預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)

9、構(gòu)除遵守一般鋼結(jié)構(gòu)加固的準(zhǔn)則與規(guī)定外,還具有以下的特點(diǎn): 1)舉行靜力計(jì)算時(shí)務(wù)必首先決定一些與調(diào)節(jié)應(yīng)力有關(guān)的參數(shù),例如輔助平衡力大小、預(yù)應(yīng)力力度、預(yù)應(yīng)力卸載彎矩值、支座標(biāo)高的位移值等; 2)要決定調(diào)節(jié)應(yīng)力時(shí)的合理荷載值或應(yīng)力水平,換言之,要分析推斷加固結(jié)構(gòu)時(shí)是否需要所有卸載,或卸載至某一水平。 在加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)遵守下列原則: 1)加固件與被加固件皆在材料彈性范圍內(nèi)受力,兩者在荷載下同時(shí)達(dá)到材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; 2)充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力,加固件的預(yù)應(yīng)力度可使被加固件的應(yīng)力卸載至其反向應(yīng)力的極值;3)預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中同樣應(yīng)該考慮預(yù)應(yīng)力加載系數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)、工作條件系數(shù)、荷載系數(shù)等。 5.結(jié)語 預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)與加固砼結(jié)構(gòu)在機(jī)理方面顯然不同,因此,為了使這一先進(jìn)的結(jié)構(gòu)加固方法更廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐,還存在以下問題有待于進(jìn)一步研究: 1)鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)CFRP加固后,可視為廣義的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。不同材料間的粘結(jié)界面是加固后體系的薄弱環(huán)節(jié),破壞往往產(chǎn)生于此。因此,界面粘結(jié)機(jī)理及界面粘結(jié)破壞將成為CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,施加預(yù)應(yīng)力和降低粘結(jié)層剛度,加大粘結(jié)層厚度可緩解界面的粘結(jié)破壞,但其函數(shù)關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。 2)復(fù)合結(jié)構(gòu)界面力學(xué)性能參數(shù)(如界面剝離破壞強(qiáng)度、剪切破壞強(qiáng)度)有待于通過實(shí)驗(yàn)來測定,但目前的實(shí)驗(yàn)方法尚不成熟。